一種逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔的增材制造方法

王中豪， 韓紅彪， 陳俊潮， 王順

(河南科技大學(xué)， 河南 洛陽 471003)

0 前言

增材制造基于離散-堆積原理，根據(jù)零件的三維模型，采用材料逐層累加的方法直接制造出實(shí)體零件[1-2]。早期的快速原型制造、三維打印、實(shí)體自由制造技術(shù)等主要是非金屬原型或模型的制造[3-4]?，F(xiàn)在，金屬增材制造技術(shù)則是各國科學(xué)研究的重點(diǎn)和制造業(yè)發(fā)展的新趨勢[5-6]。

以激光或電子束為熱源、以金屬粉末為材料增材制造出的金屬零件成形精度高，已經(jīng)應(yīng)用在航空航天和汽車等領(lǐng)域中[7-8]。以金屬焊絲為添加材料的低成本近凈成形增材制造方法成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[9-10]。在連續(xù)送絲的增材制造過程中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的變化、散熱條件和功率輸入的不同，送絲量隨著熱源位置的移動(dòng)不斷變化，送絲精度不易控制，導(dǎo)致累積成形后零件尺寸的誤差較大[11-13]。

成形精度比較高的增材制造方法大都是預(yù)置材料后再固化或燒結(jié)。例如，液態(tài)光敏樹脂選擇性固化技術(shù)(Stereo lithography apparatus，SLA)、粉末材料選擇性激光燒結(jié)(Selective laser sintering，SLS)、薄型材料疊層實(shí)體制造(Laminated object manufacturing，LOM)技術(shù)等[14-15]。SLS方法采用金屬粉末，制造成本較高，而LOM方法的材料利用率較低。文中提出一種逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔的增材制造方法，并進(jìn)行增材制造試驗(yàn)以驗(yàn)證其可行性。

1 逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔增材制造方法的工作原理

逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔增材制造方法的工作原理如圖1所示。首先對(duì)需要加工的零件按增材制造的工藝要求建立三維模型，根據(jù)成形精度要求對(duì)該三維模型進(jìn)行分層處理，對(duì)每一層進(jìn)行切條處理。根據(jù)分層厚度和切條的寬度選擇相應(yīng)截面尺寸的焊絲，先對(duì)第一層按每個(gè)切條所對(duì)應(yīng)的長度加工出相應(yīng)長度的焊絲，放置在相應(yīng)的位置并與基體固定，逐條預(yù)置焊絲后形成預(yù)置焊絲層。對(duì)預(yù)置焊絲層進(jìn)行加熱重熔，形成一體的分層。然后重復(fù)分層、切條、預(yù)置焊絲、重熔等步驟，如此循環(huán)逐層預(yù)置焊絲后重熔形成分層，逐層重熔累積成形出相應(yīng)尺寸的零件。最后對(duì)增材制造的近凈成形的零件進(jìn)行機(jī)械加工，就可以獲得所需尺寸的零件。

圖1 逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔增材制造方法的原理圖

切條處理后逐條預(yù)置焊絲的原理圖如圖2所示。所需的焊絲可以是長度連續(xù)的盤裝焊絲，其截面形狀可以是長方形或圓形。先對(duì)這一層進(jìn)行切條處理，再按照每個(gè)切條的長度加工出相應(yīng)長度的焊絲，加工的方法可以是機(jī)械剪切或激光切割等。然后將該焊絲放在相應(yīng)的位置，放置的方法可以是數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)也可手工進(jìn)行。接著用粘接方法或者電阻點(diǎn)焊或者激光點(diǎn)焊的方法將焊絲固定在基體上相應(yīng)的位置。重復(fù)以上剪切焊絲、放置焊絲、固定焊絲等步驟，逐條預(yù)置焊絲后形成預(yù)置焊絲層。

圖2 切條處理后逐條預(yù)置焊絲的原理圖

重熔的熱源可以采用激光、等離子弧、鎢極氬弧等，也可放在高溫等靜壓爐中進(jìn)行燒結(jié)。為了提高成形精度、減小熱變形和應(yīng)力，合理選擇重熔時(shí)熱源的移動(dòng)路徑和規(guī)范參數(shù)，對(duì)于具有一定懸垂角度的棱邊、棱角等可選用脈沖冷焊的方法以提高其成形精度。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

