本文對激光-冷金屬轉(zhuǎn)移復(fù)合增材制造的ELE路徑策略進行優(yōu)化。

圖形摘要

送絲增材制造在制造通常包含許多網(wǎng)格加筋板結(jié)構(gòu)的大型航空零部件方面具有很大的潛力。網(wǎng)格中交叉的累積往往會產(chǎn)生孔隙、裂縫和表面不均勻等問題。在之前的工作中，我們提出了一種解決這一問題的方法，即端側(cè)延伸(ELE)，即焊縫軌跡沿交叉截面延伸，并提供了適度的效益。本文繼續(xù)對ELE路徑策略進行優(yōu)化。焊珠和交叉點通過激光和冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）混合增材制造進行沉積。

首先，基于給定的理想CAD模型與模型掃描點云之間的體積偏差，提出了一種交叉口模型的表面質(zhì)量度量方法;該度量標(biāo)準(zhǔn)用于優(yōu)化一組參數(shù)，包括起始和結(jié)束停留時間、焊接電流、行走速度、平行路徑偏移距離、擴展和平行路徑偏移距離以及交叉中擴展路徑長度。實驗采用響應(yīng)面法設(shè)計。建立了參數(shù)與響應(yīng)變量之間的二次模型，分析了參數(shù)對響應(yīng)的影響。然后進行變量優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)置。在最佳設(shè)置下進行的驗證測試顯示，剖面質(zhì)量得到了顯著提高，這在工業(yè)實踐中是可以接受的。

1.介紹

增材制造是一種通過切割3D模型并逐層制造零件的過程。它具有低買飛比、短生產(chǎn)時間、低能耗、能制造復(fù)雜幾何形狀產(chǎn)品、產(chǎn)品開發(fā)周期短等優(yōu)點，在航空航天行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

金屬增材制造已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)，如基于液滴的3D打印、粉末床融合(PBF)和定向能沉積(DED)。基于液滴的3D打印技術(shù)，利用液滴沉積零件，具有快速制造微結(jié)構(gòu)的潛力。PBF使用激光或電子束熔化粉末，粉末被壓在封閉的腔室中，通常用于制造小而復(fù)雜的零件。能量源包括激光束(LB)、電子束(EB)和電弧等離子體。原料通常包括粉末和金屬絲。材料通常在惰性氣體(電弧系統(tǒng)或激光)和真空(EB系統(tǒng))下沉積。DED-LB使用激光形成熔池，并將金屬粉末/金屬絲送入熔池。該方法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和零件的維修。

該工藝在真空環(huán)境下進行，適用于制備性能優(yōu)良、沉積速率高的活性合金。線材電弧增材制造(WAAM)是以電弧為能源，以金屬絲為原料。WAAM在生產(chǎn)中、大型零件方面具有低成本、高沉積率和潛在的無限體積的優(yōu)勢。在屏蔽環(huán)境下，WAAM還可以制備反應(yīng)性合金，如Ti-6Al-4?V。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗秃蠹庸?，WAAM可以高效地生產(chǎn)高質(zhì)量的航天零部件。

增加物理逼真度，顯著改變傳熱，熔池深度和流動。紅色偽色對應(yīng)4000K上限的溫標(biāo)，藍色為293K。紅色的輪廓線是熔體線。激光(功率150 W)向右移動10 μs(速度1 m/s)，將粉末顆粒照亮。熔體軌跡是三維模擬的2D切片(激光功率為200 W，掃描速度為1.5 m/s)，展示了改進的物理建模對熔體池的影響。

L-PBF是一個熱驅(qū)動過程，需要對其進行精確建模。激光能量沉積在粉末射線的交點上。為了減少計算復(fù)雜度，光線在反射時不跟隨。直接激光沉積是對文獻中常用的體積能量沉積(能量作為固定z軸參考的函數(shù))的一種改進。首先，在現(xiàn)實中，熱是在激光照射到粉末顆粒表面并向內(nèi)擴散的地方產(chǎn)生的，而均勻沉積則均勻地加熱顆粒的內(nèi)部體積。其次，光線跟蹤表面，可以重現(xiàn)陰影。在圖a中，150W的高斯激光束最初以位于襯底上的27 μm粒子為中心，并以1 m/s的速度向右移動。對于體積能量沉積，粒子內(nèi)部各處同時發(fā)生熔化。與襯底的潤濕接觸迅速增加，人為地增加了散熱。另一方面，在真實的激光追蹤中，熔化是不均勻的，因為它首先發(fā)生在粉末顆粒表面。與均勻激光沉積相比，粉末顆粒內(nèi)部積累了更多的熱量，因為它通過狹窄的點接觸緩慢釋放到基片。如果沉積的熱量不足，則顆粒會部分熔化，并導(dǎo)致表面和孔隙缺陷。激光追蹤熱源有助于更好地耦合表面熱傳遞和熔體流體動機械背后的物理。

