孫 哲， 呂耀輝， 徐濱士， 劉玉欣

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer，CMT)技術通過在短路狀態(tài)下機械回抽焊絲實現(xiàn)低電流狀態(tài)下的熔滴過渡[1]。與其他堆焊成形工藝相比，CMT技術除了具備MIG(Metal Inert Gas)焊效率高、成本低的特點外，還具備以下優(yōu)勢：1)實現(xiàn)了極低電流下的短路過渡，極大地降低了熱量的輸入；2)避免了普通短路過渡引起的飛濺，提高了表面精度[2]。CMT技術作為一種效率高、熱輸入量低、可達性好的新型焊接工藝，在現(xiàn)場快速成形制造與再制造方面有著廣闊的應用前景。目前，針對CMT技術的研究及應用多集中在薄板金屬的焊接及異種金屬的焊接方面[3]。Tallinn大學的R.Talalaev等[4]對CMT技術應用于薄板金屬的焊接進行了相關研究；英國Cranfield大學的C.G.Pickin等[5]研究了CMT技術的焊接工藝特點及其在低稀釋率熔覆方面的應用；哈爾濱工業(yè)大學的張洪濤等[6]對CMT技術焊接鍍鋅鋼板和鋁的界面現(xiàn)象作了闡述。迄今為止，基于CMT焊接快速成形方面的研究及應用較少，相關成形工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化是現(xiàn)階段研究工作中非常重要的一項內(nèi)容，是進一步研究和應用的基礎。

本文利用所搭建的CMT焊接快速成形系統(tǒng)，建立了多道和多層搭接狀態(tài)計算模型，同時對建模計算出的工藝參數(shù)進行了試驗驗證和結果分析，為進一步的研究及應用中相關參數(shù)的選擇提供了參考和理論依據(jù)。

1 試驗方法及材料

CMT快速成形系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)選用Fronius公司MW5000焊接電源，采用KUKA公司KR6焊接機器人結合2個外部軸控制成形軌跡。CMT焊槍被固定在機器人第6軸端部，金屬基板固定在角變位機上。成形時焊槍在機器人的控制下，根據(jù)預先設定好的程序，按照一定軌跡堆積成形，每堆完一層，焊槍自動抬升一定高度，進行下一層的堆積。文中分別采用單層多道、單道多層成形路徑對相鄰焊道間隔和層間高度進行計算及驗證。

圖1 CMT焊接快速成形系統(tǒng)

試驗選用尺寸為200 mm×140 mm×8 mm的Q235A鋼板，焊絲為H08Mn2Si，直徑為1.2 mm，其化學成分如表1所示，采用97.5%Ar+2.5%CO2作為保護氣。

表1 焊絲材料元素質量分數(shù) %

2 搭接率和層間高度建模計算

焊道通過搭接、堆積，實現(xiàn)了零件的線—面—體堆積成形過程。為了提高成形表面精度，需建立焊道搭接狀態(tài)模型以計算最優(yōu)搭接率和層間高度，為此,首先應建立焊道截面輪廓數(shù)學模型。Gratzke等[7]把熔池簡化為僅在表面張力作用下存在的圓柱液柱，但是焊接過程中作用在熔池上的力除了表面張力,還有重力、電弧力等[8]，并且隨著熔池不同部位溫度的差異，熔池表面張力也存在溫度梯度，因此這種模型存在較大缺陷，不能準確反映熔池形貌特征；曹勇等[9]基于小波變換對MAG(Metal Active Gas)快速成形焊道截面輪廓進行了建模，得出了焊道輪廓數(shù)學模型為正弦曲線，并且給出了擬合結果和殘差分布結果，驗證了該方法的合理性和可行性。

2.1 最優(yōu)焊道間隔的建模計算

相鄰焊道的間隔對于成形面的平整度有著較大的影響[10]。相鄰焊道理想搭接狀態(tài)模型如圖2所示，焊道在與前一道搭接時，液態(tài)金屬在表面張力、重力及電弧力等作用下，搭接處表面會收縮形成曲面，S1和S2分別為焊道搭接重熔部分面積和補充至搭接處凹陷區(qū)域的重熔部分面積，為簡化計算，作如下假設：1)搭接后表面為理想曲面，成形軌跡截面輪廓數(shù)學模型為正弦曲線；2)相同時間內(nèi)進入熔池的焊絲量相等且飛濺忽略不計，即熔化的絲材全部用于形成熔池；3)不考慮熱輸入量和相鄰焊道的相互作用對焊道截面幾何特征的影響，即成形過程中不同焊道截面輪廓具有一致性。