焊接電源采用E-9188G6型精密冷焊機(jī)，具有高能脈沖精密冷焊和電阻點(diǎn)焊的功能，既可以采用阻焊電極將焊絲以電阻點(diǎn)焊的方式固定在基體上，也可以采用TIG焊槍以氬弧焊的方式對(duì)預(yù)置焊絲層進(jìn)行重熔。重熔過程中焊槍相對(duì)零件的移動(dòng)軌跡控制采用自制的三維數(shù)控焊接裝置，其原理圖如圖3所示。TIG焊槍固定在z軸滑臺(tái)上，可在垂直方向移動(dòng)，零件固定在x軸和y軸滑臺(tái)組成的十字滑臺(tái)上，可在平面內(nèi)按照一定的曲線運(yùn)動(dòng)。焊接電源的輸出“+”接零件，輸出“-”接TIG焊槍?？刂葡到y(tǒng)選用雷塞SMC304運(yùn)動(dòng)控制器，采用TK6071IQ觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可通過x軸、y軸和z軸驅(qū)動(dòng)器控制x軸、y軸和z軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊槍與零件之間三維運(yùn)動(dòng)軌跡的開環(huán)控制。三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)既可以通過手輪進(jìn)行手工操作，也可以按照設(shè)計(jì)的G代碼格式的數(shù)控程序進(jìn)行自動(dòng)控制。在焊接電源中設(shè)定好焊接規(guī)范參數(shù)，控制系統(tǒng)可控制焊接工作的啟動(dòng)和停止。

圖3 三維數(shù)控焊接裝置原理圖

2.2 試驗(yàn)方法

將厚度0.3 mm的316不銹鋼板剪切成寬度1 mm的絲材作為焊絲，增材制造零件的基體選用30 mm×30 mm×3 mm的316不銹鋼板。零件的三維建模、分層處理、切條處理均采用人工方法。根據(jù)零件的尺寸，考慮到堆焊的誤差和加工余量后對(duì)零件尺寸進(jìn)行適當(dāng)放大，形成近凈成形零件的三維模型。對(duì)該模型按照0.3 mm的厚度進(jìn)行分層，每個(gè)分層切條的寬度為1 mm。根據(jù)分層形狀可獲得不同位置切條的長度，然后人工剪切出相應(yīng)的長度。焊絲預(yù)置采用手工的方法，將相應(yīng)長度的焊絲放置在相應(yīng)位置，然后采用電阻點(diǎn)焊固定好。

對(duì)預(yù)置焊絲層的重熔在三維數(shù)控焊接裝置上進(jìn)行。根據(jù)每個(gè)分層的形狀選擇好焊槍的移動(dòng)軌跡、焊接規(guī)范參數(shù)等，人工編制焊槍與零件相對(duì)移動(dòng)軌跡的G代碼程序，在焊接電源中設(shè)定好焊接規(guī)范參數(shù)。啟動(dòng)重熔時(shí)，三維數(shù)控焊接裝置控制焊槍按照設(shè)定的重熔軌跡相對(duì)零件自動(dòng)移動(dòng)，同時(shí)控制焊接電源按照設(shè)定焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)預(yù)置焊絲層的重熔過程。焊接時(shí)鎢棒直徑為1.5 mm，其端頭角度為30°，氬氣流量Q為10 L/min，延氣時(shí)間為5 s。

重復(fù)以上切條處理、預(yù)置焊絲、調(diào)整焊槍高度后重熔預(yù)置焊絲層，逐層堆焊完成相應(yīng)零件的增材制造。

3 增材制造試驗(yàn)

3.1 環(huán)形零件的增材制造

設(shè)計(jì)制造一個(gè)內(nèi)徑為11 mm、外徑為16 mm、高度為8 mm的環(huán)形零件，考慮增材制造工藝后環(huán)形零件的增材制造尺寸如圖4所示，經(jīng)放大后為內(nèi)徑為9 mm、外徑為18 mm、高度為10 mm的環(huán)形零件，零件與基體之間為圓弧過渡。

圖4 環(huán)形零件的增材制造尺寸圖(mm)

按照2.2節(jié)中的試驗(yàn)方法預(yù)置焊絲后進(jìn)行重熔增材制造，其制造過程如圖5所示。圖5a為第1層的預(yù)置焊絲層，圖5b為第1層的焊接重熔層。為減少焊接熱輸入和減小熱變形，焊接工藝采用脈沖精密冷焊方法[16]，即一個(gè)焊接脈沖熔化一個(gè)焊點(diǎn)后熄弧，冷卻5 s后，再移動(dòng)1 mm的間距重新輸出焊接脈沖熔化下一個(gè)焊點(diǎn)，由焊點(diǎn)逐點(diǎn)搭接形成焊縫。焊槍相對(duì)零件的移動(dòng)軌跡為同心圓，先焊接零件的內(nèi)外輪廓，即零件的最外圈和最內(nèi)圈。第1層焊槍移動(dòng)圓形軌跡直徑、焊接順序和相應(yīng)的焊接規(guī)范參數(shù)見表1。