Al-Cu合金以其高強度重量比、高剛度和優(yōu)良的焊接性在航空航天工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。Bai等人使用鎢惰性氣體(TIG)增材制造生產(chǎn)了2219鋁薄壁和幾種組件。研究了采用CMT工藝生產(chǎn)低氣孔率、機械性能良好的2319鋁合金零件。與傳統(tǒng)的熔融惰性氣體(MIG)工藝相比，CMT工藝具有熱輸入少、飛濺少的特點。CMT有不同的版本，包括常規(guī)CMT、CMT- pulse (CMT- p)、CMT- advanced (CMT- adv)和CMT- padv (CMT-padv)。

由于CMT-P在建筑多層零件中具有較好的孔隙率、較高的剛度和較高的形狀質(zhì)量等性能，本文采用CMT-P作為主要成形工藝。最近，激光和電弧混合增材制造因其穩(wěn)定的電弧、高沉積速率和細小的晶粒尺寸而受到越來越多的關(guān)注。由于兩種熱源的協(xié)同作用，該方法降低了氣孔率，提高了機械性能，提高了薄壁件的型材質(zhì)量。采用CMT-P與激光焊接相結(jié)合的方法增材制造了2319件鋁合金零件。

圖中熔體流動的時間快照顯示飛濺和剝蝕。與正向流動（Vx>0；紅色）相比，由于Marangoni效應(yīng)和反沖，熔體具有較大的反向流動（藍色；Vx<0）。后向凈流在頸縮處的時間較晚。速度標(biāo)度上限為+-1 m/s，以便更好地顯示。右側(cè)面板270μs（流動旋轉(zhuǎn)+90°）的放大視圖顯示了凹陷處的速度分量（Vx、Vy、Vz）和溫度（帶等高線）。白色字母O表示激光中心不在凹陷底部。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的web版本。）

可以將熔體軌跡細分為三個可區(qū)分的區(qū)域:位于激光光斑的凹陷區(qū)、靠近激光光斑的熔體軌跡末端區(qū)域以及兩者之間的過渡區(qū)(見上圖在241 μs時)。這種細分的選擇是基于在凹陷處后坐力的指數(shù)優(yōu)勢和在冷卻過渡和尾部區(qū)域表面張力的優(yōu)勢。

柵格結(jié)構(gòu)因其高剛度與重量比而廣泛應(yīng)用于火箭和飛機上。WAAM已成功制造出一些帶有網(wǎng)格加筋板的薄壁部件，如起落架肋、襟翼和翼梁。路徑規(guī)劃一直是制造這些交叉特征的關(guān)鍵步驟。Mehnen等人通過反向角度路徑策略解決了薄壁交叉口的峰值發(fā)育問題和沉積失效問題。Shi等人提出了一種歐拉路徑/電路路徑規(guī)劃算法，該算法生成一種連續(xù)成形路徑來制作多節(jié)點多軌跡數(shù)據(jù)。F. Michel開發(fā)了特征識別和模塊化解決方案，以創(chuàng)建用于生產(chǎn)復(fù)雜零件的刀具路徑。G. Venturini等人將交叉特征分為多種類型，并采用振蕩/并行組合擴展路徑制備無缺陷的方形交叉。

由于缺乏足夠大的HIPing設(shè)備，像熱等靜壓(HIP)這樣的后處理固結(jié)技術(shù)，可以減少孔隙度和熔合不足，但很難應(yīng)用于大型部件。因此，無缺陷沉積對于建造要求高結(jié)構(gòu)完整性的初級結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。Ding等人的研究表明，在WAAM中，沉積質(zhì)量與所使用的刀具路徑策略有著根本性的聯(lián)系。因此，WAAM技術(shù)需要一種專門的軟件方法來生成優(yōu)化路徑，從而保證均勻沉積，最終實現(xiàn)一個完整的商業(yè)解決方案。事實上，許多研究都集中在這個特定的主題上，可以從這兩個主要的方法中區(qū)分出來。

