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等离子弧焊直接金属成形技术的工艺研究
胡晓冬1 ,赵万华2
(1 浙江工业大学机电学院,杭州 310014; 2西安交通大学,西安 710049)
摘 要:提出了一种基于等离子弧焊的直接金属成形新方法,通过对成形工艺的试验研究,确定了焊接电流、成形速度与成形轨迹宽度之间的对应关系;针对成形轮廓的表面质量问题,实施了根据轮廓矢量进行切向送丝的填充方案;并采用循环水冷的温控措施解决了成形过程的过热问题。
关键词:快速成形;直接金属成形;弧焊
快速成型技术(RP2rap id p rototyp ing)可以直接从CAD数据获得三维实体模型,因而在设计评估领域得到了广泛的应用,但是由于生产效率和材料的限制, RP技术往往不能为所设计、制造零件的功能评测,提供所需要的批量及材质的需求,也不能满足产品从快速设计到快速开发、快速生产的跨越。因此, RP发展重心已从快速原型制造向快速模具制造及金属直接成型技术的方向转移。
目前,研究较多的金属直接成型方法有:选择性激光烧结( SLS) 、激光工程化净成形技术(LENS)等。这些成型方法以大功率激光器作为能源,烧结或熔融金属材料成型,因此设备造价和运行成本很高,不利于金属直接成型技术的发展与普及[ 1, 2 ]。
鉴于这种现状,本文提出了采用等离子弧焊作为加热能量束,侧向填充金属丝的低成本工艺方案。其成形方法是:采用弧焊热源熔化金属基体和填充材料,按照所要成形零件的几何特征,逐层堆积金属材料,实现零件的成形(如图1) ,成形件的尺寸精度可根据使用的要求,通过焊接工艺控制与数控切削相结合来保证。
熟悉和掌握等离子弧焊直接金属成形的工艺特征,是保证直接金属成形过程控制和工艺优化的基础,因此,本文针对直接金属成形工艺研究中的若干问题进行了讨论。
由电弧熔化填充材料形成的填充轨迹是成形件的基本构成元素,探讨不同制造规范参数对填充轨迹成形性能的影响是保证直接金属成形质量的前提。影响成形轨迹的因素主要有成形速度、电流、送丝角度及冷却环境等几个方面[ 3 ]。
1 成形速度与电流对轨迹宽度的影响
表1是在厚度为8 mm的304 L不锈钢板上,采用占空比60%的脉冲电流,熔融直径0. 4 mm的304 L 不锈钢丝时,获得的不同成形速度v和峰值电流im下的填充轨迹平均宽度。
从表1可以看出,在同等成形速度情况下提高电流强度,填充轨迹的宽度会相应增加;而在同等电流强度条件下提高成形速度,填充轨迹的宽带会相应减小。
这是因为作为表征功率大小的主要参数im增大时,工件上的电弧力和热输入增大,会引起熔池宽度、深度和热影响区宽度的增大,从而使填充轨迹的宽度增大。其他条件不变,成形速度v提高时, 成形轨迹对应的线能量q / v减小,使基板上形成的熔池尺寸变小,所以轨迹宽度会减小。但是,一直减小电流、增大成形速度,并不能使填充轨迹无限的减小下去。实验表明:在电流32 A、成形速度为70 mm /min的情况下,填充轨迹的平均宽度达到2. 03 mm;如果在此参数基础上近一步增大成形速度或减小电流,提供的热量难以在基板上形成稳定的熔池,填充的熔融金属在基板上团成球状,不能形成连续的填充轨迹。
图2是由表1得到的轨迹平均宽度与速度、电流的曲面关系。从图中可以看出曲面的平整性较好,因此,可以用平面方程近似表示成形轨迹宽度w与电流i、成形速度v的关系
w = av + bi + c (1)
通过对表1中的实验数据进行最小二乘法处理,获得的式中常数: a = - 0. 017, b = 0. 1086, = - 0. 3784,所以式
(1)可写为
w = - 0. 017v + 0. 1086 i - 0. 3784 (2)
