基于CMT焊接快速成形工藝研究

孫 哲， 呂耀輝， 徐濱士， 劉玉欣

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer，CMT)技術(shù)通過在短路狀態(tài)下機(jī)械回抽焊絲實(shí)現(xiàn)低電流狀態(tài)下的熔滴過渡[1]。與其他堆焊成形工藝相比，CMT技術(shù)除了具備MIG(Metal Inert Gas)焊效率高、成本低的特點(diǎn)外，還具備以下優(yōu)勢(shì)：1)實(shí)現(xiàn)了極低電流下的短路過渡，極大地降低了熱量的輸入；2)避免了普通短路過渡引起的飛濺，提高了表面精度[2]。CMT技術(shù)作為一種效率高、熱輸入量低、可達(dá)性好的新型焊接工藝，在現(xiàn)場快速成形制造與再制造方面有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，針對(duì)CMT技術(shù)的研究及應(yīng)用多集中在薄板金屬的焊接及異種金屬的焊接方面[3]。Tallinn大學(xué)的R.Talalaev等[4]對(duì)CMT技術(shù)應(yīng)用于薄板金屬的焊接進(jìn)行了相關(guān)研究；英國Cranfield大學(xué)的C.G.Pickin等[5]研究了CMT技術(shù)的焊接工藝特點(diǎn)及其在低稀釋率熔覆方面的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張洪濤等[6]對(duì)CMT技術(shù)焊接鍍鋅鋼板和鋁的界面現(xiàn)象作了闡述。迄今為止，基于CMT焊接快速成形方面的研究及應(yīng)用較少，相關(guān)成形工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化是現(xiàn)階段研究工作中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，是進(jìn)一步研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

本文利用所搭建的CMT焊接快速成形系統(tǒng)，建立了多道和多層搭接狀態(tài)計(jì)算模型，同時(shí)對(duì)建模計(jì)算出的工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析，為進(jìn)一步的研究及應(yīng)用中相關(guān)參數(shù)的選擇提供了參考和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法及材料

CMT快速成形系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)選用Fronius公司MW5000焊接電源，采用KUKA公司KR6焊接機(jī)器人結(jié)合2個(gè)外部軸控制成形軌跡。CMT焊槍被固定在機(jī)器人第6軸端部，金屬基板固定在角變位機(jī)上。成形時(shí)焊槍在機(jī)器人的控制下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，按照一定軌跡堆積成形，每堆完一層，焊槍自動(dòng)抬升一定高度，進(jìn)行下一層的堆積。文中分別采用單層多道、單道多層成形路徑對(duì)相鄰焊道間隔和層間高度進(jìn)行計(jì)算及驗(yàn)證。

圖1 CMT焊接快速成形系統(tǒng)

試驗(yàn)選用尺寸為200 mm×140 mm×8 mm的Q235A鋼板，焊絲為H08Mn2Si，直徑為1.2 mm，其化學(xué)成分如表1所示，采用97.5%Ar+2.5%CO2作為保護(hù)氣。

表1 焊絲材料元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2 搭接率和層間高度建模計(jì)算

焊道通過搭接、堆積，實(shí)現(xiàn)了零件的線—面—體堆積成形過程。為了提高成形表面精度，需建立焊道搭接狀態(tài)模型以計(jì)算最優(yōu)搭接率和層間高度，為此,首先應(yīng)建立焊道截面輪廓數(shù)學(xué)模型。Gratzke等[7]把熔池簡化為僅在表面張力作用下存在的圓柱液柱，但是焊接過程中作用在熔池上的力除了表面張力,還有重力、電弧力等[8]，并且隨著熔池不同部位溫度的差異，熔池表面張力也存在溫度梯度，因此這種模型存在較大缺陷，不能準(zhǔn)確反映熔池形貌特征；曹勇等[9]基于小波變換對(duì)MAG(Metal Active Gas)快速成形焊道截面輪廓進(jìn)行了建模，得出了焊道輪廓數(shù)學(xué)模型為正弦曲線，并且給出了擬合結(jié)果和殘差分布結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的合理性和可行性。

2.1 最優(yōu)焊道間隔的建模計(jì)算

相鄰焊道的間隔對(duì)于成形面的平整度有著較大的影響[10]。相鄰焊道理想搭接狀態(tài)模型如圖2所示，焊道在與前一道搭接時(shí)，液態(tài)金屬在表面張力、重力及電弧力等作用下，搭接處表面會(huì)收縮形成曲面，S1和S2分別為焊道搭接重熔部分面積和補(bǔ)充至搭接處凹陷區(qū)域的重熔部分面積，為簡化計(jì)算，作如下假設(shè)：1)搭接后表面為理想曲面，成形軌跡截面輪廓數(shù)學(xué)模型為正弦曲線；2)相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的焊絲量相等且飛濺忽略不計(jì)，即熔化的絲材全部用于形成熔池；3)不考慮熱輸入量和相鄰焊道的相互作用對(duì)焊道截面幾何特征的影響，即成形過程中不同焊道截面輪廓具有一致性。

