復(fù)合銑削的金屬件堆焊成形尺寸研究

夏然飛，吳懷主，許 晶

（東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢430056）

隨著航空航天、汽車制造和海洋船舶等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)饘倭慵闹圃煲笕遮吙量?，堆焊快速成形技術(shù)成為新的研究趨勢。金屬快速成形技術(shù)[1-2]是以電弧作為熱源，采用逐層熔覆原理，由線-面-體的路徑逐層堆焊出金屬件的先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)。由于堆焊過程是以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進(jìn)行的，因此焊縫形貌對零件的尺寸精度和表面質(zhì)量有著重要的影響[3-4]。

國內(nèi)，南昌大學(xué)張光云等[5]對TIG焊接參數(shù)與焊縫尺寸的關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，但成形尺寸對工藝參數(shù)的預(yù)測結(jié)果并不理想。華中科技大學(xué)周龍早等[6]也分析了CO2氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)對焊縫尺寸的影響，其結(jié)果與實際情況吻合較好，但該方法對試驗條件的適應(yīng)性不高。此外，印度理工學(xué)院孟買校區(qū)[7]和韓國機(jī)械材料研究院（KIMM）[8]的研究小組也對金屬件堆焊進(jìn)行了研究，還初步研究了不同焊接參數(shù)對成形尺寸的影響，雖然也考慮到通過數(shù)控銑削來控制尺寸精度，但其堆焊成形與后處理的銑削加工相互分離，也會產(chǎn)生較大的尺寸誤差。同時，金屬件堆焊成形是一個多參數(shù)耦合作用的復(fù)雜過程，每層熔敷的堆積高度不穩(wěn)定，逐層累積后難免會導(dǎo)致零件表面質(zhì)量較低，一般需要二次表面機(jī)加工控制精度[9]。

針對上述問題，本研究建立了單道和多道焊縫的尺寸模型，選擇拋物線作為最優(yōu)模型，并確定出最佳熔敷間距。另外，采用正交實驗法分析影響焊縫成型尺寸的主要因素。在改變堆焊路徑的同時，通過銑削加工試驗平臺實現(xiàn)對最終成型尺寸的控制。

1 試驗裝置

試驗平臺采用華中數(shù)控的HED-8系列數(shù)控銑床、NBC-200 GW熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)、高純度氬氣、PC機(jī)和計算服務(wù)器等設(shè)備，搭建成一套復(fù)合銑削的金屬件堆焊試驗系統(tǒng)如圖1所示。該試驗平臺主要利用焊絲與基板間的電弧作為熱源，連續(xù)等速地送入焊絲，通過熔化焊絲逐層堆焊出零件。

圖1 試驗平臺Fig.1 Experimental platform

在數(shù)控系統(tǒng)原有控制的基礎(chǔ)上，增加步進(jìn)電機(jī)對送絲的驅(qū)動控制以及電焊機(jī)的起弧和熄弧控制，指令分別為M40和M41。焊槍和銑刀形成一個雙工位的加工過程，先堆焊一個金屬層，然后X軸移動使金屬層移動到銑刀所在位置，進(jìn)行銑削加工。當(dāng)堆積一定層數(shù)后，金屬零件的高度誤差達(dá)到極限值，焊槍通過C軸來抬高，隨后銑刀在Z軸的控制下轉(zhuǎn)為銑削加工，以便消除累積誤差。如此循環(huán)往復(fù)，從而實現(xiàn)復(fù)合銑削的金屬件堆焊成形。

該試驗平臺將焊接工藝和多軸CNC 加工單元結(jié)合在一起，實現(xiàn)起弧、熄弧、送絲和停絲的自動控制，且電源工作穩(wěn)定，夾持牢靠，送絲均勻，三軸運(yùn)動與焊槍的運(yùn)動協(xié)調(diào)一致，滿足成形系統(tǒng)穩(wěn)定、柔性和高效等設(shè)計要求。

2 焊縫尺寸模型

2.1 單道焊縫尺寸模型的建立

圖2所示為單道焊縫的尺寸形貌，兩端低中間高，表面輪廓呈凸起狀[10]。為了便于數(shù)學(xué)分析，其外形可用寬度W和高度H來描述，尺寸關(guān)系應(yīng)控制在一個合理的范圍內(nèi)。其中，對焊縫尺寸模型的假設(shè)條件如下：