第一種方法是對幾何圖形進行切片，并使用相同的路徑規(guī)劃策略為每個生成的層生成路徑。雖然該解決方案已成功應(yīng)用于其他AM工藝，如FDM，但它并不直接適用于WAAM，因為WAAM具有電弧焊沉積固有的特定要求。實際上，正如Ding等人在他們的研究中所描述的，一些路徑特征，如不連續(xù)面、急劇轉(zhuǎn)彎和重疊，會導(dǎo)致不穩(wěn)定沉積，一層又一層，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。這些限制已經(jīng)被理解了很長一段時間，事實上，早期的研究已經(jīng)為WAAM設(shè)計了生成連續(xù)路徑的路徑規(guī)劃策略。不幸的是，消除不連續(xù)性會增加急轉(zhuǎn)彎等其他因素。為此，Ding等人引入了幾種路徑規(guī)劃策略，同時限制一條路徑中所有的缺陷因素，以改善沉積。然而，在這種方法中，無論層的形狀如何，所有提出的解決方案都應(yīng)用相同的路徑規(guī)劃策略。然而，幾何的拓撲復(fù)雜性越高，就可能出現(xiàn)越多的不連續(xù)點和急轉(zhuǎn)彎。因此，最終的質(zhì)量可以根據(jù)幾何形狀的不同而有很大的變化。

使用基于特征的設(shè)計方法構(gòu)建示例。

另一種方法是Kazanas等人提出的基于特征的設(shè)計。在他們的研究中，他們證明了WAAM能夠通過設(shè)計一種符合特定目標(biāo)形狀要求的路徑策略來建造復(fù)雜的部件，比如封閉結(jié)構(gòu)。隨后，交叉結(jié)構(gòu)、t形交叉特征和最近的多向管道接頭 (如上圖)相繼采用了該解決方案。因此，該方法表明，針對給定拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊路徑策略可以保證沉積質(zhì)量;然而，這種解決方案需要對每個新部件進行耗時的路徑設(shè)計研究，這與AM的目的是不兼容的。

交叉缺陷是一種常見的缺陷。拉緊發(fā)生在引弧和滅弧發(fā)生的位置。Li等人提出了一種名為末端外側(cè)延伸(ELE)的路徑策略，該策略已在T交叉口、方形交叉口和任意角交叉口進行了驗證。實驗證明，該方法消除了缺陷，提高了表面質(zhì)量，并取得了良好的拉伸性能。圖1顯示了不同的刀軌和對應(yīng)的T交叉樣本。采用ELE路徑策略消除了緊致缺陷。然而，ELE路徑策略并沒有對交叉口表面質(zhì)量進行優(yōu)化。熱積累改變了傳熱速率，從而影響了焊珠的形狀。因此，ELE路徑策略應(yīng)考慮路徑和工藝參數(shù)的優(yōu)化。

圖1 T交叉的不同刀具路徑和相應(yīng)的樣本。

以往的研究大多采用寬度和高度兩個參數(shù)來描述珠子的幾何形狀，該參數(shù)適用于單直路。ELE中路徑具有彎曲特性，目前的方法無法對其進行表征。此外，在現(xiàn)有的研究中，直接可控變量(電流、速度、時延、重疊等)對被控參數(shù)(高度、寬度、平整度)的影響幾乎沒有研究。

目前比較流行的在線控制解決方案是機器學(xué)習(xí)，它試圖繞過上述關(guān)系，在可控變量與平面度之間建立模糊權(quán)值網(wǎng)。但是，這種方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和大量的計算資源，因此無法在行業(yè)中應(yīng)用。本文提出了一種評價構(gòu)建平面度的新方法，優(yōu)化了構(gòu)建平面曲面的工藝參數(shù)，并分析了工藝參數(shù)與剖面之間的有效性映射。最后，以某商用飛機承載架制造過程中的一層為例，驗證了優(yōu)化后的ELE路徑策略在大型零件交叉口構(gòu)建中的可行性。

