電弧增材制造封閉路徑控制策略研究

盧楚文，牛犇，王凱，曹運(yùn)成，易江龍

1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東佛山 528225

2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510650

1 序言

電弧增材制造技術(shù)是以焊接電弧為熱源，按規(guī)劃好的運(yùn)行軌跡在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下逐層堆積，直到獲得符合要求的成形件，是一種從無(wú)到有的逐層累積疊加制造技術(shù)[1-3]。合理的路徑規(guī)劃是保證電弧增材制造中金屬件成形的重要環(huán)節(jié)，也可以減少或消除成形過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。目前，電弧增材制造環(huán)節(jié)中存在封閉路徑閉合處搭接不平、非封閉路徑熄弧端塌陷、單道多層成形件兩端塌陷，以及中間凸起等成形問題。

為解決電弧增材制造環(huán)節(jié)的成形問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相應(yīng)的研究，美國(guó)肯塔基大學(xué)ZHANG等[4]對(duì)堆焊工藝研究后，提出了自適應(yīng)切片方法，自動(dòng)分析模型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)而確定切片的厚度，最終制造出的實(shí)體零件和零件三維模型的尺寸差異較小。哈爾濱工業(yè)大學(xué)熊俊[5]采用GAM增材制造技術(shù)研究了工藝參數(shù)對(duì)單道多層成形形貌的影響，針對(duì)起弧端和熄弧端高度差距大的問題，提出封閉路徑采用搭接長(zhǎng)度過度補(bǔ)償?shù)娜鄯蠓绞剑⒔o出了搭接長(zhǎng)度的具體數(shù)值；非封閉路徑采用平行往復(fù)的熔敷方式。南京理工大學(xué)尹凡[6]在對(duì)多層堆敷成形工藝及尺寸控制研究時(shí)，直壁體的堆敷成形采用了往復(fù)成形的熔敷方式，封閉路徑在堆敷成形時(shí)將熄弧端放在起弧端的后面，兩者之間的距離為8mm，保證能形成封閉路徑，減小高度差。堆積的高度增加后，采用了補(bǔ)差的方法來(lái)保證成形。在解決電弧增材制造封閉路徑成形問題上，現(xiàn)有的解決辦法主要是采用補(bǔ)償?shù)姆绞剑谶M(jìn)行補(bǔ)償時(shí)往往是基于工藝經(jīng)驗(yàn)或高端儀器，不具有高效且低成本的普適性。

因此，本文針對(duì)封閉路徑在電弧增材制造成形過程中出現(xiàn)的閉合處缺陷，提出了基于多元回歸模型的過度補(bǔ)償方法來(lái)解決起閉合處塌陷的問題，并準(zhǔn)確計(jì)算過度補(bǔ)償距離。該方法能夠有效防止電弧增材制造封閉路徑成形中出現(xiàn)的閉合處缺陷，且具有成本低、局限少、普適性高等優(yōu)勢(shì)。

2 試驗(yàn)方法

為獲取電弧增材制造封閉路徑成形過程中的焊接參數(shù)及成形件尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)計(jì)

劃。以退態(tài)火Cr5鋼為母材（150mm×100mm×15mm），其化學(xué)成分見表1。Cr5鋼母材在堆焊前需要先去除表面氧化層、油污，用酒精進(jìn)行清洗，并在120℃的鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行2h干燥后待用。選用焊絲的牌號(hào)是ER308L，化學(xué)成分見表2。采用松下Panasonic YD-500GS電弧堆焊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，98%Ar+2%CO2混合氣體作為保護(hù)氣體。

表1 Cr5鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 ER308L主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 封閉路徑成形參數(shù)研究

3.1 封閉路徑

根據(jù)弧坑塌陷長(zhǎng)度確定補(bǔ)償距離設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，為了方便測(cè)量熄弧處塌陷的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)的封閉路徑為長(zhǎng)60mm、寬25mm的長(zhǎng)方形路徑。先開展的試驗(yàn)是未采用補(bǔ)償策略的長(zhǎng)方形路徑的成形試驗(yàn)，如圖1所示。另外，對(duì)熄弧處塌陷的長(zhǎng)度和余高與對(duì)稱位置處焊縫的余高用游標(biāo)卡尺進(jìn)行了測(cè)量并記錄，見表3。其中弧坑長(zhǎng)度就是熄弧處塌陷的長(zhǎng)度，高度差是指熄弧處余高與對(duì)稱位置處余高的差值。