公式(2)的计算值同表1的实验值比较,绝对偏差的极值为: - 0. 21 mm、0. 14 mm;****相对偏差为: - 6. 07%、5. 21%;相对偏差的标准差为2. 86%。计算值较好地反映了实际的对应关系,因此,可以利用式(2)制定成形中的工艺规范。
2 送丝角度对成形轨迹的影响
本文在实验中发现,对零件外轮廓进行扫描时,填充丝材送入的方向同外轮廓切向的夹角对轮廓成形的质量有显著的影响。在直接金属成形系统运动机构的早期设计中, 焊炬和送丝机构固定不动,保持送丝方向在空间上不变, 这样当XY 二维工作台沿着成形轮廓插补运动时, 送丝方向与成形轮廓的运动方向就会形成一定的夹角α,如图3。当夹角α较小时,轨迹成形所受影响不大,但是, 当α增加到一定程度后成形轨迹的表面波纹度开始增大,表面质量明显变差。
图4是不同送丝角度下成形轨迹的形貌。可以看出,送丝角度保持在小角度范围内时,成形轨迹表面质量较好;而随着送丝角度的增加,成形轨迹表面的波浪度增大;当送丝角度进一步增大时,熔化的焊丝不能进入熔池,团成球状凝结于扫描路径外侧,不能形成完整的轨迹。
成形过程不均匀的热场和力场分布,是造成这种现象的主要原因。小角度,特别是切向送丝时,焊丝送入的方向与焊接热场移动的方向相符,焊丝能够得到足够的热量迅速熔化,并与熔池形成搭桥过渡,顺利进入熔池,如图5。固定送丝方向时,随着焊丝与轨迹切向夹角的增大,焊丝吸收的热量减少,难以形成顺利的搭桥过渡,焊丝熔化后团聚成球状,难以送入熔池中心,在自重作用下落于熔池边缘,如图6。
成形件的外轮廓总是由各种形式的曲线构成的,如果在成形曲线的过程中保持送丝的角度不变,势必会引起熔滴过渡的条件时好时坏,容易在曲线轨迹表面形成图7中所示的积瘤、夹丝等缺陷。因此,成形过程中,为了保证成形轨迹轮廓的一致均匀性,应根据成形轮廓切向的变化,不断调整送丝角度,使二者保持一致,如图8。
为了方便送丝角度的动态调整,本文对直接金属成形系统的机构部分进行了改进,将先前固定的焊炬和送丝机构置于回转工作台上,回转工作台通过步进电机在计算机系统的控制下可以随扫描轨迹的走向自适应旋转,以保证送丝机构沿扫描轮廓的切向均匀连续地送丝。图9即为改进后的直接金属成形系统部分实物照片,图10是采用送丝角度调整后成形轮廓的外观情况,通过送丝角度的调整,成形件的外观质量得到了改善。
3 冷却措施
在成形过程中,成形件要承受电弧热量的连续输入,从而造成其整体温度升高,成形轨迹热影响区变大,熔池金属流动性增强等热效应,这对于控制成形件表面质量极为不利。而焊后引起的整体热变形对成形件的尺寸及形状都有很大的影响。对于具有薄壁特征的成形件,其传热途径更为局限,因此,这种热效应就更为严重(如图11) 。因此,有必要采取可靠的传热措施,控制成形过程中成形件的热量传递。
针对这种现象,本文在实验中采用循环水冷的方法,增强成形过程中成形件的热量传递。具体实施方法如图12所示,将基底放入水槽中进行焊接成形;当成形过程中出现过热效应时,开始通入循环冷却水;并使冷却水的液面始终与当前熔焊层保持3 mm～5 mm的距离,以保持良好的散热效果。这样可以大大改善成形件的热传递过程,同时也可在一定程度上增强保护气体的保护效果。
4 结束语
直接金属成形是一个受多种参数耦合影响的系统。本文所构建的直接金属成形系统在50 A等离子弧电源下对Á 0. 4 mm的304 L 不锈钢丝堆积成形时成形效率达到了90 mm /min,而成形速度和电流是影响成形轨迹宽度的主要因素,通过实验数据总结的平面方程可以表达轨迹宽度同成形速度和电流的关系;送丝角度影响成形轨迹的表面,采用切向送丝的方法可成形轨迹的外观质量;循环水冷的冷却措施可以改善成形件的热传递过程,提高成形质量,在进一步的研究中,可以采用对成形件温度实时监控的手段,控制热流的输入,降低热收缩效应的影响,提高大面积成形的表面质量。
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