本文对激光-冷金属转移复合增材制造的ELE路径策略进行优化。

图形摘要

送丝增材制造在制造通常包含许多网格加筋板结构的大型航空零部件方面具有很大的潜力。网格中交叉的累积往往会产生孔隙、裂缝和表面不均匀等问题。在之前的工作中，我们提出了一种解决这一问题的方法，即端侧延伸(ELE)，即焊缝轨迹沿交叉截面延伸，并提供了适度的效益。本文继续对ELE路径策略进行优化。焊珠和交叉点通过激光和冷金属转移（CMT）混合增材制造进行沉积。

首先，基于给定的理想CAD模型与模型扫描点云之间的体积偏差，提出了一种交叉口模型的表面质量度量方法;该度量标准用于优化一组参数，包括起始和结束停留时间、焊接电流、行走速度、平行路径偏移距离、扩展和平行路径偏移距离以及交叉中扩展路径长度。实验采用响应面法设计。建立了参数与响应变量之间的二次模型，分析了参数对响应的影响。然后进行变量优化，得到最优设置。在最佳设置下进行的验证测试显示，剖面质量得到了显著提高，这在工业实践中是可以接受的。

1.介绍

增材制造是一种通过切割3D模型并逐层制造零件的过程。它具有低买飞比、短生产时间、低能耗、能制造复杂几何形状产品、产品开发周期短等优点，在航空航天行业有着广泛的应用。

金属增材制造已经开发了多种技术，如基于液滴的3D打印、粉末床融合(PBF)和定向能沉积(DED)。基于液滴的3D打印技术，利用液滴沉积零件，具有快速制造微结构的潜力。PBF使用激光或电子束熔化粉末，粉末被压在封闭的腔室中，通常用于制造小而复杂的零件。能量源包括激光束(LB)、电子束(EB)和电弧等离子体。原料通常包括粉末和金属丝。材料通常在惰性气体(电弧系统或激光)和真空(EB系统)下沉积。DED-LB使用激光形成熔池，并将金属粉末/金属丝送入熔池。该方法适用于复杂结构的生产和零件的维修。

该工艺在真空环境下进行，适用于制备性能优良、沉积速率高的活性合金。线材电弧增材制造(WAAM)是以电弧为能源，以金属丝为原料。WAAM在生产中、大型零件方面具有低成本、高沉积率和潜在的无限体积的优势。在屏蔽环境下，WAAM还可以制备反应性合金，如Ti-6Al-4 V。通过适当的热处理和后加工，WAAM可以高效地生产高质量的航天零部件。

增加物理逼真度，显著改变传热，熔池深度和流动。红色伪色对应4000K上限的温标，蓝色为293K。红色的轮廓线是熔体线。激光(功率150 W)向右移动10 μs(速度1 m/s)，将粉末颗粒照亮。熔体轨迹是三维模拟的2D切片(激光功率为200 W，扫描速度为1.5 m/s)，展示了改进的物理建模对熔体池的影响。

L-PBF是一个热驱动过程，需要对其进行精确建模。激光能量沉积在粉末射线的交点上。为了减少计算复杂度，光线在反射时不跟随。直接激光沉积是对文献中常用的体积能量沉积(能量作为固定z轴参考的函数)的一种改进。首先，在现实中，热是在激光照射到粉末颗粒表面并向内扩散的地方产生的，而均匀沉积则均匀地加热颗粒的内部体积。其次，光线跟踪表面，可以重现阴影。在图a中，150W的高斯激光束最初以位于衬底上的27 μm粒子为中心，并以1 m/s的速度向右移动。对于体积能量沉积，粒子内部各处同时发生熔化。与衬底的润湿接触迅速增加，人为地增加了散热。另一方面，在真实的激光追踪中，熔化是不均匀的，因为它首先发生在粉末颗粒表面。与均匀激光沉积相比，粉末颗粒内部积累了更多的热量，因为它通过狭窄的点接触缓慢释放到基片。如果沉积的热量不足，则颗粒会部分熔化，并导致表面和孔隙缺陷。激光追踪热源有助于更好地耦合表面热传递和熔体流体动机械背后的物理。