圖1 未補(bǔ)償?shù)暮附咏Y(jié)果及弧坑長(zhǎng)度

3.2 焊接參數(shù)的回歸分析

為有效計(jì)算過度補(bǔ)償距離，采用回歸分析探究焊接參數(shù)與弧坑長(zhǎng)度之間的關(guān)系。本次回歸分析中采用多元回歸進(jìn)行建模，焊接參數(shù)作為自變量，弧坑長(zhǎng)度作為因變量，共選取27條樣本量作為研究數(shù)據(jù)集，構(gòu)造回歸方程用于探索自變量與因變量之間的關(guān)系，建立多元回歸模型用于計(jì)算有效的過度補(bǔ)償距離。

在電弧增材制造過程中，根據(jù)回歸分析的基本理論確定的變量之間的關(guān)系表達(dá)式為

式中y——弧坑長(zhǎng)度（mm）；

x1——焊接電流（A）；

x2——焊接速度（m/min）；

x3——焊接電壓（V）。

利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析可以得出弧坑長(zhǎng)度的常數(shù)項(xiàng)為5.507，焊接電流的系數(shù)為-0.001，焊接電壓的系數(shù)為0.343，焊接速度的系數(shù)為-1.001。

弧坑長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中L——弧坑長(zhǎng)度（mm）；

I——焊接電流（A）；

U——焊接電壓（V）；

S——焊接速度（m/min）。

圖2所示為計(jì)算值和實(shí)際值的對(duì)比。從圖2中可知，實(shí)際值和計(jì)算值之間的誤差值是很小的，這說(shuō)明上述回歸方程表達(dá)式可以很好地解釋焊接參數(shù)與熄弧處塌陷長(zhǎng)度之間的關(guān)系，當(dāng)焊接速度、電弧電壓和焊接電流中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，弧坑長(zhǎng)度都會(huì)隨之發(fā)生變化。

圖2 弧坑長(zhǎng)度的計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

4 補(bǔ)償策略成形試驗(yàn)

4.1 補(bǔ)償距離的確定

根據(jù)弧坑長(zhǎng)度的回歸方程表達(dá)式，可知弧坑長(zhǎng)度隨焊接參數(shù)而變化的規(guī)律，因此可以根據(jù)此規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償距離計(jì)算的研究。以未采用補(bǔ)償策略的弧坑長(zhǎng)度為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)每一組焊接參數(shù)下的封閉路徑進(jìn)行多次過度補(bǔ)償試驗(yàn)，即讓焊槍在熄弧處往前多走一段距離，讓熄弧端覆蓋在起弧端的上面，如圖3所示。同時(shí)測(cè)量記錄在相應(yīng)的焊接參數(shù)下，每一道閉環(huán)焊道的補(bǔ)償距離及補(bǔ)償高度差，見表4。

圖3 補(bǔ)償后的試驗(yàn)結(jié)果

表4 補(bǔ)償后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從未采用補(bǔ)償策略的焊接結(jié)果和采用補(bǔ)償策略的焊接結(jié)果對(duì)比可以看出，采用補(bǔ)償策略后，在起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)閉合處塌陷的缺陷起弧端與熄弧端閉合處的塌陷缺陷得到了明顯的改善。根據(jù)補(bǔ)償前的高度差和補(bǔ)償后的高度差兩組數(shù)據(jù)，可以充分說(shuō)明過度補(bǔ)償策略解決封閉路徑閉合處搭接不平的缺陷是可行的。

由表4可知，補(bǔ)償后的高度差值均在1m m之內(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)最終成形件的影響很小，說(shuō)明補(bǔ)償時(shí)依據(jù)弧坑長(zhǎng)度確定的過度補(bǔ)償距離是合適的。為了表明補(bǔ)償距離與弧坑長(zhǎng)度之間的具體關(guān)系，對(duì)補(bǔ)償距離和弧坑長(zhǎng)度這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了一元線性回歸分析，將補(bǔ)償距離作為因變量，弧坑長(zhǎng)度作為自變量，并利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得到了補(bǔ)償距離的常數(shù)項(xiàng)為-3.931，弧坑長(zhǎng)度的系數(shù)為0.997，因此兩者之間的關(guān)系

式中I——補(bǔ)償距離（mm）；

L——弧坑長(zhǎng)度（mm）。

將測(cè)量后的弧坑長(zhǎng)度數(shù)值代入上述關(guān)系式中，可以計(jì)算出補(bǔ)償距離具體數(shù)值，然后將計(jì)算值與實(shí)際試驗(yàn)策略值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從圖4可看出，兩者數(shù)值幾乎重合，誤差均值接近于零。說(shuō)明該關(guān)系式計(jì)算出的補(bǔ)償距離合理。

