激光焊接最大的優(yōu)勢之一就是幾乎完全采用數(shù)字化流程。這也就是說，該工藝可以方便地調(diào)整執(zhí)行的作業(yè)，僅需選擇合適的參數(shù)即能獲得想要的結(jié)果。
當(dāng)然，這是假設(shè)用戶熟悉影響結(jié)果的核心參數(shù)以及這些參數(shù)的相互作用關(guān)系，激光熔覆技術(shù)要做到這一點(diǎn)還有很長的路要走。這種焊接工藝又被稱為激光金屬沉積，也可稱做激光熔覆技術(shù)，是一種將焊道并排放置在一起或堆疊多層的工藝。在這種工藝中，焊接點(diǎn)在精密復(fù)雜的參數(shù)和相關(guān)性系統(tǒng)中與彼此產(chǎn)生各種影響。
由于多個(gè)參數(shù)和影響因素以及非線性聯(lián)結(jié)行為結(jié)合在一起，因此很難開發(fā)出可以提供穩(wěn)定預(yù)測結(jié)果的模型。這使得歷史數(shù)據(jù)收集成為了唯一的可靠方法。
參數(shù)數(shù)據(jù)庫
通過收集歷史數(shù)據(jù)，能夠全面了解對(duì)流程和熔覆焊道幾何結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不可忽視的影響因素。其任務(wù)目標(biāo)是找出哪些工藝參數(shù)的變化會(huì)影響其它因素。最終，這些信息將轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫，為各種工作情景提供有益的建議。
工藝的敏感性和大量的參數(shù)需要采用一種統(tǒng)計(jì)方法，之所以選擇統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析法，就是為了盡可能減少最終實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。因此，規(guī)劃數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實(shí)際上來自未來的研究而不是我們的基礎(chǔ)性工作。在未來，多個(gè)系列實(shí)驗(yàn)將可以確定重要參數(shù)之間和多種可能性的相互作用。這些工作將基于之前的一系列實(shí)驗(yàn)，也就是已經(jīng)完成的項(xiàng)目部分，為之后的歷史數(shù)據(jù)收集制定可靠計(jì)劃的基礎(chǔ)。
最初的基本系列測試主要基于兩個(gè)假設(shè)。第一，我們假設(shè)制造工藝參數(shù)的微小變化將導(dǎo)致焊道形狀參數(shù)和非線性關(guān)系的變化。第二，我們假定重疊焊道的幾何結(jié)構(gòu)和堆疊層不是單個(gè)沉積焊道的直接倍數(shù)。根據(jù)預(yù)估，其差異在于邊界狀態(tài)的改變，因?yàn)閷娱g熱傳導(dǎo)和沉積焊道的質(zhì)量變化會(huì)改變沉積的表面積。
基于這兩個(gè)假設(shè)，我們經(jīng)過焊接并測試了單個(gè)焊道、平行多道焊以及多層多道焊。即便是使用統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）法，首個(gè)系列實(shí)驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谖鍌€(gè)不同的層面改變了非常多的參數(shù)。
為確定不同的工藝參數(shù)對(duì)焊道和尺寸質(zhì)量的影響，隨后采用了統(tǒng)計(jì)方差分析（ANOVA）技術(shù)。然后，查看了使用另一種統(tǒng)計(jì)方法 —— 分?jǐn)?shù)階乘中心組合設(shè)計(jì)（CCD）改變參數(shù)的結(jié)果。
與增材制造的相關(guān)性
通過這項(xiàng)工作，我們構(gòu)建了不同條件下的各種焊道行為的模型。研究人員現(xiàn)在可以在這些模型的基礎(chǔ)上為下個(gè)系列的測試建立假設(shè)和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。隨著激光熔覆技術(shù)日益成為一種重要的增材制造方法，我們也開始加強(qiáng)了對(duì)堆疊層焊道的行為研究。下面，可以一起簡單了解一下這方面的成果，它對(duì)項(xiàng)目的未來研究工作格外重要。
增材制造的十層工件塊。工件和噴嘴方向的改變會(huì)導(dǎo)致垂直面產(chǎn)生巨大的變化。
宏觀圖最值得注意的特性之一就是初始層之間的 M 形邊界。盡管第一層涂覆在一個(gè)平整的平面上，而且初始層表面在下一層疊加之前也非常平整，但 M 形并沒有隨著層與層的疊加而變得更加明顯。
堆疊焊道的宏觀圖：M形層邊界非常明顯。內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)堆疊的外部表面也有影響。
事實(shí)上，情況恰恰相反：初始堆疊層呈現(xiàn)出明顯的 M 形，兩側(cè)高出，但隨著層數(shù)的疊加，形狀逐漸變平，越來越不明顯。
鑒于此，我們還研究了增加機(jī)床加工的自由度是否會(huì)影響結(jié)果，以改變 3D 物體的表面。為此，我們使用五軸機(jī)床制作了一系列實(shí)心塊（40 mm×40 mm ×35 mm，如上圖）。工件呈不同的傾斜角度（10、20、30 和 40 度），同時(shí)沉積噴嘴與基底不垂直。如圖所示，有一定角度的斜坡對(duì)焊道有明顯的影響。角度的選擇改變了焊道的形狀、層面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終改變了實(shí)心塊本身的表面。
因此用工藝參數(shù)模型為此類工作開發(fā)理想的焊道形狀仍然極具挑戰(zhàn)性，在多層激光熔覆的非線性動(dòng)態(tài)環(huán)境下，很難做出任何有意義的預(yù)測?？傮w上說，還是需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，了解激光功率、激光掃描速度、送粉速率、應(yīng)用幾何結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)在多大程度上會(huì)影響到沉積層的硬度和微觀結(jié)構(gòu)。
后續(xù)步驟
如上所述，這項(xiàng)研究工作的長期目標(biāo)是建立一個(gè)靈活可行的框架結(jié)構(gòu)，從而為增材制造中的激光熔覆規(guī)劃焊道路徑和幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)焊道形態(tài)和增材制造中激光熔覆各項(xiàng)工藝參數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)性研究是第一步，它為未來的研究奠定了基礎(chǔ)，之后的工藝步驟則包括研究激光功率變化和熔池變化之間的關(guān)系。
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另一項(xiàng)重要任務(wù)是繼續(xù)跟蹤第二部分工作中的觀察結(jié)構(gòu)，開展定量實(shí)驗(yàn)，制定和比較增材制造結(jié)構(gòu)的填充策略。這將使我們朝著建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的最終目標(biāo)再邁出的重要一步。
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