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解決方案

疊焊道——激光熔覆工藝的方法研究

星之球科技 來源:榮格2018-03-01 我要評論(0 )   

激光焊接最大的優(yōu)勢之一就是幾乎完全采用數(shù)字化流程。這也就是說,該工藝可以方便地調(diào)整執(zhí)行的作業(yè),僅需選擇合適的參數(shù)即能獲得

 激光焊接最大的優(yōu)勢之一就是幾乎完全采用數(shù)字化流程。這也就是說,該工藝可以方便地調(diào)整執(zhí)行的作業(yè),僅需選擇合適的參數(shù)即能獲得想要的結(jié)果。
 
當(dāng)然,這是假設(shè)用戶熟悉影響結(jié)果的核心參數(shù)以及這些參數(shù)的相互作用關(guān)系,激光熔覆技術(shù)要做到這一點還有很長的路要走。這種焊接工藝又被稱為激光金屬沉積,也可稱做激光熔覆技術(shù),是一種將焊道并排放置在一起或堆疊多層的工藝。在這種工藝中,焊接點在精密復(fù)雜的參數(shù)和相關(guān)性系統(tǒng)中與彼此產(chǎn)生各種影響。
 
由于多個參數(shù)和影響因素以及非線性聯(lián)結(jié)行為結(jié)合在一起,因此很難開發(fā)出可以提供穩(wěn)定預(yù)測結(jié)果的模型。這使得歷史數(shù)據(jù)收集成為了唯一的可靠方法。
 
參數(shù)數(shù)據(jù)庫
 
通過收集歷史數(shù)據(jù),能夠全面了解對流程和熔覆焊道幾何結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不可忽視的影響因素。其任務(wù)目標(biāo)是找出哪些工藝參數(shù)的變化會影響其它因素。最終,這些信息將轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫,為各種工作情景提供有益的建議。
 
工藝的敏感性和大量的參數(shù)需要采用一種統(tǒng)計方法,之所以選擇統(tǒng)計實驗設(shè)計和分析法,就是為了盡可能減少最終實驗的數(shù)量。因此,規(guī)劃數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實際上來自未來的研究而不是我們的基礎(chǔ)性工作。在未來,多個系列實驗將可以確定重要參數(shù)之間和多種可能性的相互作用。這些工作將基于之前的一系列實驗,也就是已經(jīng)完成的項目部分,為之后的歷史數(shù)據(jù)收集制定可靠計劃的基礎(chǔ)。
 
最初的基本系列測試主要基于兩個假設(shè)。第一,我們假設(shè)制造工藝參數(shù)的微小變化將導(dǎo)致焊道形狀參數(shù)和非線性關(guān)系的變化。第二,我們假定重疊焊道的幾何結(jié)構(gòu)和堆疊層不是單個沉積焊道的直接倍數(shù)。根據(jù)預(yù)估,其差異在于邊界狀態(tài)的改變,因為層間熱傳導(dǎo)和沉積焊道的質(zhì)量變化會改變沉積的表面積。
 
基于這兩個假設(shè),我們經(jīng)過焊接并測試了單個焊道、平行多道焊以及多層多道焊。即便是使用統(tǒng)計實驗設(shè)計(DoE)法,首個系列實驗也會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),因為在五個不同的層面改變了非常多的參數(shù)。
 
為確定不同的工藝參數(shù)對焊道和尺寸質(zhì)量的影響,隨后采用了統(tǒng)計方差分析(ANOVA)技術(shù)。然后,查看了使用另一種統(tǒng)計方法 —— 分數(shù)階乘中心組合設(shè)計(CCD)改變參數(shù)的結(jié)果。
 
與增材制造的相關(guān)性
 
通過這項工作,我們構(gòu)建了不同條件下的各種焊道行為的模型。研究人員現(xiàn)在可以在這些模型的基礎(chǔ)上為下個系列的測試建立假設(shè)和實驗計劃。隨著激光熔覆技術(shù)日益成為一種重要的增材制造方法,我們也開始加強了對堆疊層焊道的行為研究。下面,可以一起簡單了解一下這方面的成果,它對項目的未來研究工作格外重要。
 
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增材制造的十層工件塊。工件和噴嘴方向的改變會導(dǎo)致垂直面產(chǎn)生巨大的變化。
 
宏觀圖最值得注意的特性之一就是初始層之間的 M 形邊界。盡管第一層涂覆在一個平整的平面上,而且初始層表面在下一層疊加之前也非常平整,但 M 形并沒有隨著層與層的疊加而變得更加明顯。
 
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堆疊焊道的宏觀圖:M形層邊界非常明顯。內(nèi)部結(jié)構(gòu)對堆疊的外部表面也有影響。
 
事實上,情況恰恰相反:初始堆疊層呈現(xiàn)出明顯的 M 形,兩側(cè)高出,但隨著層數(shù)的疊加,形狀逐漸變平,越來越不明顯。
 
鑒于此,我們還研究了增加機床加工的自由度是否會影響結(jié)果,以改變 3D 物體的表面。為此,我們使用五軸機床制作了一系列實心塊(40 mm×40 mm ×35 mm,如上圖)。工件呈不同的傾斜角度(10、20、30 和 40 度),同時沉積噴嘴與基底不垂直。如圖所示,有一定角度的斜坡對焊道有明顯的影響。角度的選擇改變了焊道的形狀、層面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終改變了實心塊本身的表面。
 
因此用工藝參數(shù)模型為此類工作開發(fā)理想的焊道形狀仍然極具挑戰(zhàn)性,在多層激光熔覆的非線性動態(tài)環(huán)境下,很難做出任何有意義的預(yù)測??傮w上說,還是需要根據(jù)經(jīng)驗,了解激光功率、激光掃描速度、送粉速率、應(yīng)用幾何結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)在多大程度上會影響到沉積層的硬度和微觀結(jié)構(gòu)。
 
后續(xù)步驟
 
如上所述,這項研究工作的長期目標(biāo)是建立一個靈活可行的框架結(jié)構(gòu),從而為增材制造中的激光熔覆規(guī)劃焊道路徑和幾何結(jié)構(gòu)。對焊道形態(tài)和增材制造中激光熔覆各項工藝參數(shù)關(guān)系的實驗性研究是第一步,它為未來的研究奠定了基礎(chǔ),之后的工藝步驟則包括研究激光功率變化和熔池變化之間的關(guān)系。
 
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通快的三維激光系統(tǒng)TruLaser Cell 3000 可用于激光金屬熔覆應(yīng)用。
 
另一項重要任務(wù)是繼續(xù)跟蹤第二部分工作中的觀察結(jié)構(gòu),開展定量實驗,制定和比較增材制造結(jié)構(gòu)的填充策略。這將使我們朝著建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的最終目標(biāo)再邁出的重要一步。

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