（1）單個焊縫的截面輪廓是對稱的；

（2）在相同焊接參數(shù)下，都有著均勻的截面輪廓；

（3）在熔敷過程中，焊縫的尺寸形貌保持不變。

圖2 單道焊縫尺寸模型Fig.2 Section model

圖3 尺寸模型對比圖Fig.3 Comparison of size model

則單道焊縫輪廓面積A1的理論值為：

（2）圓弧模型。

圓弧的表達(dá)式為(x-a)2+(x-b)2=R2，函數(shù)經(jīng)過C(0,H)和B(W/2,0)兩點，R為圓弧的半徑：

則單道焊縫輪廓面積A2的理論值為：

（3）余弦函數(shù)模型。

余弦函數(shù)的表達(dá)式為f(x)=acox(bx)，函數(shù)經(jīng)過C(0,H)和B(W/2,0)兩點，代入函數(shù)得：

則單道焊縫輪廓面積的理論值A(chǔ)3為：

2.2 單道焊縫尺寸模型的分析

在單位時間的送絲量下，實際焊縫的輪廓值表示為：

式中，F(xiàn)S（Wire Feed Speed）為送絲速度， WS（Welding Speed）為焊接速度，焊絲直徑為d。

為了選擇精度最優(yōu)的尺寸模型，通過誤差率將3種尺寸模型對應(yīng)的理論值與實際值進(jìn)行對比分析。如圖

一般情況下，單條焊縫的截面輪廓可近似地擬合成拋物線、圓弧和余弦這3種函數(shù)曲線，分別描述如下：

（1）拋物線模型。

拋物線函數(shù)表達(dá)式為f(x)=ax2+b，由圖2可知，函數(shù)經(jīng)過C(0,H)和B(W/2,0)兩點，代入函數(shù)得：3所示，拋物線模型的誤差率波動范圍最小，相對最為精確。

由于拋物線模型最為精確，焊縫輪廓近似地滿足實際值A(chǔ)0與尺寸模型理論值A(chǔ)1相等，則有：

焊縫的寬度所對應(yīng)的曲面如圖4所示，可知焊縫尺寸與焊接速度和送絲速度有著密切的關(guān)系。隨著焊接速度WS增大，焊縫寬度呈減小的趨勢，見圖5（a）；而隨著送絲速度增大，焊縫寬度呈增大的趨勢，見圖5（b）。

圖4 焊縫寬度曲面圖Fig.4 Curved surface of weld width

圖5 焊接參數(shù)對焊縫寬度的影響Fig.5 Influence of welding parameters on width

圖6 多道焊縫的尺寸關(guān)系Fig.6 Size relation of multiple welds

圖7 多道焊縫最優(yōu)尺寸模型Fig.7 Optimal dimension model of weld

圖8 銑削加工模型Fig.8 Dimension model after composite milling

2.3 多道焊縫尺寸模型的建立

目前，多道焊縫成型尺寸的研究主要集中在相鄰焊縫尺寸關(guān)系上[11]。為了提高堆焊效率，焊縫的高度H不能太低，但如果高度過大，上下焊縫間的連接質(zhì)量會降低；而為了提高焊縫之間的搭接效果和成分的均勻性，焊縫的寬度W也需要控制，如圖6所示。同時，不同的熔敷間距P也會產(chǎn)生不同的成形效果。因此，通過對多道焊縫的成形尺寸建模，確定出最佳的熔敷關(guān)系。

圖7中兩條焊道的輪廓曲線為拋物線，點K(XK,YK)表示相鄰輪廓曲線的交點。而且，在該臨界點處，上部分的熔敷量和下部分的熔敷量相等。

因此，當(dāng)P=2W/3時，焊縫表面最為平整。

2.4 多道焊縫的銑削加工

為了得到表面狀態(tài)平整均勻的焊縫，需要通過復(fù)合銑削來進(jìn)一步保證零件的尺寸精度，如圖8所示。其中，H1為銑削加工前多道焊縫的高度，W為多道焊縫的寬度，P為兩條焊縫的熔敷間距，H2為焊縫銑削加工后多道焊縫的高度。

表1 焊縫寬度的影響程度

表2 焊縫高度的影響程度

圖9 單層多道焊縫成形路徑Fig.9 Single weld forming path

圖10 多層多道焊縫成形路徑Fig.10 Multilayer weld forming path

圖11 堆焊后零件尺寸形貌Fig.11 Dimension of welded parts

3 實例分析

在該試驗平臺中，堆焊成形系統(tǒng)對金屬件進(jìn)行堆積，數(shù)控銑削系統(tǒng)進(jìn)行銑削加工。在堆積完一層或若干層后，進(jìn)行銑削加工，從而進(jìn)一步控制了焊縫的成形尺寸精度。