圖2 相鄰焊道理想搭接狀態(tài)模型

在理想搭接狀態(tài)下，S1=S2，

2.2 最優(yōu)層間高度的計算

圖3為理想狀態(tài)下重熔區(qū)及層間高度計算模型。在堆積過程中，重熔區(qū)的金屬在重力及表面張力的作用下向兩側流淌，理想狀態(tài)下層間截面重熔區(qū)面積與兩側堆積面積相等理想狀態(tài)下，層間截面重熔區(qū)面積與兩側堆積面積相等，即

圖3 理想狀態(tài)下重熔區(qū)及層間高度計算模型

SΔABC=SΔCDE+SΔBFG,

因此

3 結果與分析

3.1 最優(yōu)焊道間隔試驗驗證及分析

由相鄰焊道理想狀態(tài)搭接模型計算得到理想狀態(tài)下最優(yōu)相鄰焊道間隔為焊道熔寬W的2/π倍，取相鄰焊道中心距L分別為W/2、3W/5、2W/π和2W/3進行搭接試驗，焊接電流為180 A，送絲速度為6.2 m/min，焊接速度為0.6 m/min，焊縫形貌如圖4所示。

圖4 不同中心距焊道搭接形貌

將成形試樣橫向切割、研磨，測量并記錄焊道截面相關數(shù)據(jù)，結果如表2所示。

可以看出:在該試驗條件下焊道搭接成形時，為了獲得較高的表面平整度，最優(yōu)焊道間隔略小于理論計算值，這是由于CMT焊接工藝低熱輸入的特點,導致在成形過程中熔池存在時間較短，重力、表面張力及電弧力等作用時間不長，而熔融金屬黏度較大，流動性差，不足以將焊道間凹陷部分填充。在實際的成形過程中，以建模計算參數(shù)為參考，開始階段由于熱量積累較少，可適當減小搭接間隔，以保證表面平整，隨著熱量積累增多，最優(yōu)搭接間隔向建模計算值趨近。

表2 試樣表面最大高度差

3.2 最優(yōu)層間高度試驗驗證及分析

取焊接電流為230 A、熔寬W=8 mm、余高L=6 mm的成形焊道為主要研究對象，進行最優(yōu)層間高度驗證，由最優(yōu)層間高度計算模型得到焊槍抬升高度h=3.8 mm，為了保證零件成形效果，提高表面精度，選用梯度遞減電流值，同時對其他相關參數(shù)作出適應性調(diào)整，具體參數(shù)如表3所示。

表3 CMT焊接快速成形工藝參數(shù)

在實際堆積過程中，隨著積累層數(shù)不斷增加，熱量不斷積累，焊縫形貌的穩(wěn)定性受到影響，層間高度和搭接率難以控制，大大降低了成形精度。為了防止成形過程中由于熱量過度積累而造成難以成形的問題，除了采取一定方法散熱外，降低焊接電流以達到減少熱量輸入也是一種有效的方法，而由于CMT焊接過程中焊絲熔化速度與送絲速度的穩(wěn)定平衡，隨著電流的減小，焊絲熔化量減少，焊道高度相應降低。因此，在多層堆積開始階段，最優(yōu)層間高度與計算值一致，隨著采用梯度遞減電流來控制熱量輸入，層間高度也應逐漸降低。同時，為了消除焊接起弧時熔池鋪展不開和收弧時的弧坑現(xiàn)象，可以采用增大起弧電流和延遲收絲以及往復堆積的方法，從整體上消除起弧、收弧時成形效果差的影響。圖5為成形的單壁墻，共堆積20層，表面平整度較好，說明采用精確計算的層間高度，同時控制輸入熱量的積累，結合合理的工藝選擇，能夠成形精度較好的薄壁零件。

圖5 CMT焊接快速成形單道多層零件

4 結論

本文通過數(shù)學建模的方法得到了基于CMT焊接快速成形中最優(yōu)相鄰焊道間隔和層間高度，并進行了試驗驗證與分析，計算結果可為后續(xù)的研究應用提供參數(shù)支持和理論依據(jù)。下一步將以該研究為基礎，在成形工藝選擇、顯微組織特征及性能之間的關系建立方面開展研究。

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