熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术初探 熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术初探
王立伟1， 陈树君1， 肖 珺1， 魏蓬生1，2
(1. 北京工业大学 汽车结构部件先进制造技术教育部工程研究中心，北京 100124；2. 国立中山大学 机械与机电工程学系，高雄 80424)
摘 要：对制造精度和效率相矛盾的原因进行了分析，为解决此矛盾，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术. 该技术利用交流双丝间接电弧能量熔化金属丝材实现高熔敷率，利用熔滴主动靶向激光，脉冲激光辅助定量的熔滴定点过渡到熔池保证成形精度. 文中对固定质量的熔滴交替形成在固定位置进行了建模分析和初步试验研究，结果表明,通过控制送丝速度和电流频率，可实现双丝交替定点定量熔化，为熔滴主动靶向激光提供了先决条件.
关键词：增材制造；激光间接电弧复合；熔滴靶向；定点定量熔化
0 序 言
增材制造(additive manufacturing，又称“3D打印”)是以计算机辅助设计/制造为基础，将材料或逐层固化、熔覆、或逐层累叠、块体组焊连接成为整体机构的制造技术[1]，其优势在于三维结构的快速和自由制造. 采用增材制造技术直接成形金属零件成为国内外的研究热点，以激光束、电子束、电弧为热源的增材制造技术异军突起. 目前，金属零件增材制造方法按原材料主要分金属粉末高能束烧结堆积成形和丝材熔积成形为两类，金属粉末制备成本高昂，尺寸精度相对较高，堆积效率低下，特别是高强铝、镁合金制粉难度大，生产风险高，丝材制备成本低，堆积效率高，但热输入高，成形精度相对较低. 总之，还是制造效率和制造精度的矛盾.
增材制造最原始的形态就是堆焊，由于传统的电弧热源无法实现精确的控形控性，使得该技术一直没有得到很好的发展，但因其具有设备投入低的优势，国内外学者在电弧增材制造上也进行了大量的研究工作，美国、英国等学者以熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊、冷金属过渡焊接技术、等离子弧焊等方法实现堆敷成形[2-9]. 国内华中科技大学提出等离子熔积直接快速制造金属原型技术，对成形过程质量控制和温度场分别进行了研究[10-12]；装甲兵工程学院和哈尔滨工业大学基于弧焊机器人的再制造成形系统，提出了柔性增材再制造技术的概念[13,14]，电弧增材制造技术具有低成本、熔覆层组织致密和力学性能好的特点，有望发展为面向民用市场大批量生产的技术，但是必须能够在熔滴过渡的时空域内精确控制熔滴的物态(温度、尺寸、冲量)或者结合铣削和光整技术，才能实现金属零件增材制造的控形控性.
文中结合三种热源增材制造技术的特点，针对现有增材制造技术存在的不足，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术，对双丝交流间接电弧工艺中定点定量熔滴的形成进行了建模和试验研究.
1 技术原理
文中在已有研究成果和经验积累基础上，提出将激光与间接电弧结合进行增材制造，原理如图1所示. 利用激光与间接电弧复合热源，在两根丝材之间建立间接电弧，间接电弧主要用来熔化丝材并提供基材的部分热量输入；为了增加熔滴过渡的稳定性引入激光，光束主要是轰击丝材熔化形成的熔滴，产生蒸气反冲力促使其过渡，同时激光也可以选择性对熔池补充热量进一步调控基材的热输入和温度分布，控制熔积成形.
双丝间接电弧-激光交叉复合的熔滴形成与丝间电弧极性有较大关系，双丝间接电弧与熔化极电弧类似，当丝材处于阴极性时，由于阴极压降远大于阳极压降，其熔化量大于阳极熔化量，此时该丝材熔化形成熔滴；当熔滴直径达到一定程度时，该丝材极性转换为阳极，并继续送进，熔滴到达合适位置后被激光轰击、脱落，并顺利过渡到熔池，该系统当送丝速度介于丝材阴极和阳极的熔化速度之间时，可以每个周期都有固定体积的熔滴出现于激光光路上，激光轰击熔滴促使其定向过渡至熔池.