2. 方法與實驗設(shè)計

2.1 材料和工具

激光- cmt混合增材制造系統(tǒng)如圖2所示。一種數(shù)控機床(Fana, FA2818HG)，帶有一個提供焊接運動的平臺。采用焊接系統(tǒng)(Fronius, CMT Advanced 4000R)和光纖激光系統(tǒng)(Raycus,RFL-C3300W)作為熱源。該光纖激光系統(tǒng)由一個最大輸出功率為3.3?kW、波長為1080?nm的激光源、一個輸出頭和冷卻設(shè)備組成。采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器(Gocator, 2150C-3R-R-01-T)對焊縫形貌進行掃描。

圖2 激光- cmt混合增材制造系統(tǒng)。

實驗中使用的導(dǎo)線為ER2319鋁合金，直徑1.2?mm。所有的結(jié)構(gòu)都是在2219鋁合金基底上。將底座(尺寸為400?mm?×?250?mm?×?40?)用無水乙醇研磨清洗。導(dǎo)線和襯底的化學(xué)成分如表1所示?；鹁婧图す廨敵鲱^安裝在數(shù)控機床的主軸上。它們的相對位置如圖3a所示。激光輸出頭與基片之間的距離為225?mm，夾角為40°。激光光斑的位置與焊絲重合，如圖3b所示，其中紅光為激光器的導(dǎo)光。

表1 金屬絲和基板的化學(xué)成分。

圖3 (a)激光- cmt混合增材制造原理圖。(b)激光光斑和導(dǎo)線照片。

為了進一步了解實驗觀察到的現(xiàn)象,一個有效的方法是使用一些可視化方法。然而，在金屬液滴印刷工藝中，由于鋁液液滴尺寸小、溫度高、處于惰性氣體環(huán)境，傳統(tǒng)的高速攝像技術(shù)難以直接捕捉液滴的詳細動態(tài)行為。為此，有限元方法被廣泛應(yīng)用于研究各種工藝參數(shù)對最終成形件成形質(zhì)量的詳細影響。本文采用基于VOF方法的數(shù)值模型分析了沉積過程中的形狀演變和固相分?jǐn)?shù)分布。我們在之前的工作中報道了對模型的詳細開發(fā)和驗證。如下圖(a) (b)所示，考慮下坡和上坡兩個掃描方向。三維計算域的尺寸為2.5 × 1.5 × 1.5 mm，對應(yīng)網(wǎng)格尺寸為14 × 14 × 14 μm。數(shù)值模型邊界條件的定義與我們前期工作中定義的相似。

在(a)下坡模式和(b)上坡模式下，兩個鋁液滴依次沉積在斜基板上的三維數(shù)值模型;分別在(c)下坡模式和(d)上坡模式下，模擬了一個新來液滴在一個已沉積液滴上的流動和固相分?jǐn)?shù)分布。

2．2. 激光和CMT混合增材制造

激光功率分別為0?kW、1?kW、2?kW和3?kW時，進行了激光累積實驗。圖4為采用不同功率和三種截面的激光制備的單層焊珠。從每個珠子的10個點測量高度和寬度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，用來評估這些樣品的平整度。3?kW的激光功率值最小。圖5a顯示的是用0?kW、1?kW、2?kW和3?kW的激光功率建造的墻體的照片。壁采用沉積后T6熱處理。拉伸試樣尺寸取樣位置如圖5b-5c所示;水平方向3個試件，垂直方向3個試件。圖5d的直方圖顯示了2319的抗拉強度、屈服強度和延伸率。隨著激光功率的增加，水平方向和垂直方向的拉伸強度增大。表2所示的參數(shù)在表面質(zhì)量和機械性能方面產(chǎn)生了理想的結(jié)果，并在整個研究中被用作名義參數(shù)。

圖4 (a)焊接不同激光功率的微珠。(b)珠子不同位置的截面圖(σW為寬度的標(biāo)準(zhǔn)差，σH為高度的標(biāo)準(zhǔn)差)。

圖5 (a)不同激光功率制作的墻壁照片。(b)采樣位置示意圖。(c)拉伸試樣的尺寸。(d)不同激光功率下CMT?+?激光加工的力學(xué)性能(H為水平方向;V表示垂直方向)。

