中空環(huán)形結(jié)構(gòu)的電弧增材工藝研究

福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院 福建福州 350108

1 序言

電弧增材制造技術(shù)是以電弧作為熱源，通過將焊絲熔化，按照特定的分層軌跡在固定基板上逐層堆積，得到由全熔覆金屬組成的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)[1]。電弧增材制造技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。在成形效率方面，其單熱源熔覆效率可達(dá)到4kg/h以上，能量利用率可達(dá)90%以上。電弧增材制造技術(shù)成形零件的化學(xué)成分均勻、組織晶粒尺寸小，不會出現(xiàn)大型鑄件存在的宏觀偏析和縮孔縮松等冶金缺陷。零件在增材過程中受熱沉作用影響，使零件組織獲得較充分的低溫回火，整體性能好于鑄件，近似于鍛件，具有強(qiáng)度高、韌性好、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)[2]。

電弧增材制造過程不僅考慮熔覆材料物化性能、電弧參數(shù)等因素，還要考慮增材路徑規(guī)劃、增材過程控制及后處理、結(jié)構(gòu)變形調(diào)控等。傳統(tǒng)的水平分層路徑規(guī)劃方法已滿足不了電弧增材制造工程化應(yīng)用的需求。近年來，多軸機(jī)器人電弧增材制造系統(tǒng)的使用，方向可變的路徑規(guī)劃方法的出現(xiàn)，為無支撐結(jié)構(gòu)的增材制造創(chuàng)造了條件[3，4]。其中，北京工業(yè)大學(xué)的趙均等[5]就焊槍行走角對熔敷過程及最終成形形貌的影響開展研究，獲得了焊槍推拉角度對“駝峰”效應(yīng)的影響規(guī)律。天津工業(yè)大學(xué)王天琪等[6]通過優(yōu)化焊槍角度，有效改善懸空結(jié)構(gòu)件電弧增材過程中熔覆金屬下淌現(xiàn)象。

本文以封閉中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件為研究對象，通過改變焊槍相對基板的角度、熔覆點(diǎn)位置及工藝參數(shù)來探索該結(jié)構(gòu)件的增材制造工藝。

2 試驗(yàn)材料、裝備及方案

試驗(yàn)采用的絲材為ER70-G高強(qiáng)度實(shí)芯焊絲，該焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度為770MPa，屈服強(qiáng)度690MPa，其主要化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)采用的基板為Q690D鋼板，其主要化學(xué)成分見表2。

表1 ER70-G焊絲主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q690D鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

本試驗(yàn)用電弧增材制造系統(tǒng)主要由ABB六軸工業(yè)機(jī)器人和福尼斯CMT數(shù)字化弧焊電源組成，如圖1所示。六個(gè)軸靠AC伺服電動機(jī)驅(qū)動，理論上可以定位到運(yùn)動范圍內(nèi)的任意位置。搭配福尼斯TPS4000的數(shù)字化焊機(jī)，與普通MIG/MAG焊機(jī)不同，CMT工藝在焊接時(shí)，焊機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測短路信號并反饋調(diào)節(jié)焊接電流、電弧電壓，同時(shí)可間斷地送絲、抽絲，這使得熔滴過渡時(shí)電流不會急劇增大，從而改善了WAAM過程中因熱輸入過大而導(dǎo)致的熱應(yīng)力與熱變形，穩(wěn)定了金屬的流動，有利于提高成形質(zhì)量，減少了金屬飛濺。

試驗(yàn)制造的封閉中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件為軸對稱結(jié)構(gòu)，截面尺寸如圖2a所示，三維模型如圖2b所示，黑色部分為增材基板。

圖1 工業(yè)機(jī)器人電弧增材制造系統(tǒng)

圖2 中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件

為減少電弧增材制造過程中重力對熔覆金屬流淌和結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，圓形基板以豎直方向放置，從而消除豎直向下的增材方向。結(jié)構(gòu)件增材路徑規(guī)劃如圖3所示，I和Ⅱ部分由基板水平向兩側(cè)進(jìn)行電弧增材，增材過程由單熱源交替進(jìn)行；Ⅲ部分由Ⅱ一端豎直向上逐層進(jìn)行電弧增材，達(dá)到結(jié)構(gòu)尺寸要求后，基板所在平面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°放置；Ⅳ和Ⅴ兩部分以與豎直呈45°方向交替進(jìn)行電弧增材直至封口。

如圖4所示，在每一圈熔覆金屬層的增材過程中，焊槍位姿相對固定，通過旋轉(zhuǎn)變位機(jī)帶動基板轉(zhuǎn)動完成電弧增材過程，避免出現(xiàn)全位置增材問題。旋轉(zhuǎn)變位機(jī)與圓形基板之間通過圓管緊固連接，防止焊槍和變位機(jī)發(fā)生干涉。變位機(jī)在增材過程中只進(jìn)行單軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，變位機(jī)角度姿態(tài)不發(fā)生改變。如圖5所示，通過改變焊槍在圓形基板上所處固定位置，研究重力所影響的熔覆金屬流動對中空環(huán)形結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖3 中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件增材路徑

