变壁厚偏心圆环结构激光熔覆成形及闭环控制

沈婷; 石拓; 傅戈雁; 张锐; 胡晔

doi:doi:10.3788/CJL201845.0302007

中国激光, 2018, 45 (3): 0302007, 网络出版: 2018-03-20

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Laser Cladding Forming and Closed-Loop Control of Thickness-Variable Eccentric Ring Structure

论文大纲

沈婷 ¹石拓 ^2,*傅戈雁 ¹张锐 ¹胡晔 ¹

作者单位

¹ 苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215021

² 西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049

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摘要

基于光内送粉技术，激光熔覆成形了变壁厚偏心圆环结构。规划了变壁厚偏心圆环的成形扫描路径，利用基于机器视觉的层高控制软件获得了每个成形段的实际高度，并与设定的期望高度进行对比，建立了基于比例积分(PI)控制器的速度校正模型。成形的偏心圆环结构的最小壁厚为2.14 mm，最大为6.38 mm。每段总堆高与期望总堆高的误差较小，整体高度相对平整，具备较高的成形精度。成形件不同壁厚处的晶粒组织均匀致密，晶粒尺寸接近。

Abstract

Basded on the hollow laser beam internal powder feeding technology, the thickness-variable eccentric ring structure is fabricated by laser cladding forming. The scanning paths for forming the thickness-variable eccentric ring structures are planned. The layer-height control software based on machine vision is used to obtain the actual height for the each forming layer, which is compared with the desired height. The speed-correction model based on the proportion-integration (PI) controller is established. The forming eccentric ring structure has the minimum wall thickness of 2.14 mm and the maximum wall thickness of 6.38 mm. The error of actual total height with respect to the desired one of each segment is relatively small and the overall height is relatively flat, which shows the forming accuracy is high. At positions with different wall thicknesses of forming parts, the grain structure is uniform and grain size is comparable.

1 引言

在工程应用中存在许多变壁厚金属结构,如涡轮叶片、球缺、桶形件等^[1-4]。传统的冷冲、铸造、锻造和数控铣削等是加工变壁厚金属零件的常用方式,其存在材料利用率低、加工时间长、生产成本高等缺点^[4]。激光熔覆成形(LCF)作为一种增材制造技术,具有成形速率高、成形精度高、自由成形且材料利用率高等优点^[5]。该加工方式是利用计算机三维分层软件对零件计算机辅助设计(CAD)模型进行分层处理,获取零件每层参数信息,规划扫描路径,激光熔覆喷头再根据规划路径成形金属零件^[5]。变壁厚结构的LCF通常都是根据不同宽度进行多道搭接。此方法存在路径复杂以及搭接率难以选择等问题^[6]。陆斌等^[6-8]采用分段成形的方法成形了变壁厚结构。由于存在多种不确定性因素,且缺少实时反馈系统,设定的提升量与实际堆积层高会出现不匹配,成形容易失败^[9-10]。石拓等^[11]基于层高控制系统,提出了一种熔道层高的精确反馈控制方法。这种方法使熔覆堆高变得可控,提高了激光熔覆的成形精度。

本文采用聚焦光路离焦改变激光光斑尺寸的方式,对不同的光斑尺寸进行了参数匹配,结合熔道层高的精确反馈控制方法,实现了每层一次性变宽度扫描,非搭接成形了变壁厚偏心圆环结构。

2 实验材料、系统与方法

2.1 实验材料

实验材料包含基体材料和熔覆材料。由于同种材料之间容易实现冶金结合,故分别采用不锈钢304和Fe313。不锈钢304的熔点为1400~1455 ℃,具有较好的耐热性和耐腐蚀性。Fe313粉末价格低,应用范围广,易于推广。该粉末的组成为:0.1% C,0.5%~1.5% B,2.5%~3.5% Si,13%~17% Cr (以上皆为质量分数),其余为Fe。