表2 激光- cmt復(fù)合增材制造工藝參數(shù)研究。

2．3. ELE路徑策略設(shè)計

ELE是在WAAM中提出的一種生成交叉特征的路徑策略。圖6a中的標(biāo)簽①-⑥給出了路徑的順序。ELE中標(biāo)注①和②為兩條平行直線路徑;它們之間的距離定義為平行路徑偏移距離(L1)。③—⑥表示彎曲路徑。延伸發(fā)生在交叉的路徑的末端，并平行于直線路徑。延伸路徑和平行路徑之間的偏移距離是L2。擴展路徑長度為L3。這些距離是與ELE路徑構(gòu)建相關(guān)的參數(shù)，它們是通過優(yōu)化交叉口輪廓的實驗確定的。

圖6 (a) ELE路徑策略示意圖和相貫標(biāo)本的尺寸。(b)直線路徑，一端側(cè)伸。(c)橫向延伸并與試樣大小相對應(yīng)的滅弧和滅弧路徑。

由于沉積方向在層間交替，在橫向延伸處依次起弧熄弧，如圖6b所示。這兩個區(qū)域的動態(tài)過程是不穩(wěn)定的。在打弧區(qū)域，液滴與工件接觸后迅速凝固。焊槍運動時，金屬液在電弧力的作用下流向熔池尾部，然后部分回流到之前凝固的區(qū)域，形成凸出的焊道。在滅弧區(qū)，由于熔融金屬沒有時間回流，迅速凝固，熔池形狀呈傾斜狀。異常區(qū)域的形狀取決于金屬沉積量和熱積累過程，而熱積累過程又受到駐留時間、電流和移動速度等輸入?yún)?shù)的影響。本文采用兩條彎道的路徑，研究參數(shù)對引弧和滅弧區(qū)域的影響，如圖6c所示。

2．4． 滅弧面積幾何評價方法

僅考慮焊道的寬度和高度是很難判斷焊道彎曲區(qū)域幾何形狀的。本研究提出了一種基于給定的理想CAD模型與建筑物掃描點云之間的偏差來評估彎曲路徑中電弧的擊弧和熄滅區(qū)域輪廓的新方法。首先，采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對焊縫點云數(shù)據(jù)進行掃描，然后利用Geomagic Studio軟件對點云進行三角化擬合，如圖7a-c所示。為了研究電弧擊弧和熄滅區(qū)域的輪廓，將理想模型定義為具有八個平面的正則實體。寬度為8?mm，高度為2.3?mm，這是通過測量珠內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)域來確定的，如圖7d所示。圖7e-f為理想模型與掃描點云的比較，以及在擊弧和熄滅場中計算出的偏差。

圖7 理想模型與實際模型偏差計算示意圖。(a)焊接珠。(b)點云數(shù)據(jù)。(c)配合面。(d)理想CAD模型的尺寸。(e)理想CAD模型與掃描點云對比。(f)引弧和熄滅區(qū)域的偏差。

電弧撞擊區(qū)掃描點云為As，理想模型為Bs。三維立體的布爾運算是兩個模型的特定組合，以生成新的三維立體，包括并、交和減法。Bs-As是Bs和As之間的減法。它表示理想模型大于掃描點云的部分。由于微珠的截面為半橢圓形，無法得到完美的模型。因為As -Bs可以表示珠的過度流動。Cs是Bs和As的并集。Cs定義為理想模型與掃描點云之間的偏差。Cs的體積越小，實際珠子越接近完美模型。

其中U和-分別是并和和減法。

滅弧區(qū)計算方法與滅弧區(qū)計算方法相同。

其中AE為滅弧實際模型，BE為理想模型，CE為理想模型與掃描點云之間的偏差。

來源：Optimization of the geometry for the end lateral extension pathstrategy to fabricate intersections using laser and cold metal transfer hybridadditive manufacturing，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2020.101546

參考文獻：R. Huang, M. Riddle, D. Graziano, J. Warren, E. Masanet，Energy andemissions saving potential of additive manufacturing: the case of lightweightaircraft components，J. Clean. Prod., 135 (2015), pp. 1559-1570, 10.1016/j.jclepro.2015.04.109