Al-Cu合金以其高强度重量比、高刚度和优良的焊接性在航空航天工业中有着广泛的应用。Bai等人使用钨惰性气体(TIG)增材制造生产了2219铝薄壁和几种组件。研究了采用CMT工艺生产低气孔率、机械性能良好的2319铝合金零件。与传统的熔融惰性气体(MIG)工艺相比，CMT工艺具有热输入少、飞溅少的特点。CMT有不同的版本，包括常规CMT、CMT- pulse (CMT- p)、CMT- advanced (CMT- adv)和CMT- padv (CMT-padv)。

由于CMT-P在建筑多层零件中具有较好的孔隙率、较高的刚度和较高的形状质量等性能，本文采用CMT-P作为主要成形工艺。最近，激光和电弧混合增材制造因其稳定的电弧、高沉积速率和细小的晶粒尺寸而受到越来越多的关注。由于两种热源的协同作用，该方法降低了气孔率，提高了机械性能，提高了薄壁件的型材质量。采用CMT-P与激光焊接相结合的方法增材制造了2319件铝合金零件。

图中熔体流动的时间快照显示飞溅和剥蚀。与正向流动（Vx>0；红色）相比，由于Marangoni效应和反冲，熔体具有较大的反向流动（蓝色；Vx<0）。后向净流在颈缩处的时间较晚。速度标度上限为+-1 m/s，以便更好地显示。右侧面板270μs（流动旋转+90°）的放大视图显示了凹陷处的速度分量（Vx、Vy、Vz）和温度（带等高线）。白色字母O表示激光中心不在凹陷底部。（有关此图例中颜色参考的解释，请读者参考本文的web版本。）

可以将熔体轨迹细分为三个可区分的区域:位于激光光斑的凹陷区、靠近激光光斑的熔体轨迹末端区域以及两者之间的过渡区(见上图在241 μs时)。这种细分的选择是基于在凹陷处后坐力的指数优势和在冷却过渡和尾部区域表面张力的优势。

栅格结构因其高刚度与重量比而广泛应用于火箭和飞机上。WAAM已成功制造出一些带有网格加筋板的薄壁部件，如起落架肋、襟翼和翼梁。路径规划一直是制造这些交叉特征的关键步骤。Mehnen等人通过反向角度路径策略解决了薄壁交叉口的峰值发育问题和沉积失效问题。Shi等人提出了一种欧拉路径/电路路径规划算法，该算法生成一种连续成形路径来制作多节点多轨迹数据。F. Michel开发了特征识别和模块化解决方案，以创建用于生产复杂零件的刀具路径。G. Venturini等人将交叉特征分为多种类型，并采用振荡/并行组合扩展路径制备无缺陷的方形交叉。

由于缺乏足够大的HIPing设备，像热等静压(HIP)这样的后处理固结技术，可以减少孔隙度和熔合不足，但很难应用于大型部件。因此，无缺陷沉积对于建造要求高结构完整性的初级结构至关重要。Ding等人的研究表明，在WAAM中，沉积质量与所使用的刀具路径策略有着根本性的联系。因此，WAAM技术需要一种专门的软件方法来生成优化路径，从而保证均匀沉积，最终实现一个完整的商业解决方案。事实上，许多研究都集中在这个特定的主题上，可以从这两个主要的方法中区分出来。

第一种方法是对几何图形进行切片，并使用相同的路径规划策略为每个生成的层生成路径。虽然该解决方案已成功应用于其他AM工艺，如FDM，但它并不直接适用于WAAM，因为WAAM具有电弧焊沉积固有的特定要求。实际上，正如Ding等人在他们的研究中所描述的，一些路径特征，如不连续面、急剧转弯和重叠，会导致不稳定沉积，一层又一层，可能导致灾难性的破坏。这些限制已经被理解了很长一段时间，事实上，早期的研究已经为WAAM设计了生成连续路径的路径规划策略。不幸的是，消除不连续性会增加急转弯等其他因素。为此，Ding等人引入了几种路径规划策略，同时限制一条路径中所有的缺陷因素，以改善沉积。然而，在这种方法中，无论层的形状如何，所有提出的解决方案都应用相同的路径规划策略。然而，几何的拓扑复杂性越高，就可能出现越多的不连续点和急转弯。因此，最终的质量可以根据几何形状的不同而有很大的变化。