2.2 实验系统

实验系统采用德国IPG公司生产的型号为YLS-2000-TR的IPG光纤激光器、德国GTV公司生产的型号为PF 2/2M的GTV送粉器、德国KUKA公司生产的自由度为6的KUKA加工机器人、中空激光光内送粉喷头和层高测控系统等。成形系统采用闭环控制,如图1所示。

实验采用的激光光内送粉喷头由本实验室自主研发^[5-7,12],其原理如图2所示。送粉喷头作为LCF系统的重要组成部分,直接影响成形零件的成形质量。光内送粉喷头有助于实现光、粉、气一体同轴。在送粉率、光斑尺寸、激光功率和扫描速度等众多因素中,成形件的宽度主要取决于光斑尺寸,图2中三个不同的光斑宽度对应不同的离焦量。

图 1. 偏心圆环成形闭环控制系统

Fig. 1. Closed-loop control system of forming of eccentric ring structure

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图 2. 光内送粉示意图

Fig. 2. Schematic of hollow laser beam internal powder feeding

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2.3 成形方法

变壁厚偏心圆环结构要求壁厚渐变且表面平整,实体模型如图3(a)所示。光斑尺寸的变化与激光离焦量相对应,故须在不同宽度处匹配不同的离焦量。为了适应离焦量的变化,并使粉末获得足够的能量,须为每个离焦量配以合适的激光功率,因此采用分段成形的实验方法^[8]。根据圆环宽度变化范围确定段数,成形过程中的光斑宽度变化如图3(b)所示。成形时,为了确保圆环各段高度一致,为各段设定高度期望值。通过层高控制软件获取每段实际高度,利用比例积分(PI)控制器,结合期望高度与实际高度实时调整各段扫描速度,使熔覆层实际高度接近于期望高度且能在期望高度值附近小幅度波动,从而实现对成形过程的闭环控制。

3 路径规划及速度模型

3.1 路径规划

在直角坐标系中,圆方程为X²+Y²=R²,其中R为圆的半径。A为圆上任意一点,其坐标为(Rcosθ,Rsinθ),其中θ为OA与X轴间的夹角,如图4所示。

图 3. 变壁厚圆环。(a)模型实体图;(b)不同宽度处的光斑

Fig. 3. Thickness-variable ring. (a) Physical model; (b) light spots at different widths

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图 4. 圆上点的示意图

Fig. 4. Schematic of point on circle

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变壁厚偏心圆环划分成n段圆弧,对应弧长为2πR/n,其中n为偶数。在成形时,不同宽度的圆弧之间设定圆弧夹角为2°的过渡段,喷头的提升或降低、离焦量的改变将在过渡段中进行,以保证成形过程的平稳。

令μ=360/n,则

\begin{matrix} \{\begin{matrix} X_{i, j, k} = X_{0} + Rcos [k + (j - 1) μ] \\ Y_{i, j, k} = Y_{0} + Rsin [k + (j - 1) μ] \end{matrix}; (1) \end{matrix}

当0≤k<μ-1时,

1) 当i=1时,

\begin{matrix} \{\begin{matrix} Z_{i, j, k} = Z_{0} + (j - 1), 1 \leq j \leq \frac{n}{2} \\ Z_{i, j, k} = Z_{i, j - 1, k}, j = n / 2 + 1 \\ Z_{i, j, k} = Z_{i, j - 1, k} - 1, n / 2 + 1 < j \leq n \end{matrix}, (2) \end{matrix}

2) 当i>1时,

\begin{matrix} Z_{i, j, k} = Z_{i - 1, j, k} + h_{i - 1, j, k}; (3) \end{matrix}

当k=μ-1时,

\begin{matrix} \{\begin{matrix} Z_{i, j, k} = \frac{1}{2} (Z_{i, j, μ - 2} + Z_{i, j + 1, k}), 1 \leq j < n \\ Z_{i, j, k} = \frac{1}{2} (Z_{i, j, μ - 2} + Z_{i + 1,1, 0}), j = n \end{matrix}; (4) \end{matrix}

