基于逆向成形的電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

聶文忠，曾嘉藝，郭泰，李曉萱

基于逆向成形的電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

聶文忠，曾嘉藝，郭泰，李曉萱

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418）

建立一種基于逆向成形的電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，研究工藝參數(shù)對(duì)電弧增材表面質(zhì)量的影響。依據(jù)最小誤差原則選用合適的函數(shù)建立理想模型，逆向成形各電弧增材試樣并得到提取模型，比較提取模型與理想模型的差異，定量描述電弧增材試樣表面的成形質(zhì)量，分析電弧增材試樣中缺陷出現(xiàn)的原因，評(píng)估各工藝參數(shù)對(duì)電弧增材試樣表面質(zhì)量的影響。隨著工藝參數(shù)的改變，電弧增材試樣的寬度減小，高度增加，試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值在1.95～2.15之間，均平方根值在2.4～2.9之間。工藝參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后，試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值和均方根值分別減小到1.738和1.878。送絲速度和成形速度的匹配程度對(duì)電弧增材表面質(zhì)量有較大影響，實(shí)際成形中出現(xiàn)的非理想情況在此方法的計(jì)算結(jié)果中均可得到反映，與實(shí)際成形情況較吻合。

逆向成形；電弧增材制造；工藝參數(shù)；表面質(zhì)量；函數(shù)模型

電弧增材制造由于具有制作成本低、生產(chǎn)效率高和近凈成形等特點(diǎn)，適用于制造大、中型和中等復(fù)雜度的零件[1-4]。但是，電弧增材制造的零件的尺寸精度低、表面質(zhì)量差，該工藝特點(diǎn)限制了電弧增材制造的實(shí)際應(yīng)用[5-6]。

近年來(lái)，如何提高電弧增材制造零件的表面質(zhì)量成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[7-9]。Gudur等[10]研究了電弧增材制造中基板的預(yù)熱和冷卻對(duì)焊道輪廓的影響。Zhou等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)可提高其表面質(zhì)量。張金田等[12]通過(guò)建立輪廓函數(shù)模型和抬升量預(yù)測(cè)模型，為單道多層電弧增材制造成形控制提供了理論支撐。但是，目前針對(duì)系統(tǒng)性評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的研究較少，評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的方法具有很大的主觀誤差，缺少對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行量化表征的方法，不利于電弧增材制造的進(jìn)一步發(fā)展[13]。

文中提出基于逆向成形的電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對(duì)電弧增材制造表面質(zhì)量的影響，依據(jù)誤差最小原則選用最優(yōu)函數(shù)輪廓建立理想模型，分析實(shí)際成形狀況與理想模型的差異，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，評(píng)估理想模型、提取模型與實(shí)際成形情況的吻合度，以檢驗(yàn)此方法的科學(xué)性與適用性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 電弧增材制造實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的焊機(jī)為瑞凌WSE 200G，在不同成形速度、送絲速度下進(jìn)行單道單層電弧增材制造，其工藝參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用的基板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，焊絲直徑為1.0 mm，兩者的化學(xué)成分如表2所示。保護(hù)氣體采用純度為99.99%的氬氣。鎢極直徑為2.0 mm，鎢極針尖距離基板2 mm，焊接角為75°。

表1 電弧增材制造工藝參數(shù)

Tab.1 Process parameters of wire arc additive manufacturing

表2 基板和絲材的化學(xué)成分

Tab.2 Chemical components of substrate and wire wt.%

1.2 電弧增材制造表面評(píng)價(jià)方法

首先根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、輪廓形狀和面積的相對(duì)誤差選取最優(yōu)函數(shù)輪廓以建立理想模型，再采用精度達(dá)0.001 mm的激光掃描儀LEICA ABSOLUTE TRACKER AT960–MR提取表面信息，最后將理想模型與提取模型進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析試樣的表面質(zhì)量。為定量分析電弧增材制造試樣的表面質(zhì)量，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根值。其中標(biāo)準(zhǔn)偏差反映的是試樣的光滑程度，側(cè)重表征試樣表面粗糙度，但不能反映試樣形狀信息，而均方根值反映了試樣與理想模型之間的偏差，能夠表征試樣的形狀特征，2個(gè)參數(shù)能夠較好地表征電弧增材制造的表面質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)偏差sd的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