使用基于特征的设计方法构建示例。

另一种方法是Kazanas等人提出的基于特征的设计。在他们的研究中，他们证明了WAAM能够通过设计一种符合特定目标形状要求的路径策略来建造复杂的部件，比如封闭结构。随后，交叉结构、t形交叉特征和最近的多向管道接头 (如上图)相继采用了该解决方案。因此，该方法表明，针对给定拓扑结构设计特殊路径策略可以保证沉积质量;然而，这种解决方案需要对每个新部件进行耗时的路径设计研究，这与AM的目的是不兼容的。

交叉缺陷是一种常见的缺陷。拉紧发生在引弧和灭弧发生的位置。Li等人提出了一种名为末端外侧延伸(ELE)的路径策略，该策略已在T交叉口、方形交叉口和任意角交叉口进行了验证。实验证明，该方法消除了缺陷，提高了表面质量，并取得了良好的拉伸性能。图1显示了不同的刀轨和对应的T交叉样本。采用ELE路径策略消除了紧致缺陷。然而，ELE路径策略并没有对交叉口表面质量进行优化。热积累改变了传热速率，从而影响了焊珠的形状。因此，ELE路径策略应考虑路径和工艺参数的优化。

图1 T交叉的不同刀具路径和相应的样本。

以往的研究大多采用宽度和高度两个参数来描述珠子的几何形状，该参数适用于单直路。ELE中路径具有弯曲特性，目前的方法无法对其进行表征。此外，在现有的研究中，直接可控变量(电流、速度、时延、重叠等)对被控参数(高度、宽度、平整度)的影响几乎没有研究。

目前比较流行的在线控制解决方案是机器学习，它试图绕过上述关系，在可控变量与平面度之间建立模糊权值网。但是，这种方法需要大量的训练数据和大量的计算资源，因此无法在行业中应用。本文提出了一种评价构建平面度的新方法，优化了构建平面曲面的工艺参数，并分析了工艺参数与剖面之间的有效性映射。最后，以某商用飞机承载架制造过程中的一层为例，验证了优化后的ELE路径策略在大型零件交叉口构建中的可行性。

2. 方法与实验设计

2.1 材料和工具

激光- cmt混合增材制造系统如图2所示。一种数控机床(Fana, FA2818HG)，带有一个提供焊接运动的平台。采用焊接系统(Fronius, CMT Advanced 4000R)和光纤激光系统(Raycus,RFL-C3300W)作为热源。该光纤激光系统由一个最大输出功率为3.3 kW、波长为1080 nm的激光源、一个输出头和冷却设备组成。采用结构光视觉传感器(Gocator, 2150C-3R-R-01-T)对焊缝形貌进行扫描。

图2 激光- cmt混合增材制造系统。

实验中使用的导线为ER2319铝合金，直径1.2 mm。所有的结构都是在2219铝合金基底上。将底座(尺寸为400 mm × 250 mm × 40 )用无水乙醇研磨清洗。导线和衬底的化学成分如表1所示。火炬和激光输出头安装在数控机床的主轴上。它们的相对位置如图3a所示。激光输出头与基片之间的距离为225 mm，夹角为40°。激光光斑的位置与焊丝重合，如图3b所示，其中红光为激光器的导光。

表1 金属丝和基板的化学成分。

图3 (a)激光- cmt混合增材制造原理图。(b)激光光斑和导线照片。

为了进一步了解实验观察到的现象,一个有效的方法是使用一些可视化方法。然而，在金属液滴印刷工艺中，由于铝液液滴尺寸小、温度高、处于惰性气体环境，传统的高速摄像技术难以直接捕捉液滴的详细动态行为。为此，有限元方法被广泛应用于研究各种工艺参数对最终成形件成形质量的详细影响。本文采用基于VOF方法的数值模型分析了沉积过程中的形状演变和固相分数分布。我们在之前的工作中报道了对模型的详细开发和验证。如下图(a) (b)所示，考虑下坡和上坡两个扫描方向。三维计算域的尺寸为2.5 × 1.5 × 1.5 mm，对应网格尺寸为14 × 14 × 14 μm。数值模型边界条件的定义与我们前期工作中定义的相似。

在(a)下坡模式和(b)上坡模式下，两个铝液滴依次沉积在斜基板上的三维数值模型;分别在(c)下坡模式和(d)上坡模式下，模拟了一个新来液滴在一个已沉积液滴上的流动和固相分数分布。