当k=μ 时,

\begin{matrix} \{\begin{matrix} Z_{i, j, k} = Z_{i, j + 1,0} 1 \leq j < n \\ Z_{i, j, k} = Z_{i, j, μ - 2} + h_{i, 1,0} j = n \end{matrix}, (5) \end{matrix}

式中i为层数(i≥1),j为段号(j≥1),k为角度(0≤k≤μ),μ为每段圆环的度数,h_i_,_j_,_k为第i层第j段的实际层高,(X₀,Y₀,Z₀)为第一层变壁厚圆环圆心坐标,(X_i_,_j_,_k,Y_i_,_j_,_k,Z_i_,_j_,_k)为第i层第j段角度为μ(j-1)+k处的激光熔覆喷头的空间坐标。

利用(1)~(5)式,基于层高控制软件,能够实时获取小范围内的实际高度。计算每段0≤k≤μ范围内大量高度值,取其平均值作为该段的实际高度。

3.2 速度模型

偏心圆环每段扫描速度采用数字 PI控制算法。第i+1层第j段的扫描速度修正为

\begin{matrix} \begin{matrix} v_{i + 1, j, k} = v_{i, j, k} + k_{P} (h_{r} - h_{i, j, k}) + \\ k_{I} \overset{i}{\sum_{m = 1}} (h_{r} - h_{m, j, k}), (6) \end{matrix} \end{matrix}

式中k_P为数字比例系数,k_I为数字积分系数,均为常数,且单位为s^-1。第i+1层第j段的扫描速度取决于第i层第j段的扫描速度、实际高度与期望高度h_r的差值,实际总堆高与期望总堆高的差值。当第i层第j段成形完成后,层高控制软件获取其实际层高,KUKA控制器能立刻算出下一层第j段的扫描速度。当0≤k<μ-1时,每层每段的扫描速度v_i+_1,_j_,_k为一恒定值,不随k的变化而变化。

当实际堆高小于期望高度时,则希望下一层该段扫描速度减慢。反之,则希望下一层该段扫描速度加快,即v_i+_1,_j_,_k与h_r-h_i_,_j_,_k呈反比例关系,因此k_P应取负值。同理可知,v_i+_1,_j_,_k与 $\begin{matrix} \overset{i}{\sum_{m = 1}} \end{matrix}$ (h_r-h_m_,_j_,_k)呈反比例关系,因此k_I也应取负值。

由于采用不关闭激光的方式进行连续扫描,各段工艺参数不同。为保证相邻两段的扫描速度、离焦量等参数的平滑衔接,在段间需要设定一个较小的过渡段,使激光喷头能够平缓地从一个离焦量变化到另一个离焦量。图5所示每段红色区域的弧长即为过渡段的弧长。在过渡段中,喷头在水平方向沿着过渡段圆弧熔覆,同时在垂直方向逐渐提升或降低位置,以改变离焦量。喷头在垂直平面的轨迹为斜直线。相比于在垂直方向直接提升,此方法能够有效避免提升点出现凸起等缺陷,保持成形件平整。为确保过渡段的高度与两侧高度保持一致,提升量和过渡段弧长的三角函数关系如图6(a)所示,过渡段速度与水平方向速度的关系如图6(b)所示。

图 5. 过渡段示意图

Fig. 5. Schematic of transition

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图 6. (a)提升量与弧长间的三角关系;(b)速度三角关系

Fig. 6. (a) Triangle relationship between lifting capacity and arc length; (b) triangle relationship between speeds

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在图6(b)中,当k=μ-1和k=μ时,过渡段

中X向与Z向的合成速度为

\begin{matrix} v_{lifti, j, k} = \frac{v_{i, j, k}}{cosγ}, (7) \end{matrix}

其中

\begin{matrix} cosγ = \frac{\frac{2 πR}{360}}{\sqrt[]{{(\frac{2 πR}{360})}^{2} + (\frac{1}{4}) (h_{i, j, k})^{2}}}, (8) \end{matrix}

