1 引言

激光近净成形(LENS)技术^[1-2]是在激光熔覆快速成形技术的基础上提出来的一种综合集成技术。该技术可以对构造复杂的结构件进行成形,且在零件成形后仅需少量加工或者不需要再加工就能使零件达到机械构件的工艺要求,具有高效高精度、轻量化以及低成本等优点,被广泛应用于各个领域。

传统的LENS技术是在小角度倾斜平面或水平面上以固定的工艺参数进行逐层扫描堆积,但涉及到一些复杂结构件,如齿轮叶片上的扇形锯齿、汽车发动机的弯管等,则难以通过传统的LENS技术实现成形^[3]。

王续跃等^[4]通过改变送粉量的方式进行多层熔覆,成形出斜坡薄壁件。但频繁改变送粉量会导致每一段的粉末流量不等,无法快速达到期望流量值。如果某一段出现较大的误差,则会导致成形的失败。

胡帮友等^[5]提出一种不等厚切片技术,将复杂螺线管沿生长方向的法平面进行等距切片,再进行逐层熔覆。该方法计算量过大,且没有普适性,只能对某个复杂零件进行分层计算。

石皋莲等^[6]通过大量单道正交实验得出各种熔覆层高度对应的扫描速度,采用变扫描速度的方法成形出不等高熔道,最终堆积出扇形结构件。此方法为开环方法,受成形工艺参数、成形环境等因素的影响,最终有可能出现成形精度不够、成形过程不稳定等现象。

Hua等^[7]使用两个沉积高度光学传感器测量堆高,设计了一种模糊逻辑控制器,堆积出数层不等高熔道。Fathi等^[8]采用沉积高度反馈法,使用比例积分微分(PI)控制器和变结构控制器成形出正弦形状的高低不等熔道。

本文利用图像传感器(CCD)熔道层高测量装置^[9-12]测量层高,设计了闭环控制的方法,以控制不等高零件各个位置的高度。通过补偿误差实现了扇形结构件的稳定、高精度成形。

2 实验条件

2.1 实验设备条件

实验是以德国KUKA股份公司生产的型号为KR 60-3F的六轴KUKA机器人为驱动平台,配以德国IPG 公司生产的型号为YLS-2000-TR的光纤激光器以及德国GTV公司生产的型号为PF2/2的送粉器,采用氮气作为保护气及载粉气。使用德国Basler公司生产的acA1300-30gm高速CCD相机作为熔道堆高测量传感器,以35 frame·s^-1的图像采集速率实时采集熔池处的图像信息,通过工控机计算对应堆高,并同步传输至KUKA机器人控制器。

2.2 实验技术条件

实验采用苏州大学激光制造技术研究所研发的光内送粉喷头^[3,13-14],其原理如图1(a)所示。利用特有的光学系统将圆形实心的激光束转化成中空环锥形聚焦激光束,粉管设计在光束中空处,实现光内同轴送粉。单粉束外围是环形准直保护气,对粉束起集束作用,减小粉末发散角,从而提高粉末利用率。在进行大角度倾斜熔覆时,粉束受到载粉气、保护气的同轴同向作用力,重力对粉束的影响减小,粉束保持很好的挺直度。

图 1. 光内送粉。(a)原理图;(b)实物图

Fig. 1. Inside-laser powder feeding. (a) Schematic; (b) physical picture

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以扇形结构为例,传统的LENS方法大都采用水平平行分层法,如图2所示,这种方法会造成上下层间在熔道的边缘部分发生错位,这种台阶效应会导致成形边缘粗糙。若错位角过大,错位部分漏粉漏光,进而会造成成形失败。本实验采用空间变方位、非平行分层技术进行逐层逐段堆积^[15],如图3所示。沿着扇形结构件外部轮廓的曲率半径方向进行法向分层,将其分为若干条不等高熔道。每一条

图 2. 水平分层堆积模型

Fig. 2. Model of horizontal layered accumulation

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图 3. 法向分层堆积模型

Fig. 3. Model of normal direction accumulation

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熔道又分为若干段,分别进行熔覆,通过改变每一段的扫描速度,堆积出指定的高度,段数越多则越近似于一条平整的不等高熔道。同时,在每一层每一段的熔覆过程中,必须不断调整喷头的空间姿态,从而保证喷头以及粉嘴的中轴线方向与该段成形面的法线方向始终保持一致。该方法与传统的水平分层方法不同,它有效解决了因熔覆层之间错位而出现的台阶问题,可实现大角度悬垂扇形结构件的堆积成形。