图1 激光间接电弧增材制造示意图
Fig.1 Schematic of laser hybrid inter-wire arc for additive manufacturing
2 间接电弧双丝交替熔化数学建模
熔滴主动靶向激光的前提条件是实现间接电弧等速双送丝在时空域的交替定点定量熔化，如图2所示. 影响丝材熔化的参数众多，丝材熔化速度与送进速度之间的协调是保证熔化过程稳定的必要条件，建立双丝交替在固定位置形成固定体积熔滴的熔化模型以适应不同工艺参数.
图2 双丝交替定点定量熔化示意图
Fig.2 Schematic of melting of clouble wires alternatively
焊丝熔化成固定体积的熔滴需满足
(1)
式中：V为熔滴体积；M1,M2为阳、阴极焊丝熔化速度；t1,t2为电流波形每周期中正、负极性时间；r为焊丝半径.
左右两丝形成的熔滴交替出现在固定位置，则左右两侧焊丝端头从伸出导电嘴到两丝交点处的位移需满足
(2)
(3)
式中：L为导电嘴前端至两丝交点处的长度；v为送丝速度；n为定量熔滴出现在固定位置所用的周期数.
式(1)～式(3)中的M1,M2可由式(4)和式(5)计算[15]得
M1=α1I+β1lI2
(4)
M2=α2I+β2lI2
(5)
式中：α1,α2为阳、阴极电弧熔化系数；β1,β2为阳、阴极电阻热系数；I为电流；l为焊丝伸出长度，式(4)和式(5)右边第一项(αI)源于电弧热，与极性、焊丝种类和尺寸有关；第二项(βlI2)源于焊丝伸出部分的电阻热，α,β由实际试验标定得出.
3 间接电弧双丝交替熔化试验
3.1 试验系统
焊接电源采用凯尔达WSME-315数字化IGBT逆变式交/直流脉冲TIG焊机，送丝机为振康SB10-H电弧喷涂双送丝机；采用VC6.0编程通过USB 2833采集卡分别控制焊机和送丝机，并同时触发Motion Pro Y-4系列高速摄像机和电压、电流传感器拍摄熔滴形成过程，采集电压电流波形，该程序可控制焊机输出方波变极性、方波脉冲变极性电流波形，正负极性的占空比、电流幅值可调，并能编程调控送丝速度；焊丝采用直径为1.2 mm的ER 50-6，双焊丝分别与电源两极连接，如图1所示，起弧方式为短路起弧，焊接过程采用氩气保护.
3.2 方波变极性熔滴交替形成过程
根据双丝熔化模型，设置工艺参数为电流100 A；方波频率50 Hz；送丝速度3.75 m/min；高速摄像每秒拍摄3 000帧；电流电压采样率3 000. 拍摄的熔滴形成过程和采集的电流电压波形分别如图3，图4所示. 图3为左右两丝熔化交替形成熔滴的过程，图3a中右侧焊丝为阴极，由于阴极熔化速度大于送丝速度，右侧焊丝会沿送丝的反方向回抽，左侧焊丝为阳极，由于阳极熔化速度小于送丝速度，左侧焊丝会沿送丝方向送进，随双丝的熔化会出现图3b中左侧熔滴低于右侧熔滴，左侧熔滴位于双丝交点位置的状态；转化极性后，左侧为阴极，由送进转为回抽动作，右侧焊丝为阳极，由回抽转为送进动作，在电阻热和电弧热作用下随着双丝的熔化，会依次出现两侧熔滴等高(图3c)，右侧熔滴低于左侧熔滴，右侧熔滴位于双丝交点位置的状态(图3d)，以上过程即为方波变极性波形时双丝交替定点定量形成熔滴的过程.