圖2 相鄰焊道理想搭接狀態(tài)模型

在理想搭接狀態(tài)下，S1=S2，

2.2 最優(yōu)層間高度的計(jì)算

圖3為理想狀態(tài)下重熔區(qū)及層間高度計(jì)算模型。在堆積過程中，重熔區(qū)的金屬在重力及表面張力的作用下向兩側(cè)流淌，理想狀態(tài)下層間截面重熔區(qū)面積與兩側(cè)堆積面積相等理想狀態(tài)下，層間截面重熔區(qū)面積與兩側(cè)堆積面積相等，即

圖3 理想狀態(tài)下重熔區(qū)及層間高度計(jì)算模型

SΔABC=SΔCDE+SΔBFG,

因此

3 結(jié)果與分析

3.1 最優(yōu)焊道間隔試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

由相鄰焊道理想狀態(tài)搭接模型計(jì)算得到理想狀態(tài)下最優(yōu)相鄰焊道間隔為焊道熔寬W的2/π倍，取相鄰焊道中心距L分別為W/2、3W/5、2W/π和2W/3進(jìn)行搭接試驗(yàn)，焊接電流為180 A，送絲速度為6.2 m/min，焊接速度為0.6 m/min，焊縫形貌如圖4所示。

圖4 不同中心距焊道搭接形貌

將成形試樣橫向切割、研磨，測量并記錄焊道截面相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

可以看出:在該試驗(yàn)條件下焊道搭接成形時(shí)，為了獲得較高的表面平整度，最優(yōu)焊道間隔略小于理論計(jì)算值，這是由于CMT焊接工藝低熱輸入的特點(diǎn),導(dǎo)致在成形過程中熔池存在時(shí)間較短，重力、表面張力及電弧力等作用時(shí)間不長，而熔融金屬黏度較大，流動(dòng)性差，不足以將焊道間凹陷部分填充。在實(shí)際的成形過程中，以建模計(jì)算參數(shù)為參考，開始階段由于熱量積累較少，可適當(dāng)減小搭接間隔，以保證表面平整，隨著熱量積累增多，最優(yōu)搭接間隔向建模計(jì)算值趨近。

表2 試樣表面最大高度差

3.2 最優(yōu)層間高度試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

取焊接電流為230 A、熔寬W=8 mm、余高L=6 mm的成形焊道為主要研究對(duì)象，進(jìn)行最優(yōu)層間高度驗(yàn)證，由最優(yōu)層間高度計(jì)算模型得到焊槍抬升高度h=3.8 mm，為了保證零件成形效果，提高表面精度，選用梯度遞減電流值，同時(shí)對(duì)其他相關(guān)參數(shù)作出適應(yīng)性調(diào)整，具體參數(shù)如表3所示。

表3 CMT焊接快速成形工藝參數(shù)

在實(shí)際堆積過程中，隨著積累層數(shù)不斷增加，熱量不斷積累，焊縫形貌的穩(wěn)定性受到影響，層間高度和搭接率難以控制，大大降低了成形精度。為了防止成形過程中由于熱量過度積累而造成難以成形的問題，除了采取一定方法散熱外，降低焊接電流以達(dá)到減少熱量輸入也是一種有效的方法，而由于CMT焊接過程中焊絲熔化速度與送絲速度的穩(wěn)定平衡，隨著電流的減小，焊絲熔化量減少，焊道高度相應(yīng)降低。因此，在多層堆積開始階段，最優(yōu)層間高度與計(jì)算值一致，隨著采用梯度遞減電流來控制熱量輸入，層間高度也應(yīng)逐漸降低。同時(shí)，為了消除焊接起弧時(shí)熔池鋪展不開和收弧時(shí)的弧坑現(xiàn)象，可以采用增大起弧電流和延遲收絲以及往復(fù)堆積的方法，從整體上消除起弧、收弧時(shí)成形效果差的影響。圖5為成形的單壁墻，共堆積20層，表面平整度較好，說明采用精確計(jì)算的層間高度，同時(shí)控制輸入熱量的積累，結(jié)合合理的工藝選擇，能夠成形精度較好的薄壁零件。

圖5 CMT焊接快速成形單道多層零件

4 結(jié)論

本文通過數(shù)學(xué)建模的方法得到了基于CMT焊接快速成形中最優(yōu)相鄰焊道間隔和層間高度，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證與分析，計(jì)算結(jié)果可為后續(xù)的研究應(yīng)用提供參數(shù)支持和理論依據(jù)。下一步將以該研究為基礎(chǔ)，在成形工藝選擇、顯微組織特征及性能之間的關(guān)系建立方面開展研究。

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