基于VP-CMT技術(shù)的增材制造實驗設(shè)計

供稿|呂慶功，張博文，張來啟 / LV Qing-gong, ZHANG Bo-wen, ZHANG Lai-qi

內(nèi)容導(dǎo)讀

交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊 (CMT)的焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點，而且熱輸入量進一步降低，在進行薄壁增材制造時，既可顯著消除氣孔，又可細(xì)化晶粒，將力學(xué)性能提升到媲美鍛造構(gòu)件的水平，在金屬復(fù)雜構(gòu)件成形的成本、效率和質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領(lǐng)域具有發(fā)展前景的技術(shù)。文章介紹了基于交流冷金屬過渡焊接技術(shù)(VP-CMT)設(shè)計的增材制造實驗項目，針對鋁合金復(fù)雜構(gòu)件的增材制造成形開展參數(shù)設(shè)計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質(zhì)量檢驗等實踐環(huán)節(jié)，將工程材料、金屬焊接、機器人應(yīng)用等多學(xué)科知識融合到工程實踐活動，不僅有利于加深對增材制造技術(shù)原理和實施過程的理解，還有利于培養(yǎng)工程綜合應(yīng)用能力。該實驗緊跟科技發(fā)展新方向，對豐富工程訓(xùn)練內(nèi)容和提升工程訓(xùn)練技術(shù)水平具有現(xiàn)實意義和借鑒價值。

近年來，增材制造技術(shù)得到快速發(fā)展，實現(xiàn)了不同材料和工藝的結(jié)合，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車、能源、交通、軍工、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。金屬材料增材制造一般使用高能束流或電弧作為熱源，其中電弧增材制造技術(shù)因其低成本優(yōu)勢，在金屬零件快速成形領(lǐng)域得到了較快發(fā)展[1，2]。目前應(yīng)用比較廣泛的電弧增材制造技術(shù)包括：非熔化極氣體保護焊(Gas Tungsten Arc Welding，GTAW)[3，4]、熔化極氣體保護焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)[5]、等離子弧焊(Plasma-Arc Welding，PAW)[6，7]、冷金屬過渡焊(Cold Metal Transfer，CMT)[8，9]以及交流冷金屬過渡焊(Variable Polarity-Cold Metal Transfer，VPCMT)[10]等。其中交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊 (CMT)的無飛濺、焊速快、熱輸入量低等優(yōu)點，同時又引入變極性交流電模式，使焊接過程中的熱量分布更合理，基材收到的熱輸入量進一步降低，在金屬復(fù)雜構(gòu)件成形的成本、效率和質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領(lǐng)域具有發(fā)展前景的技術(shù)[11]。

本實驗基于交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)技術(shù)原理和設(shè)備系統(tǒng)，以鋁合金復(fù)雜構(gòu)件成形為例，通過參數(shù)設(shè)計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)，深入學(xué)習(xí)并親身體驗增材制造的技術(shù)原理和實施過程，有利于開闊視野，提高對現(xiàn)代制造技術(shù)的興趣，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新意識。本實驗具有系統(tǒng)性和綜合性特點，適用于工程訓(xùn)練課程體系的工程綜合訓(xùn)練層次[12]。

實驗原理

冷金屬過渡焊(CMT)是以短路過渡為基礎(chǔ)的改進型熔化極氣體保護焊，其獨特之處在于在熔滴過渡過程中利用前后兩套焊絲抽送機構(gòu)使焊絲的輸送過程不連續(xù)。如圖1所示，(a)焊絲電弧引燃，熔滴向熔池過渡，這個階段與傳統(tǒng)MIG焊相同；(b)在熔滴進入熔池瞬間，電弧熄滅，電流減少；(c)電流短路，焊絲開始回抽促進熔滴脫落，電流趨近于零，熔滴順利過渡到熔池；(d)焊絲電弧繼續(xù)燃燒，熔滴向熔池過渡。這個焊接過程重復(fù)循環(huán)。

VP-CMT 技術(shù)是將交流MIG/MAG技術(shù)應(yīng)用到CMT技術(shù)上，通過增加負(fù)脈沖使過渡階段由單一的可調(diào)正極性脈沖階段 (Electrode Positive Stage，EP)變?yōu)檎龢O性脈沖階段和負(fù)極性脈沖階段(Electrode Negative Stage，EN)兩個階段，焊接過程中電流電壓波形如圖2所示[14]。VP-CMT不但繼承了直流CMT焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點，而且熱輸入量進一步降低，在進行薄壁增材制造時，既可顯著消除氣孔，又可細(xì)化晶粒，將力學(xué)性能提升到媲美鍛造構(gòu)件的水平[15]。

實驗裝置和方法

實驗使用的VP-CMT增材制造系統(tǒng)包括機器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)兩個部分，焊絲材料采用鋁鎂合金絲，實驗過程中采用氬氣對焊接熔池進行保護。