圖5 環(huán)形零件的預(yù)置焊絲后重熔增材制造過程

表1 第1層焊槍移動(dòng)圓形軌跡直徑、焊接順序和焊接規(guī)范參數(shù)表

重復(fù)以上過程進(jìn)行逐層增材制造，圖5c為中間層的預(yù)置焊絲層，圖5d為堆焊34層后獲得的最終零件。經(jīng)檢測，該零件內(nèi)徑為9.1 mm0.3 mm、外徑為18 mm0.5 mm、高度為10.1 mm0.1 mm，說明最終成形零件的焊縫均勻，焊點(diǎn)搭接致密，層間熔合狀態(tài)較好，邊緣部分無明顯塌陷，形狀精度達(dá)到預(yù)期效果，但零件下部的基體產(chǎn)生了較大的變形。

3.2 傾斜零件的堆焊成形

在逐層增材制造復(fù)雜零件時(shí)，不可避免地會(huì)遇到具有一定懸垂角度的傾斜零件，熔化的材料在重力作用下很容易塌陷而無法成形。采用預(yù)置焊絲后重熔增材制造方法時(shí)，底層預(yù)置的焊絲可對(duì)上層重熔的熔池有支撐作用，可防止熔池塌陷，以制造不同傾斜角度的結(jié)構(gòu)。圖6是一個(gè)45°傾斜結(jié)構(gòu)的焊接示意圖和增材制造后的傾斜零件。在圖6a中灰色為重熔區(qū)，傾斜端部的白色區(qū)域?yàn)槲粗厝蹍^(qū)。當(dāng)?shù)?層重熔結(jié)束后，預(yù)置第2層焊絲，重熔第2層預(yù)置焊絲層時(shí)，對(duì)傾斜端部伸出的部分不進(jìn)行重熔。接著預(yù)置第3層焊絲，重熔第3層預(yù)置焊絲層時(shí)，第2層未重熔區(qū)就對(duì)其上的第3層熔池起到支撐作用，并與第3層熔合在一起。同樣，第3層傾斜端部伸出的部分也不進(jìn)行重熔，并作為第4層熔池的支撐。按照這種方法增材制造出45°傾斜零件如圖6b所示。

圖6 傾斜結(jié)構(gòu)的焊接示意圖和增材制造后的傾斜零件

3.3 帶支撐懸空零件的堆焊成形

在復(fù)雜零件的增材制造時(shí)，對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)需要采用必要的支撐。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可采用預(yù)鋪的金屬粉末作為支撐[15]，而激光直接制造技術(shù)(Direct laser fabrication，DLF)和絲材電弧增材制造技術(shù)(Wire and arc additive manufacture，WAAM)是連續(xù)熔化金屬堆焊成形，添加支撐比較困難且不容易去除[5]。采用預(yù)置焊絲后重熔增材制造方法時(shí)，可用預(yù)置焊絲層逐層疊加固定但不重熔作為支撐。圖7是帶支撐懸空結(jié)構(gòu)的焊接示意圖和增材制造后的懸空零件。圖7a中灰色為重熔區(qū)，白色區(qū)域?yàn)槲粗厝蹍^(qū)。在從底部向上逐層增材制造時(shí)，零件實(shí)體部分的預(yù)置焊絲層需要重熔，而作為支撐部分就不需要重熔，只需要粘接或點(diǎn)焊固定即可，方便制造完成后去除支撐。懸空結(jié)構(gòu)的第1層預(yù)置焊絲層不需要重熔，對(duì)下一層起到支撐作用。按照這種方法增材制造出懸空零件如圖7b所示。將焊絲預(yù)置到相位位置并進(jìn)行固定的人工操作誤差較大，生產(chǎn)效率低；重熔時(shí)焊槍移動(dòng)軌跡和不同位置的焊接規(guī)范參數(shù)等也會(huì)對(duì)每個(gè)分層成形質(zhì)量造成影響。所以，預(yù)置焊絲的自動(dòng)化操作、零件成形精度與每個(gè)分層重熔的運(yùn)動(dòng)軌跡和焊接規(guī)范參數(shù)選擇之間的規(guī)律需要進(jìn)一步研究。

圖7 帶支撐懸空結(jié)構(gòu)的焊接示意圖和增材制造后的懸空零件

4 結(jié)論

(1)逐條預(yù)置焊絲和逐層重熔的增材制造方法是將每個(gè)分層用相應(yīng)長度的焊絲逐條預(yù)置形成該分層的形狀，再對(duì)該預(yù)置焊絲分層進(jìn)行重熔，然后逐層預(yù)置焊絲和重熔就可累積制造出金屬零件。

(2)預(yù)置焊絲可以控制每個(gè)分層的層高和每個(gè)位置的送絲量，從而保證逐層累積增材制造零件的成形精度。

(3)該方法適用于不同傾斜角度的結(jié)構(gòu)，可采用支撐結(jié)構(gòu)且方便去除，適合復(fù)雜零件的增材制造。