图3 方波变极性交替熔滴形成过程
Fig.3 Process of droplets formation alternatively with AC square wave
图4 方波变极性电流电压波形
Fig.4 Current and voltage waveforms of AC square wave
3.3 方波脉冲变极性熔滴交替形成过程
根据双丝交替熔化数值模型，设置工艺参数为前基值电流40 A，时长10 ms；峰值电流120 A，时长30 ms；后基值电流30 A，时长10 ms；脉冲频率20 Hz；送丝速度3.15 m/min，高速摄像每秒拍摄3 000帧；电流电压采样率3 000. 拍摄的熔滴形成过程和采集的电流电压波形分别如图5，图6所示. 图5为左右两丝熔化交替形成熔滴的过程，图5a中右侧焊丝为阴极，由于阴极熔化速度大于送丝速度，右侧焊丝会沿送丝的反方向回抽，左侧焊丝为阳极，由于阳极熔化速度小于送丝速度，左侧焊丝会沿送丝方向送进，随双丝的熔化会出现图5b中左侧熔滴低于右侧熔滴，左侧熔滴位于双丝交点位置的状态；转化极性后，右侧焊丝为阳极，由回抽转为送进动作，在电阻热和电弧热作用下随着双丝的熔化，会依次出现两侧熔滴等高(图5c)，右侧熔滴低于左侧熔滴，右侧熔滴位于双丝交点位置的状态(图5d)，以上过程即为方波脉冲变极性波形时双丝交替定点定量形成熔滴的过程.
图5 方波脉冲变极性交替熔滴形成过程
Fig.5 Process of droplets formation alternatively with AC pulsed square wave
图6 方波脉冲变极性电流电压波形
Fig.6 Current and voltage waveforms of AC pulsed square wave
与3.2节中交替形成熔滴的过程相比，方波脉冲波形设置了较小幅值的基值电流，在基值电流时熔滴所受电弧力较小，其过渡方向沿重力方向，不会出现被排斥偏向双丝外侧的情况，因此采用方波脉冲电流波形交替形成熔滴的过程更为稳定.
4 结 论
(1) 总结了国内外以电弧热为热源的金属材料增材制造技术的特点，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术，该技术充分利用了激光能量集中、辅助熔滴过渡方向性好和双丝变极性间接电弧熔敷效率高、热输入低的优势.
(2) 构建了变极性间接电弧双丝熔化交替在固定位置形成固定体积熔滴的数学模型，并依据此模型设置试验参数，指导工艺试验.
(3) 采用方波变极性和方波脉冲变极性波形电流均实现了双丝熔化交替定点定量形成熔滴的过程，同时也验证了双丝交替熔化数学模型的正确性和良好的指导性.
参考文献：
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[10] 张海鸥, 徐继彭, 王桂兰, 等. 离子熔积直接快速制造金属原型技术[J]. 中国机械工程, 2003, 14(12): 1077-1079. Zhang Haiou, Xu Jipeng, Wang Guilan, et al. Directr rapid fabrication of metal prototype by powder plasma deposition manufacturing[J]. China Mechanical Engineering, 2003, 14(12): 1077-1079.
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收稿日期：2015-11-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475009); 国家自然科学基金青年资助项目(51505009); 北京市自然科学基金资助项目(3162004); 中国博士后科学基金资助项目(2015M570021)
中图分类号：TG 442
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2017)03-0071-04
作者简介：王立伟，男，1980年出生，博士研究生. 主要从事多电极电弧焊接、激光电弧复合成形等方面的研究. 发表论文5篇. Email： 32273290@qq.com
通讯作者：陈树君，男，教授. Email： sjchen@bjut.edu.cn
熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术初探 熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术初探
王立伟1， 陈树君1， 肖 珺1， 魏蓬生1，2
(1. 北京工业大学 汽车结构部件先进制造技术教育部工程研究中心，北京 100124；2. 国立中山大学 机械与机电工程学系，高雄 80424)
摘 要：对制造精度和效率相矛盾的原因进行了分析，为解决此矛盾，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术. 该技术利用交流双丝间接电弧能量熔化金属丝材实现高熔敷率，利用熔滴主动靶向激光，脉冲激光辅助定量的熔滴定点过渡到熔池保证成形精度. 文中对固定质量的熔滴交替形成在固定位置进行了建模分析和初步试验研究，结果表明,通过控制送丝速度和电流频率，可实现双丝交替定点定量熔化，为熔滴主动靶向激光提供了先决条件.