圖1 CMT焊接過程示意圖[13]

圖2 VP-CMT電流電壓示意圖[14]

機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)采用德國KUKA公司的KR6-2型6軸機器人和KRC4控制柜，如圖3所示。機器人系統(tǒng)自重235 kg，重復(fù)精度±0.05 mm，最大作用范圍1611 mm，可用于大型零件的焊接加工及增材制造。KRC4控制柜采用軟件伺服控制，管理著機器人運動所需的各個功能，包括I/O軌道規(guī)劃管理、數(shù)據(jù)與文件管理、多軸/復(fù)合系統(tǒng)控制、最佳加速/減速控制、減震控制、軌跡恒定控制以及碰撞監(jiān)控等。另外，系統(tǒng)還配備了KUKA機器人語言編程系統(tǒng)，包括Workvisual軟件和SmartPad示教器，可實現(xiàn)離線編程或在線編程。

圖3 KUKA 機器人系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)由Austria Fronius公司提供，包括CMT Advanced 4000R全數(shù)字化交流焊接電源、VR7000-CMT 4R/G/W/F++送絲機以及CMT W推拉絲馬達。馬達以70~130 Hz的頻率正反轉(zhuǎn)，與送絲機協(xié)同以確保焊絲可在高頻雙向運動中保持恒定的接觸壓力和送絲距離，可輸出直流、脈沖和交流電波形，進行包括CMT、CMT+脈沖、VP-CMT、VP-CMT+脈沖等焊接工藝。焊接系統(tǒng)還配有焊機遙控裝置RCU 5000i對焊接過程參數(shù)進行調(diào)控。

實驗材料

實驗選用直徑為1.2 mm的ER5183鋁鎂合金絲為增材制造的焊絲材料，該材料塑韌性好、強度高、耐蝕性好?；暹x用5083鋁合金板，針對復(fù)雜構(gòu)件成形特點，基板尺寸長×寬×厚選定為150 mm×150 mm×10 mm。焊絲和基板的化學(xué)成分見表1和表2。

表1 ER5183 鋁鎂合金焊絲成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 5083 鋁合金基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

VP-CMT實驗方法

為避免基板表面的油污、氧化膜或水分等對成形過程及構(gòu)件組織造成影響，實驗前需清除基板表面的油污與雜質(zhì)，用砂紙打磨后用酒精清洗，并用無塵布將基板表面擦拭干凈。在實驗過程中采用純度大于99.99%的氬氣對焊接熔池進行保護。實驗選用VP-CMT模式，將焊接過程分解為引弧、引弧等待、焊接、熄弧等待、熄弧等五個階段，并在RCU 5000i里選擇符合焊絲材料和構(gòu)件尺寸的專家數(shù)據(jù)庫和對應(yīng)的job號?；竟に噮?shù)如表3所示，其中干伸長度為焊絲尖端與導(dǎo)電嘴的距離。

表3 基本工藝參數(shù)

實驗步驟與結(jié)果分析

實驗的基本流程包括參數(shù)設(shè)計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形等，如圖4所示。

圖4 實驗基本流程圖

參數(shù)設(shè)計

增材制造的工藝參數(shù)對構(gòu)件的成形精度和組織性能具有直接影響。實驗前要熟知VP-CMT技術(shù)原理，理解各參數(shù)的含義，并懂得各參數(shù)對成形過程和構(gòu)件組織性能的影響規(guī)律，進而對參數(shù)進行恰當(dāng)?shù)倪x擇和設(shè)計。依據(jù)焊絲材料和構(gòu)件尺寸在RCU 5000i專家數(shù)據(jù)庫里選擇參數(shù)范圍，確定相對最優(yōu)的工藝參數(shù)。為保證成形良好，為上層堆積打下良好基礎(chǔ)，第一層成形使用脈沖模式打底，其送絲速度取6.0 m/min，Pulse=1，后續(xù)過程中參數(shù)則取為VPCMT初始參數(shù)，如表4。

表4 成形參數(shù)

三維建模

三維模型是增材制造過程的基本依據(jù)，可以采用當(dāng)前比較主流的3D模型設(shè)計軟件構(gòu)建模型，也可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)模型樣例進行實驗。本實驗的標(biāo)準(zhǔn)模型樣例是一個雙層空心圓柱結(jié)構(gòu)(圖5)，兩個圓柱體中間有波浪形花紋，圓柱體直徑自下而上逐漸變大。構(gòu)件的所有壁體設(shè)置為雙層壁體結(jié)構(gòu)，即每一層壁體由兩道焊縫組成。

