王華峰，來五星，張海鷗，王桂蘭

(1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點試驗室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與裝備國家重點試驗室，湖北 武漢 430074)

增材制造技術(shù)經(jīng)過近些年的發(fā)展，從依據(jù)粘接原理開發(fā)的疊層成形技術(shù)(FOM)逐漸發(fā)展到光固化成形技術(shù)(SLM)，再發(fā)展到以電弧、電子束及激光等高能束為熱源的增材制造技術(shù)，實現(xiàn)了有機材料、無機非金屬材料和金屬材料產(chǎn)品的快速制造[1-2]。其中，電弧增材制造技術(shù)以廉價高效的電弧逐層堆焊方式成形金屬實體構(gòu)件，其熔積效率是基于激光和電子束增材制造技術(shù)的5～10倍，能量利用率可達到后者幾倍到幾十倍，適用于大型簡單構(gòu)件制備與大眾化普及[3-4]。

電弧增材制造尺寸精度的控制是生產(chǎn)制造的難點。英國諾丁漢大學(xué)Spencer等[5]以六軸機器人為運動平臺，基于溫控裝置實現(xiàn)了焊接熱輸入的在線調(diào)節(jié)，成功降低GMAW成形零件表面粗糙度。Ouyang等[6]采用變極性GTAW工藝成形5356鋁合金零件，通過基板預(yù)熱、焊接弧長的監(jiān)控及焊接熱輸入的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)成形件幾何尺寸的精準(zhǔn)控制。Cranfield大學(xué)Almeida等[7]利用磁控穩(wěn)弧技術(shù)控制熱輸入及熔池擾動，獲得了成形表面質(zhì)量較高的多道單層薄壁構(gòu)件。趙孝祥等[8]分析了增材成形過程中MIG熔滴過渡、焊接參數(shù)及軌跡過渡方式對熔積層尺寸的影響，結(jié)果表明，成形路徑對成形精度有很大的影響，為了控制成形零件的成形精度，需要精確調(diào)節(jié)不同路徑過渡處焊接參數(shù)。H. Geng等[9]以5A06鋁合金電弧增材制造為例，探討了獲得良好成形條件下的曲率半徑與焊寬之間的關(guān)系，例如，當(dāng)熔積層寬度為7.2 mm時，成形軌跡的極限曲率半徑是10 mm。盡管國內(nèi)外學(xué)者對電弧增材制造尺寸精度優(yōu)化做了大量研究，但復(fù)雜零件成形軌跡不僅是單一的直線，通常包含有圓弧及拐角等特征軌跡[10]，其中圓弧軌跡的曲率對增材制造成形形貌的影響，國內(nèi)外還未見相關(guān)報道?；诖?，本文基于機器人MIG電弧增材制造技術(shù)，分析不同成形軌跡條件下的電弧形態(tài)及熔池流動特征，并重點探討了成形軌跡曲率對熔積層形貌尺寸的影響，為增材制造的多曲率成形軌跡優(yōu)化打下良好基礎(chǔ)。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料為ER316L不銹鋼焊絲，絲徑為1.0 mm，焊絲化學(xué)成分見表1?；鍨?5 mm厚的Q235軋制鋼板。試驗設(shè)備為安川MS80機器人及SAF焊機、高速攝像PELICAN 1560 CASE、線切割機等。

表1 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

1.2 試驗方法

為了探究軌跡曲率對熔積層形貌尺寸的影響，保持送絲速度6.5 m/min不變，分別設(shè)定焊接速度為300、600和900 mm/min，熔積得到不同曲率下的焊道。

為了避免干擾因素對成形形貌的影響，保持保護氣流量、焊槍到基板的距離、焊槍姿態(tài)以及基板溫度等影響因素一致，試驗選用保護氣流量為18 L/min，焊槍到基板的距離為10 mm，焊槍垂直于基板，基板溫度為25 ℃。利用高速攝像垂直焊道橫截面拍攝電弧形態(tài)及熔滴過渡，堆焊結(jié)束后沿焊道中部徑向方向用線切割切取每道焊道，將不同水平下的焊道沿橫截面切開取樣，每個焊道選擇3個區(qū)域取樣，對截面研磨拋光后，拍攝焊道并提取直線及曲線軌跡截面輪廓(見圖1)，計算所獲得焊道熔寬與余高的平均值。

圖1 焊道截面尺寸示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 電弧形態(tài)及熔滴過渡分析

保持其他工藝參數(shù)不變，利用高速攝像拍攝成形軌跡分別為直線與曲率半徑為30 mm時的電弧形態(tài)及熔滴過渡(見圖2)。由圖2可知，當(dāng)自由熔積成形軌跡為直線時，電弧形態(tài)沿焊絲軸線兩側(cè)基本呈正態(tài)分布，熔滴過渡表現(xiàn)為大滴過渡特征；當(dāng)成形軌跡為曲線時，電弧在靠近圓弧內(nèi)側(cè)部分出現(xiàn)一定程度的收縮現(xiàn)象，呈偏態(tài)分布，熔滴過渡表現(xiàn)為大滴排斥過渡。