关键词：增材制造；激光间接电弧复合；熔滴靶向；定点定量熔化
0 序 言
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文中结合三种热源增材制造技术的特点，针对现有增材制造技术存在的不足，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术，对双丝交流间接电弧工艺中定点定量熔滴的形成进行了建模和试验研究.
1 技术原理
文中在已有研究成果和经验积累基础上，提出将激光与间接电弧结合进行增材制造，原理如图1所示. 利用激光与间接电弧复合热源，在两根丝材之间建立间接电弧，间接电弧主要用来熔化丝材并提供基材的部分热量输入；为了增加熔滴过渡的稳定性引入激光，光束主要是轰击丝材熔化形成的熔滴，产生蒸气反冲力促使其过渡，同时激光也可以选择性对熔池补充热量进一步调控基材的热输入和温度分布，控制熔积成形.
双丝间接电弧-激光交叉复合的熔滴形成与丝间电弧极性有较大关系，双丝间接电弧与熔化极电弧类似，当丝材处于阴极性时，由于阴极压降远大于阳极压降，其熔化量大于阳极熔化量，此时该丝材熔化形成熔滴；当熔滴直径达到一定程度时，该丝材极性转换为阳极，并继续送进，熔滴到达合适位置后被激光轰击、脱落，并顺利过渡到熔池，该系统当送丝速度介于丝材阴极和阳极的熔化速度之间时，可以每个周期都有固定体积的熔滴出现于激光光路上，激光轰击熔滴促使其定向过渡至熔池.
图1 激光间接电弧增材制造示意图
Fig.1 Schematic of laser hybrid inter-wire arc for additive manufacturing
2 间接电弧双丝交替熔化数学建模
熔滴主动靶向激光的前提条件是实现间接电弧等速双送丝在时空域的交替定点定量熔化，如图2所示. 影响丝材熔化的参数众多，丝材熔化速度与送进速度之间的协调是保证熔化过程稳定的必要条件，建立双丝交替在固定位置形成固定体积熔滴的熔化模型以适应不同工艺参数.
图2 双丝交替定点定量熔化示意图
Fig.2 Schematic of melting of clouble wires alternatively
焊丝熔化成固定体积的熔滴需满足
(1)
式中：V为熔滴体积；M1,M2为阳、阴极焊丝熔化速度；t1,t2为电流波形每周期中正、负极性时间；r为焊丝半径.
左右两丝形成的熔滴交替出现在固定位置，则左右两侧焊丝端头从伸出导电嘴到两丝交点处的位移需满足
(2)
(3)
式中：L为导电嘴前端至两丝交点处的长度；v为送丝速度；n为定量熔滴出现在固定位置所用的周期数.
式(1)～式(3)中的M1,M2可由式(4)和式(5)计算[15]得
M1=α1I+β1lI2
(4)
M2=α2I+β2lI2
(5)
式中：α1,α2为阳、阴极电弧熔化系数；β1,β2为阳、阴极电阻热系数；I为电流；l为焊丝伸出长度，式(4)和式(5)右边第一项(αI)源于电弧热，与极性、焊丝种类和尺寸有关；第二项(βlI2)源于焊丝伸出部分的电阻热，α,β由实际试验标定得出.
3 间接电弧双丝交替熔化试验
3.1 试验系统
焊接电源采用凯尔达WSME-315数字化IGBT逆变式交/直流脉冲TIG焊机，送丝机为振康SB10-H电弧喷涂双送丝机；采用VC6.0编程通过USB 2833采集卡分别控制焊机和送丝机，并同时触发Motion Pro Y-4系列高速摄像机和电压、电流传感器拍摄熔滴形成过程，采集电压电流波形，该程序可控制焊机输出方波变极性、方波脉冲变极性电流波形，正负极性的占空比、电流幅值可调，并能编程调控送丝速度；焊丝采用直径为1.2 mm的ER 50-6，双焊丝分别与电源两极连接，如图1所示，起弧方式为短路起弧，焊接过程采用氩气保护.