2．2. 激光和CMT混合增材制造

激光功率分别为0 kW、1 kW、2 kW和3 kW时，进行了激光累积实验。图4为采用不同功率和三种截面的激光制备的单层焊珠。从每个珠子的10个点测量高度和宽度的标准偏差，用来评估这些样品的平整度。3 kW的激光功率值最小。图5a显示的是用0 kW、1 kW、2 kW和3 kW的激光功率建造的墙体的照片。壁采用沉积后T6热处理。拉伸试样尺寸取样位置如图5b-5c所示;水平方向3个试件，垂直方向3个试件。图5d的直方图显示了2319的抗拉强度、屈服强度和延伸率。随着激光功率的增加，水平方向和垂直方向的拉伸强度增大。表2所示的参数在表面质量和机械性能方面产生了理想的结果，并在整个研究中被用作名义参数。

图4 (a)焊接不同激光功率的微珠。(b)珠子不同位置的截面图(σW为宽度的标准差，σH为高度的标准差)。

图5 (a)不同激光功率制作的墙壁照片。(b)采样位置示意图。(c)拉伸试样的尺寸。(d)不同激光功率下CMT + 激光加工的力学性能(H为水平方向;V表示垂直方向)。

表2 激光- cmt复合增材制造工艺参数研究。

2．3. ELE路径策略设计

ELE是在WAAM中提出的一种生成交叉特征的路径策略。图6a中的标签①-⑥给出了路径的顺序。ELE中标注①和②为两条平行直线路径;它们之间的距离定义为平行路径偏移距离(L1)。③—⑥表示弯曲路径。延伸发生在交叉的路径的末端，并平行于直线路径。延伸路径和平行路径之间的偏移距离是L2。扩展路径长度为L3。这些距离是与ELE路径构建相关的参数，它们是通过优化交叉口轮廓的实验确定的。

图6 (a) ELE路径策略示意图和相贯标本的尺寸。(b)直线路径，一端侧伸。(c)横向延伸并与试样大小相对应的灭弧和灭弧路径。

由于沉积方向在层间交替，在横向延伸处依次起弧熄弧，如图6b所示。这两个区域的动态过程是不稳定的。在打弧区域，液滴与工件接触后迅速凝固。焊枪运动时，金属液在电弧力的作用下流向熔池尾部，然后部分回流到之前凝固的区域，形成凸出的焊道。在灭弧区，由于熔融金属没有时间回流，迅速凝固，熔池形状呈倾斜状。异常区域的形状取决于金属沉积量和热积累过程，而热积累过程又受到驻留时间、电流和移动速度等输入参数的影响。本文采用两条弯道的路径，研究参数对引弧和灭弧区域的影响，如图6c所示。

2．4． 灭弧面积几何评价方法

仅考虑焊道的宽度和高度是很难判断焊道弯曲区域几何形状的。本研究提出了一种基于给定的理想CAD模型与建筑物扫描点云之间的偏差来评估弯曲路径中电弧的击弧和熄灭区域轮廓的新方法。首先，采用结构光视觉传感器对焊缝点云数据进行扫描，然后利用Geomagic Studio软件对点云进行三角化拟合，如图7a-c所示。为了研究电弧击弧和熄灭区域的轮廓，将理想模型定义为具有八个平面的正则实体。宽度为8 mm，高度为2.3 mm，这是通过测量珠内的稳定区域来确定的，如图7d所示。图7e-f为理想模型与扫描点云的比较，以及在击弧和熄灭场中计算出的偏差。

图7 理想模型与实际模型偏差计算示意图。(a)焊接珠。(b)点云数据。(c)配合面。(d)理想CAD模型的尺寸。(e)理想CAD模型与扫描点云对比。(f)引弧和熄灭区域的偏差。

电弧撞击区扫描点云为As，理想模型为Bs。三维立体的布尔运算是两个模型的特定组合，以生成新的三维立体，包括并、交和减法。Bs-As是Bs和As之间的减法。它表示理想模型大于扫描点云的部分。由于微珠的截面为半椭圆形，无法得到完美的模型。因为As -Bs可以表示珠的过度流动。Cs是Bs和As的并集。Cs定义为理想模型与扫描点云之间的偏差。Cs的体积越小，实际珠子越接近完美模型。

其中U和-分别是并和和减法。

灭弧区计算方法与灭弧区计算方法相同。

其中AE为灭弧实际模型，BE为理想模型，CE为理想模型与扫描点云之间的偏差。

来源：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

参考文献：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