将式(8)代入式(7),得到

\begin{matrix} v_{lifti, j, k} = \frac{πR v_{i, j, k} \sqrt[]{{(\frac{2 πR}{360})}^{2} + (\frac{1}{4}) (h_{i, j, k})^{2}}}{90 h_{i, j, k}} 。 (9) \end{matrix}

4 成形实验

在送粉率不变的情况下,每段的离焦量和激光功率为预先设定值。在成形中,通过PI控制算法调整每段扫描速度,使熔覆高度在设定的期望高度值附近达到动态稳定。LCF受各种不确定因素的干扰,成形表面不平整,存在缺陷,成形质量受影响。中空激光送粉喷头的离焦量自愈合效应能够弥补不确定因素对表面平整度的影响^[13-15],自愈合原理图如图7所示。

图 7. 自愈合原理图

Fig. 7. Principle of self-healing

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图7中①处为设定的期望离焦量defocusing_1,受基体平整度影响,同一平面离焦量有所不同,图7中②处离焦量为defocusing_2,大于期望离焦量,图7中③处离焦量为defocusing_3,小于期望离焦量。光斑直径取决于离焦量的大小,而激光能量密度与激光功率、光斑直径和扫描速度相关,即

\begin{matrix} E = \frac{P}{Dv}, (10) \end{matrix}

式中E为能量密度,P为激光功率,D为光斑直径,v为扫描速度。在相同工艺参数下,①处能量密度大于②处的,②处生长高度低于①处的;③处能量密度大于①处的,③处生长高度高于①处的。激光能量密度不同,熔化的粉末量也不同,不同离焦量处熔道的生长高度也不同,因此能够逐渐弥补高度差。偏心圆各段期望宽度见表1,综合考虑各参数间的互相影响,离焦量选取在-8~-4 mm的自愈合区间内。

表 1. 初始参数匹配表

Table 1. Initial parameter matching table

Segment number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Defocusing D /mm	-8	-7	-6	-5	-4	-4	-5	-6	-7	-8
Laser power P /W	1200	1050	920	780	650	650	780	920	1050	1200
Expected width /mm	6.25	5.55	4.65	3.50	2.50	2.50	3.50	4.65	5.55	6.25
Scanning speed v /(mm·s^-1)	4	5	6	11	13	13	11	6	5	4

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成形一个左右对称的变壁厚偏心圆环,将模型划分为10段,每段36°,前5段与后5段的参数对称,具体参数见表1。前5段离焦量在-8~-4 mm内变化,每段离焦量变化量为1 mm。该5段对应的功率值分别为1200,1050,920,780,650 W。后5段离焦量则在-4~-8 mm内变化,每段离焦量变化量与前5段相同,每段对应功率则是在650~1200 W内变化。当离焦量较大时,配以大功率激光与较慢的扫描速度;当离焦量较小时,配以较小功率的激光和较快的扫描速度,使粉末有足够的能量熔化。离焦量、功率和扫描速度通过单道实验已基本匹配,能有效地避免粉末的过熔化和夹杂现象。各段送粉率均为6 g·min^-1,设定堆积层数为130。

在成形实验中,根据速度调整范围与各参数之间的匹配关系,将控制模型中的比例系数k_P设定为-0.00300 s^-1,积分系数k_I设定为-0.00035 s^-1。成形中,扫描速度需设定上下限,以防止自适应调整过程中扫描速度过快或过慢。在成形过程中,当激光离焦量较大时,激光喷头粉嘴距离熔池(加工平面)较近,且机械手移动速度较慢。在离焦量、功率和送粉率等参数不变情况下,熔覆层高度与扫描速