3.2 方波变极性熔滴交替形成过程
根据双丝熔化模型，设置工艺参数为电流100 A；方波频率50 Hz；送丝速度3.75 m/min；高速摄像每秒拍摄3 000帧；电流电压采样率3 000. 拍摄的熔滴形成过程和采集的电流电压波形分别如图3，图4所示. 图3为左右两丝熔化交替形成熔滴的过程，图3a中右侧焊丝为阴极，由于阴极熔化速度大于送丝速度，右侧焊丝会沿送丝的反方向回抽，左侧焊丝为阳极，由于阳极熔化速度小于送丝速度，左侧焊丝会沿送丝方向送进，随双丝的熔化会出现图3b中左侧熔滴低于右侧熔滴，左侧熔滴位于双丝交点位置的状态；转化极性后，左侧为阴极，由送进转为回抽动作，右侧焊丝为阳极，由回抽转为送进动作，在电阻热和电弧热作用下随着双丝的熔化，会依次出现两侧熔滴等高(图3c)，右侧熔滴低于左侧熔滴，右侧熔滴位于双丝交点位置的状态(图3d)，以上过程即为方波变极性波形时双丝交替定点定量形成熔滴的过程.
图3 方波变极性交替熔滴形成过程
Fig.3 Process of droplets formation alternatively with AC square wave
图4 方波变极性电流电压波形
Fig.4 Current and voltage waveforms of AC square wave
3.3 方波脉冲变极性熔滴交替形成过程
根据双丝交替熔化数值模型，设置工艺参数为前基值电流40 A，时长10 ms；峰值电流120 A，时长30 ms；后基值电流30 A，时长10 ms；脉冲频率20 Hz；送丝速度3.15 m/min，高速摄像每秒拍摄3 000帧；电流电压采样率3 000. 拍摄的熔滴形成过程和采集的电流电压波形分别如图5，图6所示. 图5为左右两丝熔化交替形成熔滴的过程，图5a中右侧焊丝为阴极，由于阴极熔化速度大于送丝速度，右侧焊丝会沿送丝的反方向回抽，左侧焊丝为阳极，由于阳极熔化速度小于送丝速度，左侧焊丝会沿送丝方向送进，随双丝的熔化会出现图5b中左侧熔滴低于右侧熔滴，左侧熔滴位于双丝交点位置的状态；转化极性后，右侧焊丝为阳极，由回抽转为送进动作，在电阻热和电弧热作用下随着双丝的熔化，会依次出现两侧熔滴等高(图5c)，右侧熔滴低于左侧熔滴，右侧熔滴位于双丝交点位置的状态(图5d)，以上过程即为方波脉冲变极性波形时双丝交替定点定量形成熔滴的过程.
图5 方波脉冲变极性交替熔滴形成过程
Fig.5 Process of droplets formation alternatively with AC pulsed square wave
图6 方波脉冲变极性电流电压波形
Fig.6 Current and voltage waveforms of AC pulsed square wave
与3.2节中交替形成熔滴的过程相比，方波脉冲波形设置了较小幅值的基值电流，在基值电流时熔滴所受电弧力较小，其过渡方向沿重力方向，不会出现被排斥偏向双丝外侧的情况，因此采用方波脉冲电流波形交替形成熔滴的过程更为稳定.
4 结 论
(1) 总结了国内外以电弧热为热源的金属材料增材制造技术的特点，提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术，该技术充分利用了激光能量集中、辅助熔滴过渡方向性好和双丝变极性间接电弧熔敷效率高、热输入低的优势.
(2) 构建了变极性间接电弧双丝熔化交替在固定位置形成固定体积熔滴的数学模型，并依据此模型设置试验参数，指导工艺试验.
(3) 采用方波变极性和方波脉冲变极性波形电流均实现了双丝熔化交替定点定量形成熔滴的过程，同时也验证了双丝交替熔化数学模型的正确性和良好的指导性.
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收稿日期：2015-11-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475009); 国家自然科学基金青年资助项目(51505009); 北京市自然科学基金资助项目(3162004); 中国博士后科学基金资助项目(2015M570021)
中图分类号：TG 442
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2017)03-0071-04
作者简介：王立伟，男，1980年出生，博士研究生. 主要从事多电极电弧焊接、激光电弧复合成形等方面的研究. 发表论文5篇. Email： 32273290@qq.com
通讯作者：陈树君，男，教授. Email： sjchen@bjut.edu.cn