(1.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150000)

一、前言

增材制造又稱(chēng)3D打印技術(shù)，它是基于離散、堆積的思想，通過(guò)切片軟件對(duì)目標(biāo)零件的三維立體模型進(jìn)行分層切片處理，然后以逐層熔敷的方式而實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的直接制造[1]，它的最大的優(yōu)勢(shì)在于減少了工序，縮短了加工周期，大大節(jié)約了原材料[2]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于銅及銅合金增材制造工藝方面的研究較少，鋁青銅具有優(yōu)良的延展性、減摩性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，已經(jīng)在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[3]，由于CMT(Cold Metal Transfer)焊接技術(shù)可以降低焊接過(guò)程的熱輸入量，避免了熔滴飛濺，焊接過(guò)程穩(wěn)定性較好，焊縫可以獲得良好的性能[4-5]，本文在CMT快速成形技術(shù)的背景之下，探究了各種工藝參數(shù)對(duì)鋁青銅增材制造成形精度的影響。

圖1 電弧增材制造系統(tǒng)

二、材料及方法

試驗(yàn)所使用的電弧增材設(shè)備為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為RCU 5000i CMT Advanced的焊接電源以及瑞士ABB集團(tuán)生產(chǎn)的型號(hào)為ABB IRB 1600ID的六軸機(jī)器人，如圖1所示。設(shè)置送絲速度、增材速度、層間冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)作為基礎(chǔ)變量，研究了工藝參數(shù)對(duì)薄壁墻體增材試樣成形精度的影響。其中焊接電流和焊接電壓由焊接電源中的專(zhuān)家系統(tǒng)自動(dòng)匹配，只需調(diào)節(jié)送絲速度，焊接電流和焊接電壓會(huì)聯(lián)動(dòng)變化。

試驗(yàn)使用4.5mmx60mmx100m的304鋼板作為基板，直徑1.2mm鋁青銅焊絲作為填充的增材材料，化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)之前采用角磨機(jī)打磨基板來(lái)去除表面的氧化膜，隨后運(yùn)用酒精來(lái)清理基板表面的油污。增材路徑劃為往復(fù)方向，成形長(zhǎng)度9cm、高度21層的薄壁型墻體試樣，焊絲干伸長(zhǎng)12mm，保護(hù)氣為純氬氣，保護(hù)氣流量15L/min，焊槍每層抬高1.8mm。

表1 鋁青銅焊絲化學(xué)成分(wt.%)

利用線切割機(jī)從增材墻體上切取試樣，切取位置如圖2所示。

圖2 金相試樣截取位置示意圖

為了便于對(duì)不同工藝下增材制造試樣組織及性能的分析，下文主要是基于控制變量法，應(yīng)用表2的工藝參數(shù)對(duì)墻體試樣進(jìn)行成形試驗(yàn)。

表2 單道多層墻體成形工藝參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3分析層間冷卻冷卻時(shí)間對(duì)增材試樣成形精度的影響，通過(guò)試驗(yàn)5、試驗(yàn)4、試驗(yàn)3分析增材速度對(duì)增材試樣成形精度的影響，通過(guò)試驗(yàn)4、試驗(yàn)6、試驗(yàn)7分析送絲速度對(duì)增材試樣成形精度的影響。

三、結(jié)果與分析

(一)工藝參數(shù)對(duì)試樣成形的影響

在圖4中展示了在不同工藝下增材墻體金相試樣的截面形貌，切取位置如圖2所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，雖然增材工藝不同，但是這些試樣的成形特征整體具有一致性。其中試樣底端最初的幾層焊縫都頗為狹窄，因?yàn)樽畛鯉讓雍缚p熔敷時(shí)，其散熱的主要方式是借助于基板來(lái)實(shí)現(xiàn)，整體散熱速度比較快，使得焊縫的鋪展變得比較不充分，進(jìn)而導(dǎo)致最初的幾層焊縫成形較窄；增材成形件是采取逐層熔敷金屬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，側(cè)面會(huì)存在一定程度的波動(dòng)，所以通過(guò)圖4可以看出在層與層之間會(huì)有明顯的側(cè)壁紋路特征。使用游標(biāo)卡尺對(duì)金相試樣的高度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)，不同的工藝參數(shù)對(duì)試樣的高度也有不同的影響，層間冷卻時(shí)間較長(zhǎng)和焊接熱輸入較大的試樣整體高度偏大。

(1)號(hào) (2)號(hào) (3)號(hào)

(4)號(hào) (5)號(hào) (6)號(hào)

(7)號(hào)

由于目前還沒(méi)有統(tǒng)一的判斷增材制造試樣成形好壞的標(biāo)準(zhǔn)，文章中通過(guò)定義垂直偏差度來(lái)測(cè)量試樣在垂直方向的精度，用此垂直偏差度的數(shù)值作為判斷增材墻體成形精度的標(biāo)準(zhǔn)。首先對(duì)金相試樣的截面圖片通過(guò)MATLAB程序語(yǔ)言編譯，經(jīng)過(guò)二值化處理之后，提取出外輪廓截面信息。然后將輪廓圖像導(dǎo)入VISIO軟件，在試樣輪廓頂端圓弧過(guò)渡區(qū)域畫(huà)一條和基板平行的直線，然后依次在截面兩側(cè)紋路輪廓最外側(cè)位置作切線，使切線垂直于基板表面，同時(shí)與頂端直線相交，確定試樣輪廓外接矩形。為了可以定量的描述墻體截面的成形精度，選取該外接矩形寬度的中線建立笛卡爾坐標(biāo)系，定義試樣輪廓外接矩形的中線橫坐標(biāo)μ=0，利用VISIO軟件標(biāo)尺功能參考游標(biāo)卡尺測(cè)量的試樣高度進(jìn)行等比例計(jì)算，求出試樣外輪廓中線每個(gè)點(diǎn)橫坐標(biāo)xi，定義試樣垂直偏差度σ為

計(jì)算出在不同工藝下增材試樣的垂直偏差度，通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)保持不變時(shí)，增加層間冷卻時(shí)間會(huì)減少試樣的垂直偏差度，即可以提高增材墻體的成形精度，但是在合理的層間冷卻時(shí)間內(nèi)，其對(duì)成形影響不是特別大，垂直偏差度數(shù)值在0.087—0.276之間。對(duì)比增材速度對(duì)成形精度的影響，當(dāng)增材速度增加時(shí)，試樣的垂直偏差度有所減小，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增材速度增加到11mm/s時(shí)垂直偏差度為0.087，成形精度變得非常理想，可以得出，當(dāng)增材速度為11mm/s時(shí)焊接熱輸入較小，由于熔池的溫度比較低，不會(huì)使熔池金屬向墻體側(cè)壁流淌而逐漸形成墻體傾斜的現(xiàn)象，所以成形較好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，送絲速度對(duì)垂直偏差度值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，波動(dòng)性較大。

表3 垂直偏差度值

四、結(jié)論

利用MATLAB軟件提取增材試樣的外輪廓，定義垂直偏差度來(lái)判斷其成形精度。結(jié)果表明，隨著層間冷卻時(shí)間的增加，增材試樣的成形精度有所改善，但是影響較??；在增材速度較小范圍內(nèi)時(shí)，成形精度隨著增材速度的增大略有增加，當(dāng)增材速度增大到11mm/s時(shí)成形精度顯著提高；另外，送絲速度對(duì)增材試樣的成形精度影響波動(dòng)性很大，規(guī)律不明顯。