度成反比,速度越慢,熔覆层高度越高,喷嘴容易过热。因此,在多次实验中,将扫描速度设定在1.9~20 mm·s^-1范围内,成形过程如图8所示。

图 8. 变壁厚偏心圆环成形过程

Fig. 8. Forming process of thickness-variable eccentric ring

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5 实验结果及分析

5.1 高度变化

图9所示为偏心圆环第1~5段成形过程中的高度控制曲线,所有曲线均收敛于期望高度(0.23 mm)附近,使成形过程既具有较快的响应速

图 9. 各段的高度变化曲线。(a)第1段;(b)第2段;(c)第3段;(d)第4段;(e)第5段

Fig. 9. Height variation curves of segments. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4; (e) No.5

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度又能稳定控制扫描速度。实际总堆高是所有层中对应段数的实际高度之和,每层每段的实际高度是该段各处高度的平均值,由层高控制软件获得。同一段的高度略有差别,如图10所示,具体实验结果见表2。同一段中的扫描速度和激光功率为恒定值,同一段中不同部位离焦量不同,因此各处熔覆层生长高度略有不同。图9中蓝线表示期望高度(0.23 mm),大于0.23 mm的红线所围面积与小于0.23 mm的几乎相等,表明PI控制中的积分环节充分发挥控制作用,实际总堆高与期望总堆高的误差较小。一共扫描130层,单层每段期望高度均为

0.23 mm,偏心圆环总高度期望值为29.90 mm。实验结果表明,加入PI控制器的成形系统具有很高的成形精度。

图 10. 成形后的变壁厚偏心圆环。(a)俯视图;(b)主视图

Fig. 10. Thickness-variable eccentric ring after forming. (a) Top view; (b) front view

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表 2. 各段参数

Table 2. Parameters of each segment

Segment No.	Scanning speed v /(mm·s^-1)	Actual height /mm	Reference heighth_r /mm	Total depositedheight error /mm
1	3.61680	29.1009	29.90	-0.7991
2	4.44240	29.5128	29.90	-0.3872
3	6.29560	29.9076	29.90	0.0076
4	11.76250	29.9621	29.90	0.0621
5	16.97500	29.1515	29.90	-0.7485
6	13.91860	28.9230	29.90	-0.9770
7	9.37676	29.1553	29.90	-0.7447
8	5.58236	29.8236	29.90	-0.0764
9	4.26298	29.8743	29.90	-0.0257
10	4.00730	29.6005	29.90	-0.2995

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5.2 宽度变化

成形的变壁厚偏心圆环各段实际宽度与期望宽度略有偏差,见表3。对于实验初始参数完全相同的两段,最终获得的扫描速度和宽度也有所不同,通过对比分析发现,这是由于实验基板表面略有不平整,两处离焦量有所不同。在离焦量变化的情况下,因为成形过程中有实时反馈高度的CCD传感器和PI控制器,成形系统具备一定的自适应性和容错性,所以依然能成形壁厚变化、高度一致的偏心圆环结构,实体件如图10所示。

表 3. 偏心圆环每段宽度

Table 3. Width of each segment of eccentric ring

Segment number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Expected width /mm	6.25	5.55	4.65	3.50	2.50	2.50	3.50	4.65	5.55	6.25
Actual width /mm	6.28	5.52	4.72	3.84	3.18	2.14	2.96	4.02	5.58	6.10

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图 11. 图10中不同位置的电子扫描显微镜图。(a) ①;(b) ②;(c) ③

Fig. 11. SEM images at different positions marked in Fig.10. (a) ①; (b) ②; (c) ③

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5.3 组织分析

图10(a)中①、②、③处为偏心圆环的第1、3、5段,这三段对应的电子扫描显微镜图分别如图11(a)~(c)。由图11可知,变壁厚偏心圆环组织较为均匀致密,壁厚与晶粒尺寸变化趋势相同。由于激光功率小、扫描速度快,壁厚窄处成形的晶粒较为细小,以树枝晶为主。壁厚宽处激光功率较大且扫描速度较慢,热量累积多,保温时间长,形成的晶粒尺寸比壁厚窄处大,不易开裂。圆环整体性能主要以壁厚宽处为指标,壁厚宽处组织无明显缺陷,晶粒尺寸在10~20 μm范围内,仍属于细晶组织。