圖4 焊槍工作示意

圖5 焊槍固定位置相對基板角度

3 結(jié)果分析與討論

I和Ⅱ部分電弧增材使用送絲速度3.2m/min，基板旋轉(zhuǎn)速度為3.6°/s。當(dāng)焊槍固定位置為90°時(shí)（見圖5），基板逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從第四層起增材結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯“駝峰”效應(yīng)，且隨增材層數(shù)的增加，“駝峰”越發(fā)嚴(yán)重，致使增材過程無法順利進(jìn)行（見圖6）。270°位置與90°位置情況類似。保持焊接參數(shù)不變，焊槍固定位置調(diào)整到基板135°、180°處逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以及基板225°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)等方式進(jìn)行I、Ⅱ部分增材，均出現(xiàn)嚴(yán)重焊瘤現(xiàn)象，并伴隨熔融金屬流淌滴落（見圖7）。90°和270°處熔池熔融金屬沿圓弧路徑方向的流動驅(qū)動力過小，受重力和表面張力作用產(chǎn)生金屬聚集引起“駝峰”效應(yīng)。135°、180°和225°位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增材時(shí)，受重力影響未凝固的熔融金屬沿路徑回流，與新熔滴過渡到增材表面的熔覆金屬發(fā)生聚集，從而造成熔融金屬滴落或焊瘤的出現(xiàn)。135°和180°位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增材時(shí)，熔融金屬受重力影響的流動驅(qū)動力過大，新熔滴過渡到增材表面的熔覆金屬沿路徑向下快速流動到前部金屬，冷卻后形成焊瘤。

保持焊槍相對基板225°處，焊接參數(shù)不變，基板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。該位置處重力產(chǎn)生的流動驅(qū)動力相較其他位置趨緩，同時(shí)未凝固金屬被結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶離，未造成熔融金屬聚集。該特定電弧焊槍位置，使電弧增材I和Ⅱ部分時(shí)持續(xù)保證結(jié)構(gòu)表面平整。

圖6 在90°處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增材質(zhì)量

圖7 在225°處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增材質(zhì)量

圖8 在225°處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增材質(zhì)量

對第Ⅲ和第Ⅳ部分的電弧增材制造，電弧焊槍處于90°位置豎直向下，基板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨第Ⅲ和第Ⅳ部分增材層高的增加，旋轉(zhuǎn)線速度增大，為保證增材成形尺寸，試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)送絲速度保證各層之間熔覆效率與增材尺寸的一致性（見表3）。增材后第Ⅲ部分如圖9所示，成形質(zhì)量良好，尺寸穩(wěn)定。

待第Ⅲ部分結(jié)構(gòu)增材至要求尺寸后，開始第Ⅳ和第Ⅴ部分結(jié)構(gòu)的增材。為保證焊槍不發(fā)生干涉而順利封口，第Ⅳ和第Ⅴ部分按道次交替進(jìn)行熔覆，達(dá)到間隙要求后，通過脈沖電弧方式完成結(jié)構(gòu)閉合。增材參數(shù)參照第I和第Ⅲ部分的工藝，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，上橫向面和前縱向面成形穩(wěn)定，間隙基本均勻。將增材的全封閉中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件沿截面切開，使用激光掃描儀對截面進(jìn)行掃描，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論模型尺寸進(jìn)行比對，如圖11所示。對比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部增材成形良好，結(jié)構(gòu)壁厚滿足理論尺寸要求，但增材成形表面還有待進(jìn)一步改善；另外，還存在內(nèi)部尺寸余量偏小，外部尺寸余量存在分布不均的情況。

表3 每層增材直徑及其送絲速度

圖9 在90°處進(jìn)行第Ⅲ部分的電弧增材

圖10 Ⅳ和Ⅴ部分增材成形

按圖12測量增材結(jié)構(gòu)4個(gè)位置點(diǎn)沿軸向與理論尺寸的偏差值。繞結(jié)構(gòu)中心等角度共測量24個(gè)截面的位置點(diǎn)，尺寸偏差測量結(jié)果如圖13所示。位置1和位置4的尺寸偏差較小，位置2的尺寸偏差最大，偏差值在0.7～1.0mm，位置3的尺寸偏差值在0.4mm左右。位置3的尺寸偏差主要由結(jié)構(gòu)Ⅴ的熔覆金屬逐層冷卻收縮所導(dǎo)致。位置2的尺寸偏差主要原因是結(jié)構(gòu)Ⅳ和Ⅴ的熔覆金屬逐層冷卻收縮，以及結(jié)構(gòu)Ⅴ在增材過程中熔覆金屬受重力影響產(chǎn)生向下流動所導(dǎo)致。

圖11 中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件實(shí)物截面及掃描理論對比

圖12 尺寸偏差測量位置點(diǎn)

圖13 尺寸偏差測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前電弧送絲增材制造技術(shù)在全位置增材過程中面臨的諸多問題，基于福尼斯CMT電弧熔覆技術(shù)，以全封閉中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件為研究對象進(jìn)行工藝試驗(yàn)，獲得了成形良好的整體構(gòu)件。

1）在增材基板不進(jìn)行變位的條件下，通過調(diào)整焊槍相對基板的位姿、電弧參數(shù)、變位機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)速度等條件，可以克服重力作用，電弧增材工藝可制造出全封閉中空環(huán)形結(jié)構(gòu)件。

2）通過保持焊槍位于基板225°位置處且基板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的條件，就能夠解決橫向增材過程中受重力作用出現(xiàn)的“駝峰”問題或避免產(chǎn)生焊瘤等缺陷。

3）通過部分對稱的路徑規(guī)劃方式進(jìn)行電弧增材，可以較好地控制增材結(jié)構(gòu)的變形及尺寸偏差，尺寸偏差可控制在1mm以內(nèi)。