3 实验方法

3.1 不等高熔道的分段控制法

在图3中,利用法向分层将扇形结构件分为n条不等高熔道,取其中一条不等高熔道(记为第i层熔道),将其沿着曲率半径的方向进行等距分段,分成m段(1,2,3,…,j,…,m),段号为j,如图4所示,其中R为扇形结构件内侧的曲率半径,L为不等高熔道的长度。

图 4. 不等高熔道的分段

Fig. 4. Segmentation of unequal-height cladding tracks

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若记第i层第j段的期望高度为H_ij,设计第1段的高度H_i1后,不等高熔道各段的期望高度H_ij为

Hij=Hi1m(L+R)[m(L+R)-L(j-1)]。(1)

激光熔覆的单道高度主要受激光功率P、扫描速度V、激光离焦量D以及送粉量的影响,若保持其他工艺参数不变,只改变扫描速度V,熔道的高度和宽度都会有相应的变化。研究表明,随着扫描速度的增加,熔覆层的宽高比增加,说明扫描速度对熔覆层高度的影响高于对其宽度的影响^[16-17]。这主要是因为扫描速度V越大,单位时间内激光输入熔池的能量以及进入熔池的粉末越少,熔覆层的高度也就越小。反之,扫描速度V越小,熔覆层高度越大。

针对各层各段的期望高度H_ij所匹配的扫描速度V,许多研究都是对大量的正交实验得到的数据进行线性或非线性拟合,得出两者的数学模型。本实验采用熔覆层高度测量系统,即给定所需的期望高度,通过PI控制器不断调整扫描速度,使其测量出的实际高度H_sij无限逼近期望高度H_ij。比例控制器设计如下:

Vi+1=Vi-KP×(Hr-Hs),(2)

式中V_i为当前的扫描速度,V_i+1为修正后的下一层扫描速度, H_r为期望的层高, H_s为当前实际堆高,K_P为比例增益系数。

3.2 扇形结构件的成形

周斌等^[6]在堆积扇形结构件时,每层每段的扫描速度都是固定的,并且各段扫描速度是通过试凑法确定的,故实际堆高是未知的。此外,受外部环境以及逐层温度和应力的累积等因素的影响,该扫描速度下对应的堆高会随层数的增加而变化,往往难以与期望高度保持一致。如果按照固定参数以固定姿态进行扫描,即各段的z轴提升量等于各段的期望高度,则各段的离焦量会发生变化,如图5所示。当某段的误差累积较大时,各段难以保持在设计的同一条线上,甚至会出现凹凸起伏、塌陷等,使成形失败。

图 5. 以固定参数进行扫描的示意图

Fig. 5. Schematic of scanning with fixed parameters

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为了解决上述问题,在分层熔覆的基础上,将每一层各段看作一个独立单元进行熔覆。采用层高测量系统对当前层每段的高度进行实时测量,记为H_sij,与期望层高H_ij的差值记为误差E_ij=H_ij-H_sij。在扫描下一层时,针对各段熔覆的实际高度,调节z轴的提升量,即在进行第i+1层扫描时,喷头的姿态偏转角度为i×θ(θ为对应的扇形角度),第一段对应的z轴提升量为H_si1×cos(iθ),第j段对应的z轴提升量为H_sij×cos(iθ)。在各段落之间加入一个细微的过渡段,当该段扫描结束后,通过短暂的过渡段来调整喷头的姿态和位置,以到达下一段的初始位置,其原理图如图6所示。利用该方法,可以确保各段的离焦量保持不变,从而使熔覆层的宽度保持一致^[18]。

图 6. 加入过渡段的不等高熔道的熔覆过程

Fig. 6. Cladding process of uneual-height cladding tracks with transition segments

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在保证离焦量不变的前提下,由于扇形结构件角度不断变大,在逐层逐段进行熔覆时,熔池会向下流淌,此时期望高度对应的扫描速度就会发生明显变化。因此在逐层逐段扫描时,需要根据实时测量的实际堆高H_sij,利用速度控制器不断调节下一层该段的速度,从而不断对之前每一段的累积误差∑E_ij进行补偿,直至∑E_ij=0。

3.3 多段PI控制器设计

由于在成形过程中,调节扫描速度不仅是为了让实际堆高H_sij不断趋近于期望堆高H_ij,即使得E_ij趋近于零,还是为了不断对前面的累积堆高误差∑E_ij进行补偿,使得实际总堆高∑H_sij与期望总堆高∑H_ij基本一致。在速度控制器中设计比例环节和积分环节,设计的速度控制器如下:

