電弧增材制造成形控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

熊 俊，薛永剛，陳 輝，張衛(wèi)華

（1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111）

電弧增材制造成形控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

熊 俊1，薛永剛2，陳 輝1，張衛(wèi)華1

（1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111）

電弧增材制造是低成本金屬零件直接成形的重要研究方向之一。金屬零件形貌的成形精度是評(píng)判成形質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。從成形工藝特性、尺寸數(shù)學(xué)建模、過(guò)程控制等角度闡述了電弧增材制造成形控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；重點(diǎn)總結(jié)了基于視覺(jué)傳感的電弧增材制造閉環(huán)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀；分析了電弧增材制造成形控制技術(shù)研究存在的關(guān)鍵問(wèn)題；提出了未來(lái)電弧增材制造成形控制技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向。

電弧增材制造；成形控制；成形工藝；閉環(huán)控制

0 前言

近年來(lái)，在資源節(jié)約及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技術(shù)在復(fù)雜形狀薄壁件的制造上呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1]。當(dāng)前，金屬零件增材制造技術(shù)從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開(kāi)發(fā)都引起了世界各國(guó)學(xué)者的極大興趣和廣泛關(guān)注[2-4]。與此同時(shí)，我國(guó)也制定了增材制造技術(shù)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃，將其列入國(guó)家重大專項(xiàng)并重點(diǎn)支持，同時(shí)開(kāi)展高密度的展會(huì)和研討會(huì)。隨著航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)χ旅芙饘倭慵男阅?、精度、制造成本和周期的要求日趨苛刻，亟需開(kāi)展相關(guān)研究以突破并掌握金屬零件直接成形技術(shù)。

在增材制造領(lǐng)域，以電弧作為熱源的金屬零件增材制造技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、材料利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[5]。電弧增材制造技術(shù)采用電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件成形。成形零件由全焊縫金屬組成，致密度高、冶金結(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好。因此，電弧增材技術(shù)是低成本金屬零件直接制造的重要研究方向。但是，電弧增材制造過(guò)程是以高溫液態(tài)金屬熔滴過(guò)渡的方式進(jìn)行的。隨堆積層數(shù)的增加，堆積零件熱積累嚴(yán)重、散熱條件差、熔池過(guò)熱、難于凝固、堆積層形狀難于控制。特別在零件邊緣堆積時(shí)，由于液態(tài)熔池的存在，使得零件的邊緣形態(tài)與成形尺寸的控制變得更加困難。這些問(wèn)題都直接影響零件的冶金結(jié)合強(qiáng)度、堆積尺寸精度和表面質(zhì)量。由此可見(jiàn)，成形形貌的控制是金屬零件增材制造技術(shù)的主要瓶頸。

本研究從成形工藝特性、尺寸數(shù)學(xué)建模、過(guò)程閉環(huán)控制等角度闡述了電弧增材制造成形控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析電弧增材制造成形控制技術(shù)研究中存在的主要問(wèn)題。對(duì)未來(lái)電弧增材制造成形控制技術(shù)的發(fā)展方向提出了建議。

1 成形控制研究現(xiàn)狀

1.1 成形工藝

電弧絲材直接成形金屬件的思想可追溯到1983年，德國(guó)Kussmaul等人[6]采用埋弧焊方法堆積了大型圓柱厚壁容器，具有良好的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性，然而該方法只適合大型零部件的制造，而且成形精度極低。電弧增材制造發(fā)展的一個(gè)重要階段是在1998年，英國(guó)諾丁漢大學(xué)Spencer等人[7]提出GMAW三維焊接成形方法，采用焊接機(jī)器人成形金屬零件，成形件如圖1所示。通過(guò)紅外測(cè)溫裝置對(duì)成形熱輸入進(jìn)行控制，降低成形件表面粗糙度。若溫度過(guò)高，則停止堆積，待降至一定溫度再繼續(xù)堆積。值得注意的是，該方法雖然提高了成形精度，卻大大降低了成形效率。Ribeiro等人[8]設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人GMAW快速成形制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)制造的成形件如圖2所示。

圖1 機(jī)器人GMAW三維焊接成形試件[7]

美國(guó)肯塔基大學(xué)Zhang[9]等人研究了GMAW增材制造技術(shù)，系統(tǒng)分析熔滴過(guò)渡形式對(duì)零件成形尺寸和熱輸入的影響，提出成形過(guò)程起、熄弧端及熔滴過(guò)渡方式控制策略，以期獲得優(yōu)良的成形效果，但由于堆積工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，堆積的典型零件成形精度較低，如圖3所示。