路徑規(guī)劃與編程

路徑是指構(gòu)件成形過程中焊絲堆積的運行軌跡，事關(guān)成形過程是否順利、成形精度是否適中，需要根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸具體確定。以圖5所示標(biāo)準(zhǔn)模型為例，由于組成構(gòu)件的三個部分(內(nèi)圓、外圓、波浪花紋)彼此連接但又相對獨立，所以每一層成形均按照“小圓、大圓、波浪花紋”的順序進行分步堆積。為了避免相鄰層的起弧點和熄弧點重疊導(dǎo)致構(gòu)件變形，設(shè)定每堆積完一層后焊絲頭位置逆時針偏轉(zhuǎn) 90°作為下一層的起弧點，這樣堆積四層即為一個起弧周期?？紤]到雙層焊縫壁體結(jié)構(gòu)，將X軸、Y軸變量設(shè)定為一個焊縫寬，而焊槍角度則保持與基板平面垂直。

圖5 三維構(gòu)件模型

路徑規(guī)劃完畢后，需要根據(jù)路徑規(guī)劃思想進行編程，以便形成機器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)可以識別和執(zhí)行的指令?；赟martPad示教器進行運動指令編寫，基于Workvisual 軟件進行邏輯指令編寫，操作界面如圖6所示。KUKA機器人的開源性使得其在編程過程中對函數(shù)的使用更加便利。

策略優(yōu)化

圖6 路徑編程

策略優(yōu)化是指按照路徑規(guī)劃與編程結(jié)果實施增材制造過程，觀察和檢驗成形過程及構(gòu)件質(zhì)量，依據(jù)存在的問題對成形路徑和參數(shù)進行迭代改進的過程，這個環(huán)節(jié)可以重復(fù)多次。以圖5所示標(biāo)準(zhǔn)模型為例，按照規(guī)劃的路徑實施成形過程，成形過程在底層比較順利，然而當(dāng)堆積到第四層時，波浪花紋高度明顯高出內(nèi)外圓柱，這種同層高度不均勻性導(dǎo)致焊槍與堆積層的距離不穩(wěn)定，進而引起電弧不穩(wěn)甚至斷弧，使得成形過程無法順利進行。針對這個現(xiàn)象進行原因分析后修改堆積策略，將“小圓、大圓、波浪花紋”這個堆積順序修改為“小圓、波浪花紋、大圓”，同時考慮到每一部分的散熱速度不同，在更改堆積策略的同時也對參數(shù)進行了調(diào)整，將三部分一樣的初始參數(shù)修改為三部分有所不同。將大圓的送絲速度調(diào)整為7.2 m/min以減小其熱輸入量，波浪花紋成形時將EP/EN Balance的值調(diào)整為2.5，改變能量分配以進一步降低波浪花紋高度。培訓(xùn)實驗中，在這個環(huán)節(jié)要仔細(xì)針對問題分析原因，然后做出合理的路徑優(yōu)化和參數(shù)修正。

打印成形

經(jīng)過路徑規(guī)劃與編程以及策略優(yōu)化，采用優(yōu)化后的路徑和參數(shù)完成3D打印成形過程。本步驟以優(yōu)化的路徑和參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)模型進行了3D打印成形，成形過程順利，構(gòu)件外形完整，表面平滑，基本符合三維模型的設(shè)計要求，如圖7所示。

圖7 構(gòu)件成形結(jié)果

結(jié)果分析

實驗結(jié)果分析內(nèi)容包括外觀檢查、表面粗糙度檢測和表面硬度檢測等。外觀檢查是用目視、尺量和觸摸的方式檢查構(gòu)件外觀，檢查其是否符合三維模型設(shè)計的外形和尺寸要求，表面是否有缺陷，各部分的銜接是否完好等。表面粗糙度檢測則由LEXT OLS4100 3D測量激光共聚焦顯微鏡對可觀測外表面尤其是側(cè)面進行表征。表面硬度檢測則用手持硬度測量儀對成品表面進行硬度測量，每個點測量三次，取三次測量值的平均值。

結(jié)束語

實驗設(shè)計以實體產(chǎn)品為載體，將工程材料、三維建模、金屬焊接、機器人應(yīng)用、3D打印等多學(xué)科基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識融合到工程實踐，以加深對增材制造的理解；通過針對典型產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、制作和檢驗等環(huán)節(jié)培養(yǎng)工程綜合能力，包括專業(yè)知識綜合應(yīng)用、多學(xué)科團隊合作與溝通、圖形構(gòu)建與編程、工藝規(guī)劃與實施、問題排除與修正等；本實驗結(jié)合科學(xué)研究成果，緊跟科技發(fā)展新方向，既豐富了工程訓(xùn)練內(nèi)容，又提升了工程訓(xùn)練技術(shù)水平，對工程訓(xùn)練資源的開發(fā)與更新具有借鑒意義。