3.1 單道焊縫成形試驗

為了獲取不同因素對焊縫幾何尺寸的影響程度，通過正交分析法進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊成形試驗[12-13]。得到了每組焊縫穩(wěn)定區(qū)域的寬度W和高度H，并進(jìn)行多次測量，以減少起弧和熄弧等因素對測量產(chǎn)生的誤差。

將試驗號隨機(jī)排列，保證每次試驗的環(huán)境條件一致，每條焊縫長度約為50mm，其他參數(shù)設(shè)為常量。設(shè)置如下：氬氣純度為99.999%，基板材料為Q235鋼，厚度為10mm，焊絲材料為H08Mn2Si，直徑 0.8mm，焊槍噴嘴伸出長度為10mm。

根據(jù)因素水平的數(shù)量，試驗采用L9（34）正交表，考慮到是否存在其他未考慮而又可能產(chǎn)生影響的因素，因此保留了一個“其他”列，試驗方案如表1、表2所示。

由表1、表2可知，單道焊縫幾何尺寸主要與焊接速度、送絲速度和電弧電壓有關(guān)。其中，焊接速度對焊縫尺寸影響最為顯著且最易控制，因此可以在后續(xù)試驗中通過調(diào)節(jié)WS快速實現(xiàn)焊縫尺寸的改變；而電弧電壓在3個焊接參數(shù)中對焊縫尺寸的影響是最小的?！捌渌绷械臉O差最小，這說明焊縫幾何尺寸與基板預(yù)熱溫度、焊道溫度以及基板體積等因素的關(guān)系不明顯，驗證了單道焊縫尺寸模型的普適性。

3.2 多道焊縫成形試驗

在單層多道焊縫成形試驗中，設(shè)定焊接速度為250mm/min、送絲速度為3000mm/min、電弧電壓為17V，并由公式（9）可知，相鄰焊縫的搭接間距控制在P=2W/3時，焊縫最為平整。在試驗平臺上采用往復(fù)式路徑，一次起、熄弧，中間不暫停。由圖9可知，相鄰焊縫間的搭接路徑清晰，且焊縫尺寸表面平整均勻。

在多層多道焊縫成形試驗中，通過改變堆焊路徑來進(jìn)一步保證焊縫之間的熔敷量，如圖10所示。在兩層焊縫之間，由互相平行的堆積方向轉(zhuǎn)為互相垂直的堆積方向，逐層類推。

連續(xù)堆焊若干層后，余熱使得金屬構(gòu)件保持了一段時間的紅熱狀態(tài)[14-15]，如圖11所示。自然冷卻后，每一層各個焊縫相互搭接，焊縫的熔敷路徑清晰可見，尺寸構(gòu)件表面質(zhì)量良好，沒有出現(xiàn)明顯的缺陷。

3.3 復(fù)合銑削成形試驗

逐層堆焊過程中，堆積層數(shù)越多，熱量積累越嚴(yán)重，受熱熔化的金屬會隨著熔池的變化而流淌[16]。另外，由于焊接中溫度較高，使得金屬件表面有一層氧化皮，需要通過銑削加工去除。

以方塊狀金屬構(gòu)件為例，在CATIA中做出三維模型，再將STL分層切片導(dǎo)入自主開發(fā)的軟件中，生成NC代碼，并在復(fù)合銑削的試驗平臺中進(jìn)行堆焊成形試驗。金屬銑削量控制在2mm左右，銑削后的成形尺寸精度明顯提高，如圖12所示，成形尺寸對比分析如表3所示。

圖12 銑削后金屬件Fig.12 Metal parts after milling

表3 金屬構(gòu)件尺寸對比mm

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)本試驗對試驗設(shè)備的要求，搭建了一種復(fù)合銑削的金屬件堆焊成形試驗平臺。

（2）建立了單道和多道焊縫的尺寸模型，選擇拋物線作為最優(yōu)模型，并確定出最佳熔敷間距，為成形試驗提供了理論基礎(chǔ)。

（3）采用正交試驗法分析了焊縫成形尺寸的主要影響因素，在改變堆焊路徑的同時，通過銑削加工實現(xiàn)對最終成形尺寸的控制，并驗證了該工藝的可行性和有效性。

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