均方根值rms的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

圖1為電弧增材制造表面評(píng)價(jià)方法，具體的流程如下：（1）增材制造試樣，按照不同工藝參數(shù)電弧增材出具有不同表面形態(tài)的試樣；（2）建立理想模型，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、輪廓形狀和面積相對(duì)誤差最小原則，選取最符合實(shí)際輪廓的函數(shù)模型，建立各試樣的理想模型；（3）提取表面信息，使用三維掃描設(shè)備對(duì)各試樣進(jìn)行掃描以提取表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為三維模型；（4）對(duì)比分析數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)際模型和理想模型，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根值，結(jié)合其橫、縱截面輪廓形狀，分析各電弧增材制造試樣的表面質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 電弧增材表面宏觀形貌

圖2為不同工藝參數(shù)下電弧增材的試樣。5組增材試樣的始端均出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，且其表面均出現(xiàn)黑色物質(zhì)，這是因?yàn)樵霾拈_(kāi)始時(shí)，絲材在電弧中的熔化狀態(tài)并不穩(wěn)定，且其氣流不能充分保護(hù)剛進(jìn)入熔池的絲材，使雜質(zhì)在電弧中氣化后在始端凝結(jié)成黑色煙灰。由圖2可以看到，第1組試樣的表面形貌最好；第2組試樣中部出現(xiàn)黑色雜質(zhì)，這可能是由臨界送絲速度導(dǎo)致的。進(jìn)一步增大送絲速度可以看到，第3組試樣開(kāi)始出現(xiàn)少量凹坑。隨著送絲速度的進(jìn)一步增大，第4、5組試樣表面的凹坑逐漸增多，這是由于送絲速度過(guò)快導(dǎo)致絲材未來(lái)得及熔化而滑過(guò)未徹底凝固的表面。

5組電弧增材試樣的平均寬度和平均高度如圖3所示。從圖3可以看出，其平均寬度呈下降趨勢(shì)，平均高度呈上升趨勢(shì)。在非熔化極惰性氣體保護(hù)的電弧增材制造中，熱輸入（heat input，HI）的計(jì)算見(jiàn)式（3）[14]。

式中：為熱輸入；為電弧熱傳導(dǎo)系數(shù)；為電流，A；為電壓，V；ts為成形速度，m/min。

結(jié)合熱輸入進(jìn)行分析可知，當(dāng)成形速度隨著送絲速度的提高而提高時(shí)，單位體積內(nèi)的熱輸入下降，熱影響區(qū)的范圍縮小，導(dǎo)致已熔化絲材的凝固速度提高，造成其平均寬度下降，而單位體積內(nèi)的絲材總量不變，使熔化的絲材往高處堆積，因此平均高度逐漸增加。

圖2 不同試樣的形貌

圖3 不同工藝參數(shù)下試樣的平均寬度和高度

2.2 建立電弧增材表面模型

在建立電弧增材制造單道單層截面輪廓模型時(shí)，有以下3種常用函數(shù)輪廓模型[15-17]：拋物線型、半周期余弦曲線型和全周期余弦曲線型，其對(duì)應(yīng)的模型方程原型和模型公式如表3所示。其中，為公式系數(shù)，1為寬度，為高度。

將5組增材試樣的平均寬度和平均高度代入各函數(shù)模型中進(jìn)行計(jì)算，得到的各輪廓模型的積分值如表4所示。由表4可知，在各電弧增材制造的試樣中，拋物線函數(shù)模型截面積與提取模型截面積的相對(duì)誤差最小，因此選用拋物線型函數(shù)輪廓進(jìn)行理想模型的建立。

表3 電弧增材制造單道單層截面輪廓的數(shù)學(xué)模型[15-17]

Tab.3 Mathematical model of wire arc additive manufacturing single-pass single-layer section profile[15-17]