圖4 過度補(bǔ)償距離的計(jì)算值和實(shí)際值對(duì)比

在一定的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)弧坑長(zhǎng)度和補(bǔ)償距離的關(guān)系式，可以對(duì)不同尺寸和形狀的封閉路徑進(jìn)行補(bǔ)償距離的計(jì)算，能夠有效達(dá)到控制成形形貌的效果，避免了大量補(bǔ)償距離的試驗(yàn)，從而提高了工作效率，節(jié)約了試驗(yàn)用材料。

4.2 圓形路徑補(bǔ)償策略驗(yàn)證試驗(yàn)

在進(jìn)行圓柱薄壁結(jié)構(gòu)堆積試驗(yàn)時(shí)，隨著高度的增加，往往會(huì)出現(xiàn)明顯的階梯效應(yīng)，很大程度影響了成形形貌，甚至有可能會(huì)出現(xiàn)焊槍碰撞事故，因此采用閉環(huán)路徑補(bǔ)償策略來(lái)減少階梯效應(yīng)的出現(xiàn)。用游標(biāo)卡尺對(duì)未采用補(bǔ)償策略的圓弧構(gòu)件熄弧處塌陷長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)得熄弧處塌陷的長(zhǎng)度為15.05mm，將測(cè)量得到的塌陷長(zhǎng)度帶入補(bǔ)償距離的計(jì)算公式，得到的結(jié)果為11.07385mm，由于機(jī)器人系統(tǒng)的限制，因此在程序中設(shè)置的補(bǔ)償距離為11.08mm，通過弧長(zhǎng)計(jì)算公式將補(bǔ)償距離轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)角度為21°，在圓弧焊接程序中將機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為360°+21°，采用補(bǔ)償距離后的圓弧閉合構(gòu)件成形效果如圖5所示。

圖5 圓弧補(bǔ)償堆積結(jié)果

從圖5可看出，焊槍旋轉(zhuǎn)的總體角度>360°，圓弧閉合處成形良好，無(wú)明顯的塌陷缺陷。對(duì)搭接位置處的高度與對(duì)稱位置處的高度進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，兩者的高度差值為0.66mm，對(duì)最終成形質(zhì)量影響很小。該試驗(yàn)說(shuō)明了過度補(bǔ)償距離的計(jì)算公式可以用于圓弧補(bǔ)償距離的計(jì)算。

由于采用補(bǔ)償策略后圓弧成形形貌良好，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直徑為60m m的圓柱薄壁件堆積成形。根據(jù)上述補(bǔ)償策略公式計(jì)算結(jié)果，在焊接過程中每一層在成形時(shí)焊槍都會(huì)在閉合處往前多走11.08mm，也就是讓焊槍從起始點(diǎn)開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，旋轉(zhuǎn)角度為360°+21°，每焊完一層，用測(cè)溫計(jì)測(cè)量溫度，溫度降低至150℃時(shí)開始下一層焊接，直到焊接結(jié)束。圓柱薄壁件如圖6所示，從圖6中可看出，采用補(bǔ)償策略后，圓柱薄壁件在搭接處成形良好，沒有明顯的階梯效應(yīng)出現(xiàn)，能形成平整的封閉特征。在圓柱薄壁件上取8個(gè)位置（見圖7）測(cè)量其高度，將測(cè)量得到的高度值利用繪圖軟件繪制成點(diǎn)線圖（見圖8），這8個(gè)位置的高度差值均在1mm左右，對(duì)成形件影響很小，這充分說(shuō)明了確定的補(bǔ)償距離在實(shí)體件成形過程中也是可行的，能夠解決熄弧塌陷問題。

圖6 圓柱薄壁件成形示意

圖7 圓柱薄壁件高度測(cè)量

圖8 圓柱薄壁件高度測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)電弧增材制造封閉路徑在電弧成形時(shí)閉合處會(huì)出現(xiàn)階梯效應(yīng)的塌陷問題，采用了基于多元回歸分析模型的過度補(bǔ)償策略解決，并給出了回歸方程計(jì)算的具體流程，適用于封閉路徑規(guī)劃下的電弧增材制造，能夠計(jì)算出封閉路徑成形件閉合處的塌陷弧坑補(bǔ)償距離，并使用計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差計(jì)算進(jìn)行了證明。

2）選用圓柱形薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行電弧增材制造試驗(yàn)，并應(yīng)用回歸方程對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償策略的距離計(jì)算，通過對(duì)圓柱形薄壁結(jié)構(gòu)的電弧增材制造試驗(yàn)，規(guī)劃和試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的補(bǔ)償策略精度較高、普適性強(qiáng)。