6 结论

规划了偏心圆环结构的扫描路径,采用变离焦量、分段变功率与变扫描速度的方法实现了每层一次扫描堆积成形,多层堆积出了变壁厚偏心圆环结构。使用基于机器视觉的层高控制软件,设计了数字PI控制器,实现了变壁厚偏心圆环结构成形过程的闭环控制。成形的偏心圆环结构壁厚从2.14 mm变到6.38 mm再变到2.14 mm,壁厚变化明显且过渡平滑。每段高度控制曲线最后都收敛在期望高度0.23 mm附近,在比例系数为-0.00300 s^-1、积分系数为-0.00035 s^-1时可得到较好的控制性能。每段总堆高与期望总堆高的误差较小,各段之间保持平整,且成形件晶粒尺寸与壁厚的变化趋势相同。

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0.23 mm,偏心圆环总高度期望值为29.90 mm。实验结果表明,加入PI控制器的成形系统具有很高的成形精度。

5.2 宽度变化

5.3 组织分析

6 结论

沈婷, 石拓, 傅戈雁, 张锐, 胡晔. 变壁厚偏心圆环结构激光熔覆成形及闭环控制[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 0302007. Shen Ting, Shi Tuo, Fu Geyan, Zhang Rui, Hu Ye. Laser Cladding Forming and Closed-Loop Control of Thickness-Variable Eccentric Ring Structure[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(3): 0302007.

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1 引言

2 实验材料、系统与方法

2.1 实验材料

2.2 实验系统

图 1. 偏心圆环成形闭环控制系统

Fig. 1. Closed-loop control system of forming of eccentric ring structure

图 2. 光内送粉示意图

Fig. 2. Schematic of hollow laser beam internal powder feeding

2.3 成形方法

3 路径规划及速度模型

3.1 路径规划

图 3. 变壁厚圆环。(a)模型实体图;(b)不同宽度处的光斑

Fig. 3. Thickness-variable ring. (a) Physical model; (b) light spots at different widths

图 4. 圆上点的示意图

Fig. 4. Schematic of point on circle

3.2 速度模型

图 5. 过渡段示意图

Fig. 5. Schematic of transition

图 6. (a)提升量与弧长间的三角关系;(b)速度三角关系

Fig. 6. (a) Triangle relationship between lifting capacity and arc length; (b) triangle relationship between speeds

4 成形实验

图 7. 自愈合原理图

Fig. 7. Principle of self-healing

表 1. 初始参数匹配表

Table 1. Initial parameter matching table

图 8. 变壁厚偏心圆环成形过程

Fig. 8. Forming process of thickness-variable eccentric ring

5 实验结果及分析

5.1 高度变化

图 9. 各段的高度变化曲线。(a)第1段;(b)第2段;(c)第3段;(d)第4段;(e)第5段

Fig. 9. Height variation curves of segments. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3; (d) No.4; (e) No.5

0.23 mm,偏心圆环总高度期望值为29.90 mm。实验结果表明,加入PI控制器的成形系统具有很高的成形精度。

图 10. 成形后的变壁厚偏心圆环。(a)俯视图;(b)主视图

Fig. 10. Thickness-variable eccentric ring after forming. (a) Top view; (b) front view

表 2. 各段参数

Table 2. Parameters of each segment

5.2 宽度变化

表 3. 偏心圆环每段宽度

Table 3. Width of each segment of eccentric ring

图 11. 图10中不同位置的电子扫描显微镜图。(a) ①;(b) ②;(c) ③

Fig. 11. SEM images at different positions marked in Fig.10. (a) ①; (b) ②; (c) ③

5.3 组织分析

6 结论

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