圖2 機(jī)器人GMAW增材制造系統(tǒng)成形件[8]

圖3 基于GMAW的增材制造零件[9]

美國(guó)南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)先進(jìn)制造研究中心Kovacevic教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于焊接工藝（GTAW、GMAW、PAW）的金屬零件直接成形技術(shù)。Ouyang等人[10]采用變極性GTAW工藝堆積了5356鋁合金零件，如圖4所示。研究認(rèn)為，成形的關(guān)鍵點(diǎn)在于基板的預(yù)熱、焊接弧長(zhǎng)的監(jiān)控及焊接熱輸入的精確控制，在此采取的控制措施是在前40層堆積時(shí)，每堆積一層，電流減小1A。同時(shí)，分析了堆積工藝參數(shù)與熔敷層幾何尺寸的關(guān)系。

圖4 變極性GTAW增材制造的零件[10]

近年來(lái)，也有研究學(xué)者[11-13]提出了將GMAW成形與銑削技術(shù)相結(jié)合，堆積一層后，將工件表面銑削固定深度，從而實(shí)現(xiàn)成形質(zhì)量高精度控制。但是銑削加工僅是保證金屬零件成形精度的輔助手段?？紤]到成形過(guò)程的穩(wěn)定性，單純將銑削加工集成到GMAW增材制造系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其控制過(guò)程比較被動(dòng)，且以犧牲成形效率為代價(jià)來(lái)提高成形質(zhì)量，得不償失。

在傾斜件成形研究方面，裝甲兵工程學(xué)院柳建等人[14]采用逐層橫向偏移焊槍的方式成形傾斜面，揭示了工藝參數(shù)對(duì)堆焊成形極限傾斜角的影響規(guī)律，結(jié)果表明極限傾角主要由電流決定并與成形焊縫形狀有關(guān)，極限傾角為50°。當(dāng)前，最具有代表性的研究機(jī)構(gòu)是英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)焊接與激光研究中心，Kazanas等人[15]采用機(jī)器人CMT方法制造傾斜結(jié)構(gòu)薄壁件，創(chuàng)造性地提出焊槍傾斜方式，實(shí)現(xiàn)了任意傾角零件的成形，重點(diǎn)探究了送絲速度與堆積速度對(duì)成形傾角的影響，成形零件如圖5所示。

圖5 基于CMT成形的傾斜結(jié)構(gòu)零件[15]

綜上可知，以電弧為熱源的增材制造技術(shù)存在成形精度低的缺點(diǎn)。尤其是成形金屬件的傾斜面成形能力低。因此，如何提高成形質(zhì)量以及增強(qiáng)傾斜面成形能力成為電弧增材制造技術(shù)亟需解決的主要瓶頸。

2.2 成形數(shù)學(xué)建模

零件成形結(jié)構(gòu)可分為多層單道和多層多道結(jié)構(gòu)。目前，對(duì)于多層單道的研究主要集中在成形尺寸的預(yù)測(cè)上。而多層多道結(jié)構(gòu)的研究則體現(xiàn)在相鄰熔敷焊道的搭接間距上，通過(guò)單層單道形貌建模，確定搭接間距，從而優(yōu)化表面平整度。

英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)Martina等人[16]建立了一套等離子弧填絲增材制造系統(tǒng)，以堆積電流、送絲速度、堆積速度作為輸入變量，多層單道整體層寬、有效層寬、層高為輸出變量，采用傳統(tǒng)二次回歸方程獲得了輸入與輸出變量之間的關(guān)系模型。研究認(rèn)為，由于基板的熱作用，多層單道前四層成形尺寸并不穩(wěn)定。南昌大學(xué)徐健寧在TIG增材制造成形工藝中，采用回歸方程建立了堆積速度、堆積電流、送絲速度和堆積層層寬和層高的回歸模型[17]。

文獻(xiàn)[18-19]建立了一套GMAW增材制造系統(tǒng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和二次回歸方程等建模方法獲得了送絲速度、堆積速度、電弧電壓與堆積層寬和堆積層高的模型。開(kāi)發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)由給定的熔敷層尺寸預(yù)測(cè)堆積工藝參數(shù)的功能。