表4 各模型的積分值與誤差值

Tab.4 Integral value and error value of each model

2.3 電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

5組增材試樣的提取模型與理想模型的誤差對(duì)比如圖4所示?？梢悦黠@看出，與理想模型相比，每組增材試樣的始末端都有一定程度的誤差，且其表面的誤差呈帶狀分布。第1、3、4組增材試樣提取模型的側(cè)表面呈內(nèi)凹趨勢(shì)，第2、5組增材試樣提取模型的側(cè)表面呈外凸趨勢(shì)。從第1組到第5組，提取模型的頂面誤差逐漸增加。

圖4 提取模型與理想模型的相對(duì)誤差

結(jié)合實(shí)際增材試樣進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，始末端的誤差是由進(jìn)絲量不足、理想模型與提取模型始末端的差異性造成的。由于送絲速度和成形速度較穩(wěn)定，所以?xún)?nèi)凹和外凸的形狀重復(fù)出現(xiàn)，使誤差呈帶狀分布。觀察各組增材試樣的表面，第3、4、5組試樣頂端內(nèi)凹的程度不斷加大，所以頂面誤差逐漸增大。

對(duì)5組增材試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值和均方根值進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖5所示，分析其標(biāo)準(zhǔn)偏差值和均方根值，發(fā)現(xiàn)兩者均呈上升趨勢(shì)。在標(biāo)準(zhǔn)偏差值中，第1、2組相對(duì)較低，第3、4、5組相對(duì)較高，且第2組到第3組經(jīng)歷了一個(gè)陡然上升的過(guò)程。在均方根值中，除第2組到第3組的線段斜率發(fā)生明顯變化外，各線段的斜率基本一致。

標(biāo)準(zhǔn)偏差值反映的是其表面整體的光滑程度。觀察各增材試樣的表面可以發(fā)現(xiàn)，從第1組到第5組，試樣表面的光滑程度呈下降趨勢(shì)，所以其標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈上升趨勢(shì)。第3、4、5組試樣表面均出現(xiàn)內(nèi)凹形狀，這是第3、4、5組標(biāo)準(zhǔn)偏差值急劇上升的主要原因。均方根值可以反映試樣輪廓形狀與理想輪廓形狀的偏差。從第1組到第5組，各增材試樣的寬度依次減小，高度逐漸增加，頂端越來(lái)越尖銳，當(dāng)這一凸出部分越來(lái)越多時(shí)，其實(shí)際輪廓與理想輪廓的交集減少，導(dǎo)致其均方根值增大。在第2組增材試樣中，試樣中端有明顯的斷層趨勢(shì)，第3組增材試樣出現(xiàn)內(nèi)凹表面，這2種情況均可導(dǎo)致試樣輪廓與理想輪廓的一致性降低，這也是以第2組數(shù)據(jù)為端點(diǎn)的線段斜率發(fā)生變化的原因。

各組工藝參數(shù)下增材所得試樣的橫截面與縱截面的輪廓形狀如圖6所示。在橫截面輪廓形狀中，第1、2組試樣的波動(dòng)度明顯比第3、4、5組小，但每組輪廓的始端均出現(xiàn)了內(nèi)凹形狀。在縱截面中，第1、2組輪廓總體波動(dòng)度較小，但第2組輪廓出現(xiàn)了一次較為明顯的波動(dòng)，第3、4、5組輪廓的波動(dòng)度較大。從第1組到第5組，其輪廓的傾斜度不斷增加，且各組輪廓的始端都出現(xiàn)了外凸形狀。結(jié)合其橫、縱截面分析發(fā)現(xiàn)，在橫截面波動(dòng)度較高處，縱截面的輪廓形狀往往也發(fā)生較大變化。