V(i+1)j=Vij+KP×(Hij-Hsij)+KI×(∑Hij-∑Hsij),3

式中V_ij为第i层第j段的速度,V_(i+1)j为该段在下一层的速度,K_I为积分增益系数。K_P×(H_ij-H_sij)为比例控制部分,主要目的是消除当前高度误差,实验中K_P取负值,这是因为当实际堆高小于期望高度,即H_ij-H_sij≥0时,K_P<0可以使得V_(i+1)j≤V_ij,即降低下一层的扫描速度,使熔覆高度增大。K_I×(∑H_ij-∑H_sij)为积分控制环节,主要目的是补偿之前的累积误差∑E_ij。

理论上, K_P越大,系统的响应速度越快,调节时间越短,但是K_P过大会造成最大偏差增大,振荡次数增加,调节时间变长,进而动态性能变差,使得闭环系统不稳定; K_I越大,积分作用越强,但K_I过大又会使调节作用过强,引起被调参数产生振荡。因此,需要通过实验分析得出最优的比例及积分系数。

3.4 不等高结构件闭环成形系统

不等高结构件闭环成形控制系统示意图如图7所示,给定KUKA机器人初始的扫描速度,熔覆第一层后,层高测量装置读取该层每段的堆积高度,求出堆高误差并传输给PI速度控制器,计算出下一层每一段对应的扫描速度,再传输给KUKA机器人控制器,从而调节KUKA机器人机械手臂的运行速度,如此往复循环堆积,最终堆积出扇形结构件。

图 7. 闭环成形系统示意图

Fig. 7. Flow chart of closed-loop forming system

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4 实验过程和结果

设计不等高熔道,分7段分别进行闭环控制。每段长度为8 mm,段与段之间的过渡段长0.3 mm,外侧期望高度为H₁=0.43 mm,内侧期望高度为H₇=0.25 mm,中间每段高度差为0.03 mm,则总长度为L=57.8 mm,对应的扇形角度θ以及内圈半径R满足

R×θ=0.25,(4)(R+L)×θ=0.43,(5)

合并(4)式和(5)式,得θ=0.178°, R=80.28 mm。

采用Fe313粉末以及304不锈钢基板,取激光功率P=800 W,送粉速度M=6.15 g·min^-1,离焦量D=-4 mm,利用3.1所述的方法,得到不等高熔道各段期望堆高H_r所对应的初始扫描速度V,见表1。

利用(3)式设计的多段速度控制器进行扇形结构件的堆积成形。比例系数K_P=-0.008,积分系数K_I=-0.0005,最终熔覆成形的结构件如图8所

图 8. 扇形结构成形件的(a)正视图和(b)右视图

Fig. 8. (a) Front view and (b) right view of fan-shaped forming parts

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示。成形件一共扫描326层,偏转角度为60°,外观形貌平整,光洁度较高,实际长度与设计一致,测量各处位置壁厚,误差范围在-0.06~0.04 mm,宽度基本一致。

提取高速CCD相机测得的每层每段的实时堆高,并绘制成图,图9所示为熔覆过程中扇形结构件各段前290层每层的高度,1~9层为z轴随动提升,实际堆高H_sij略大于各段的期望堆高H_r。前10层由于刚开始堆积,通过基板进行三维传热,加上受基板稀释率等因素的影响,前几层测出的堆高不稳定,带来较大的速度波动。等到10层后速度基本稳定,速度控制器开始启用,熔覆层实际堆高开始下降,回落至期望高度H_r附近。从105层开始,熔覆高度开始出现波动,主要是因为此时扇形结构件的角度到达了20°左右,由于存在高度差,熔池会发生一些位移,相邻段之间会相互影响,进而影响下一段的堆高。在120层左右,各段实际堆高又自动调整到了稳态。

图10(a)~(c)分别为图8(a)中⑥、⑤、④处的金相显微分析图,分别对应扇形结构件的外侧、中间部分以及内侧。从图10可以看出,三处的微观组织差异很小,均为沿一定方向生长的树枝晶,晶粒度等级一致。

图 9. 成形件各段的熔覆高度。(a) j=1;(b) j=2;(c) j=3;(d) j=4;(e) j=5;(f) j=6;(g) j=7

Fig. 9. Cladding heights of different segments of forming parts. (a) j=1; (b) j=2; (c) j=3; (d) j=4; (e) j=5; (f) j=6; (g) j=7

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图 10. 成形件不同处的金相显微分析图。(a)外侧;(b)中间;(c)内侧

Fig. 10. Metallographic analysis images at different positions of forming parts. (a) Outside; (b) middle; (c) inside

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5 结论

基于层高测量装置,结合法向分层技术,提出了一种新的不等高结构件的闭环成形方法。改进了不等高熔道层高和扫描速度数学模型的获取方式,只需要给定期望高度,通过比例控制器不断自我调整,即可迅速得到对应的扫描速度。建立了速度PI控制器,使实际总堆高达到期望值,实现了扇形结构件的闭环成形。