在多層多道結(jié)構(gòu)成形建模方面，需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題是單層單道截面形貌及相鄰熔敷焊道的搭接間距。

許多研究者[7，20-21]認(rèn)為單層單道截面形貌呈圓弧狀或拋物線狀，但并未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[22]采用高斯函數(shù)、正玄函數(shù)和拋物線擬合了單層單道截面邊界線，將擬合曲線計(jì)算的面積與單層單道截面面積進(jìn)行比較，結(jié)果表明正玄函數(shù)擬合精度最高。但在該研究中，僅僅考慮了一種堆積工藝參數(shù)的組合。

文獻(xiàn)[23]分別采用圓弧、拋物線和余玄函數(shù)擬合了單層單道截面形貌，研究了不同堆積速度和送絲速度匹配下的截面面積與各擬合函數(shù)計(jì)算面積的差值。結(jié)果表明，截面形貌與送絲速度和堆積速度的比值有關(guān)，當(dāng)上述比值大于12.5時(shí)，宜采用圓弧擬合單層單道截面，反之，應(yīng)該使用拋物線擬合。在確定單層單道截面形貌模型函數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了多層多道理想搭接間距。圖6為送絲速度與堆積速度比值為10.26時(shí)，不同模型計(jì)算的最優(yōu)間距搭接實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制

為了實(shí)現(xiàn)電弧增材制造過(guò)程的精確控制，必須進(jìn)行堆積狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋與在線控制。從目前文獻(xiàn)上看，視覺(jué)傳感以其非接觸、信息豐富、靈敏度和精度高、模仿人類視覺(jué)行為的優(yōu)點(diǎn)而成為最有前途的傳感方式之一。

羅勇[24]等人采用激光視覺(jué)傳感系統(tǒng)檢測(cè)了多層單道堆積高度，開(kāi)發(fā)了堆積高度圖像特征提取算法，但是檢測(cè)過(guò)程未考慮電弧的干擾。主動(dòng)視覺(jué)傳感最具代表性研究的是美國(guó)塔夫斯大學(xué)研究人員[25-26]設(shè)計(jì)的一套雙激光視覺(jué)傳感系統(tǒng)，固定在焊槍前方的傳感系統(tǒng)用于GMAW增材制造堆積路徑跟蹤，焊槍后方的可檢測(cè)已凝固金屬的堆積形貌，獲得的條紋圖像如圖7a所示。需要注意的是：激光視覺(jué)傳感器檢測(cè)的是已凝固區(qū)域，激光條紋距離焊絲端部25.4 mm，因此檢測(cè)過(guò)程存在極大的滯后特性。以堆積寬度、堆積高度為被控變量，送絲速度和堆積速度為控制變量，建立Smith預(yù)估動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行在線補(bǔ)償，控制效果如圖7b所示。由于采用的是激光視覺(jué)傳感，檢測(cè)滯后性大，且在基板上完成動(dòng)態(tài)建模試驗(yàn)，根據(jù)獲得的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建立Smith預(yù)估模型，即使補(bǔ)償了檢測(cè)滯后的影響，成形尺寸控制精度也有限。

圖6 不同模型計(jì)算的最優(yōu)間距搭接實(shí)驗(yàn)[23]

與主動(dòng)視覺(jué)傳感相比，被動(dòng)視覺(jué)傳感無(wú)需外加輔助光源，直接利用弧光照明檢測(cè)區(qū)域。Wang等[10]采用鎢極氬弧熱源成形了5356鋁合金零件，利用CCD被動(dòng)視覺(jué)傳感對(duì)電弧弧長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控，避免多重堆積下鎢極尖端到堆積層上表面距離發(fā)生變化，如圖8所示。

Xiong等[27-29]設(shè)計(jì)了一套雙被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，焊槍后方的CCD監(jiān)測(cè)堆積層液態(tài)熔池尾部的寬度特征，正對(duì)焊槍的CCD監(jiān)測(cè)噴嘴到堆積層上表面的距離。雙視覺(jué)傳感系統(tǒng)采集的圖像如圖9所示。同時(shí)開(kāi)發(fā)了提取熔池寬度、堆積層上表面特征的圖像處理算法。該系統(tǒng)直接監(jiān)測(cè)熔池寬度和噴嘴高度，與文獻(xiàn)[25-26]比較，極大地減小了檢測(cè)的滯后。以堆積層寬度或堆積高度為被控變量，堆積速度為控制變量，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)控制器與自適應(yīng)控制器，研究了GMAW增材制造過(guò)程單變量控制，寬度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制精度優(yōu)于0.4 mm。雖然成形穩(wěn)定性及尺寸成形精度得到了顯著提高，但未進(jìn)一步深入探究堆積層形貌的雙變量控制。