圖5 各增材試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值與均方根值

圖6 各試樣的橫、縱截面輪廓形狀

分析各組的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，第1、2組表面質(zhì)量較好，第3、4、5組的表面質(zhì)量逐漸降低，這不僅與標(biāo)準(zhǔn)偏差值、均方根值的變化趨勢(shì)相同，同時(shí)還反映在其橫、縱截面輪廓形狀的波動(dòng)度中，且每組試樣始端的不連續(xù)現(xiàn)象也與各組橫截面輪廓始端的內(nèi)凹形狀、縱截面輪廓始端的外凸形狀相符。第2組試樣中部出現(xiàn)了一次不連續(xù)的趨勢(shì)，所以第2組橫、縱截面輪廓的中部均出現(xiàn)了一次異常波動(dòng)。各組縱截面輪廓傾斜度大小發(fā)生的變化可以歸因于其頂面出現(xiàn)的內(nèi)凹趨勢(shì)。從第3組至第5組，頂面內(nèi)凹的程度顯著提高，這也表現(xiàn)在縱截面輪廓中不斷增加的波動(dòng)度和傾斜度上。

2.4 表面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證分析

基于以上分析對(duì)電弧增材制造的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取成形速度為0.09 m/min，送絲速度為1.26 m/min，其余參數(shù)不變。使用此組參數(shù)進(jìn)行電弧增材制造試樣，將試樣的提取模型與理想模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示?？梢悦黠@看出，與優(yōu)化前相比，其表面輪廓偏差變小。計(jì)算出經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值和均方根值分別為1.738和1.878，說(shuō)明其表面粗糙度和輪廓形狀均有所改善。從圖7可以看出，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，試樣橫、縱截面輪廓的波動(dòng)度和傾斜度均有所降低，其提取模型輪廓與理想模型輪廓的一致性提高。

圖7 優(yōu)化參數(shù)后試樣的表面質(zhì)量

3 結(jié)論

1）工藝參數(shù)對(duì)電弧增材制造試樣的成形狀況能夠產(chǎn)生較大影響，匹配良好的送絲速度與成形速度能夠改善其表面質(zhì)量。

2）建立了基于逆向成形的電弧增材制造表面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，基于最小誤差原則選擇理想輪廓，與掃描模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出其標(biāo)準(zhǔn)偏差值在1.95～2.15之間，均平方根值在2.4～2.9之間。

3）結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)各試樣的表面狀況和橫、縱截面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各成形試樣中出現(xiàn)的非理想情況均可得到反映，并與實(shí)際成形情況較為吻合。

4）工藝參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后，增材制造試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為1.738，均方根值為1.878，其波動(dòng)度和傾斜度降低，與理想模型的一致性提高。

[1] VIMAL K, SRINIVAS M N, RAJAK S. Wire Arc Additive Manufacturing of Aluminum Alloys: A Review[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, 41: 1139-1145.

[2] 洪騰蛟, 董福龍, 丁鳳娟, 等. 鋁合金在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J]. 熱加工工藝, 2020, 49(4): 1-6.

HONG Teng-jiao, DONG Fu-long, DING Feng-juan, et al. Application of Aluminum Alloy in Automotive Lightweight[J]. Hot Working Technology, 2020, 49(4): 1-6.

[3] SARAVANAKUMAR R, KRISHNA K, RAJASE-KAR-AN T, et al. Investigations on Friction Stir Welding of AA5083-H32 Marine Grade Aluminium Alloy by the Effect of Varying the Process Parameters[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 402(1): 012187.

[4] VASANTHAKUMAR P, SEKAR K, VENKATESH K. Recent Developments in Powder Metallurgy Based Aluminium Alloy Composite for Aerospace Applications[J]. Materials Today: Proceedings, 2019, 18(7): 5400-5409.

[5] ANA R N, RIZAL A M, BIN A M F, et al. Review on Effect of Heat Input for Wire Arc Additive Manufacturing Process[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 11: 2127-2145.

[6] LEE H K, KIM J, PYO C, et al. Evaluation of Bead Geometry for Aluminum Parts Fabricated Using Additive Manufacturing Based Wire Arc Welding[J]. Processes, 2020, 8(10): 1211.

[7] CUNNINGHAM C, FLYNN J, SHOKRANI A, et al. Invited Review Article: Strategies and Processes for High Quality Wire Arc Additive Manufacturing[J]. Additive Manufacturing, 2018, 22: 672-686.

[8] 閔捷, 溫東旭, 岳天宇, 等. 增材制造技術(shù)在高溫合金零部件成形中的應(yīng)用[J]. 精密成形工程, 2021, 13(1): 44-50.