圖2 不同成形軌跡下高速攝像

由電磁學(xué)的基本理論分析可知，焊接電弧是電極和熔池之間的柔性氣體導(dǎo)體，在焊接過程中，在電極和電弧周圍及被焊金屬中產(chǎn)生磁場。熔積模型完全對稱情況下，中心電流無橫向偏轉(zhuǎn)，因此軸心電磁力合力應(yīng)為零[11-12]；對于非對稱結(jié)構(gòu)，如果這些磁場非對稱地分布在電弧周圍，中心電流有一定的偏轉(zhuǎn)，電磁力的合力不為零，使電弧偏斜，即磁偏吹效應(yīng)[13]。

在機器人MIG電弧增材熔積成形曲率軌跡過程中，焊接時不僅電流通過焊絲與電弧在空間產(chǎn)生磁場，通過已熔敷焊道的電流也會在空間中產(chǎn)生磁場，使得左側(cè)電弧空間磁場疊加后磁力線密度大于右側(cè)，在電弧周圍磁力線密度分布不均勻。磁力線密度大的地方產(chǎn)生對電弧的推力，大于并指向磁力線密度小的地方，使電弧偏離焊絲軸向，表現(xiàn)為偏態(tài)分布。電弧磁偏吹示意圖如圖3所示。

圖3 電弧磁偏吹示意圖

2.2 曲率對熔積層尺寸的影響

電弧增材制造成形過程中，熔積層寬度決定多道搭接關(guān)系，熔積層高度決定多層堆焊高度，最終影響成形件的尺寸精度。試驗結(jié)果見表2，由表2可以看出，盡管曲率半徑變化不大，但依然對熔積層形貌尺寸有明顯的影響。

表2 試驗方案及試驗結(jié)果

2.2.1 曲率對熔積層熔寬的影響

曲率對熔積層寬度尺寸的影響如圖4所示。由圖4可知，對不同焊接速度條件下的熔積層成形尺寸而言，隨著曲率半徑的減小，即成形軌跡曲率逐漸增大，熔寬呈增大的趨勢。這是由于相較于直線軌跡，成形曲線軌跡過程中，已熔積焊道對當(dāng)前焊接電弧的磁偏吹效應(yīng)，使電弧形態(tài)沿圓弧徑向方向伸展；此時熔滴受到電弧形態(tài)變化的影響，在表面張力、電磁力及重力等共同作用下，熔滴脫離焊絲端部及滴落過程中有沿圓弧徑向方向的位移，由大滴過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮闻懦膺^渡，在二者共同作用下使熔積層寬度增大，且隨著曲率的增大，在電弧形態(tài)及熔滴過渡的作用下，熔積層寬度越寬。

圖4 曲率對熔積層熔寬的影響

2.2.2 曲率對熔積層余高的影響

對于曲率軌跡成形熔積層余高的影響，在其他因素保持不變的情況下，焊道余高會因熔寬的增大而減小，而曲率對余高的影響需要做進一步的分析(見圖5)。受到電弧形態(tài)及熔滴過渡的影響，焊道截面最高點與指狀熔深最低點并非在同一豎直面上，焊道外輪廓也非左右對稱分布，這是由于靠近圓心一側(cè)電弧電磁力升高，液態(tài)熔池受到左側(cè)電磁力FL大于右側(cè)電磁力FR。液態(tài)金屬除沿圓弧焊道切向向后流動外，還在電磁力推動下沿圓弧徑向流動，從而使余高增大；所以，曲率對余高的影響應(yīng)該是上述2個方面因素的疊加，表現(xiàn)為焊道余高變化趨勢雖存在波動，整體隨著曲率的增加而增大。

圖5 曲率對熔積層余高的影響

3 結(jié)語

通過上述研究得出如下結(jié)論。

1)電弧增材熔積成形曲線軌跡時，由于磁偏吹效應(yīng)，使電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)，影響電弧形貌及熔滴過渡。

2)隨著電弧熔積成形軌跡曲率的增大，熔積層寬度逐漸變寬；熔積層高度受到熔寬變化及熔池流動等綜合因素的影響，變化趨勢略有波動，整體隨著曲率的增大而增高。

在電弧增材熔積成形過程中，成形軌跡曲率對熔積層形貌尺寸具有顯著的影響。本文分析了軌跡曲率與熔積層尺寸的關(guān)系，為高效低成本電弧增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。