圖7 GMAW增材制造過(guò)程檢測(cè)與閉環(huán)控制[25-26]

3 結(jié)論與展望

電弧增材制造在低成本金屬零件直接制造領(lǐng)域前景廣闊。雖然目前在成形控制的研究上已經(jīng)取得較大進(jìn)展，但仍存在成形過(guò)程穩(wěn)定性差、控形柔性差、成形精度低、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完善等不足。現(xiàn)有研究多集中在成形工藝實(shí)驗(yàn)上，且研究還不夠深入，今后尚需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索。

（1）傾斜結(jié)構(gòu)成形特性研究。如何提高傾斜面成形能力，并制造具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件是今后的研究重點(diǎn)。傾斜結(jié)構(gòu)特征金屬件的成形最易出現(xiàn)熔池“坍塌”現(xiàn)象，因此提高成形熔池的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

（2）成形過(guò)程控形數(shù)值仿真研究。電弧增材制造是單熱源多次作用過(guò)程，復(fù)雜的熱過(guò)程直接決定了成形件的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及變形。后續(xù)工作應(yīng)集中在如何減小成形件殘余應(yīng)力及變形問(wèn)題上，加強(qiáng)成形過(guò)程數(shù)值仿真研究，考察堆積熱輸入及堆積路徑的影響。另一方面，應(yīng)深入探究多重堆積過(guò)程的熔池流動(dòng)行為，明確熔池流動(dòng)的熱、力物理機(jī)制，從物理本質(zhì)上加深對(duì)成形過(guò)程的理解。

圖8 TIG增材制造弧長(zhǎng)監(jiān)控[10]

圖9 雙被動(dòng)視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的熔池圖像[27]

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制。電弧增材制造過(guò)程影響因素眾多，如熔滴過(guò)渡、溫度場(chǎng)分布、熔池形態(tài)、散熱條件等都處于動(dòng)態(tài)變化之中。單純建立工藝參數(shù)與成形尺寸的模型難以精確控制成形尺寸。為增強(qiáng)成形過(guò)程的穩(wěn)定性和提高成形尺寸精度，必須開(kāi)發(fā)合適的傳感方法進(jìn)行堆積寬度和高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)智能控制器實(shí)現(xiàn)堆積工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（4）成形金屬件的后續(xù)精加工。

電弧增材制造技術(shù)成形的金屬件存在明顯的“臺(tái)階”效應(yīng)，零件必須進(jìn)行后續(xù)精加工。但如何對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬件進(jìn)行后續(xù)機(jī)加工，是研究者們面臨的一大難題。

電弧增材制造技術(shù)是一新的研究領(lǐng)域，研究體系尚不完善，但通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)改造升級(jí)這一工藝，在實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真和基礎(chǔ)理論等方面加大研究力度，促使其從“定性”走向“定量”，從“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”，從“開(kāi)環(huán)”走向“閉環(huán)”。隨著研究的進(jìn)一步深入，電弧增材制造技術(shù)在大型復(fù)雜金屬零件直接制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用必將實(shí)現(xiàn)。

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Status and development prospects of forming control technology in arc-based additive manufacturing

XIONG Jun1，XUE Yonggang2，CHEN Hui1，ZHANG Weihua1
（1.Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Arc-based additive manufacturing technology is one of the most significant research directions in low cost metal parts direct fabrication.Forming accuracy of the metal parts appearance is an important index for evaluating the forming quality.Domestic and overseas research status of formation control in arc-based additive manufacturing are elaborated from the aspects of forming technology characteristics，geometry modeling and process control.Research status of closed-loop control technology based on visionsensing in arc-based additive manufacturing is emphatically summarized.The Key problems of forming control in arc-based additive manufacturing are analyzed，and future research contents as well as directions of this technology are also proposed.

arc-based additive manufacturing；forming control；forming technology；closed-loop control

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0045-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.10

2015-04-07；

2015-04-22

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015GZ0305）

熊 ?。?986—），男，副研究員，博士，主要從事電弧增材制造及焊接過(guò)程傳感與控制方面的研究工作。