MIN Jie, WEN Dong-xu, YUE Tian-yu, et al. Application of Additive Manufacturing Technology in Forming of Superalloy Component[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(1): 44-50.

[9] 陳偉, 陳玉華, 毛育青. 鋁合金增材制造技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2017, 9(5): 214-219.

CHEN Wei, CHEN Yu-hua, MAO Yu-qing. Research Progress in Additive Manufacturing Technology of Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2017, 9(5): 214-219.

[10] GUDUR S, NAGALLAPATI V, PAWAR S, et al. A Study on the Effect of Substrate Heating and Cooling on Bead Geometry in Wire Arc Additive Manufacturing and Its Correlation with Cooling Rate[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, 41: 431-436.

[11] ZHOU Ying-hui, LIN Xin, KANG Nan, et al. Influence of Travel Speed on Microstructure and Mechanical Properties of Wire+Arc Additively Manufactured 2219 Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 37(2): 143-153.

[12] 張金田, 王杏華, 王濤. 單道多層電弧增材制造成形控制理論分析[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2019, 40(12): 63-67.

ZHANG Jin-tian, WANG Xing-hua, WANG Tao. Research on Forming Control for Single-Pass Multi-Layer of WAAM[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(12): 63-67.

[13] 楊東青, 王小偉, 王奕楷, 等. 高氮鋼CMT電弧增材制造多道搭接表面質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2020, 41(4): 73-76.

YANG Dong-qing, WANG Xiao-wei, WANG Yi-kai, et al. Surface Quality Evaluation of Multi-Bead Overlapping for High Nitrogen Steel by CMT Based Additive Manufacturing[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2020, 41(4): 73-76.

[14] PéPE N, EGERLAND S, COLEGROVE P A, et al. Measuring the Process Efficiency of Controlled Gas Metal Arc Welding Processes[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2011, 16(5): 412-417.

[15] SURYAKUMAR S, KARUNAKARAN K, BERNARD A, et al. Weld Bead Modeling and Process Optimization in Hybrid Layered Manufacturing[J]. Computer-Aided Design, 2011, 43(4): 331-344.

[16] DING Dong-hong, PAN Zeng-xi, CUIURI D, et al. A Multi-Bead Overlapping Model for Robotic Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM)[J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2015, 31: 101-110.

[17] 張金田, 王杏華, 王濤, 等. 電弧增材制造單道單層工藝特性研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2020, 34(24): 24132- 24137.

ZHANG Jin-tian, WANG Xing-hua, WANG Tao, et al. Study on the Processing Characteristics of Single-Bead and Single-Layer in the WAAM[J]. Materials Reports, 2020, 34(24): 24132-24137.

Evaluation on Wire Arc Additive Manufacturing Surface Quality Based on Reverse Molding

NIE Wen-zhong, ZENG Jia-yi, GUO Tai, LI Xiao-xuan

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)

The work aims to establish a method for evaluating the wire arc additive manufacturing surface quality based on reverse molding, and study the effect of process parameters on the wire arc additive manufacturing surface quality. According to the principle of minimum error, the ideal model was established by the appropriate function, and the extraction model was obtained by reverse molding of each wire arc additive sample. The difference between the extraction model and the ideal model was compared, the molding quality of the wire arc additive sample surface was quantitatively described, and the reason for the defects in the wire arc additive sample was analyzed. The effect of each process parameter on the surface quality of the wire arc additive sample was evaluated. With the change of process parameters, the width of the wire arc additive sample decreased and the height increased. The standard deviation value was between 1.95 and 2.15, and the root mean square value was between 2.4 and 2.9. After the process parameters were optimized, the standard deviation and root mean square value of the sample were reduced to 1.738 and 1.878 respectively. The matching degree of wire feeding speed and molding speed has a great effect on the surface quality of wire arc additive manufacturing. The non-ideal situation in actual molding can be reflected in the calculation results of this method, which is more consistent with the actual molding situation.

reverse molding; wire arc additive manufacturing; process parameters; surface quality; function model

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.013

TG441.7

A

1674-6457(2022)07-0092-06

2021–08–12

聶文忠（1971—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚图夹g(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