殷子強,成巍,王寧,赫長平

(1. 濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 濟南 250022；2. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟南 250103；3. 中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710077)

隨著計算機和機器人控制技術(shù)的發(fā)展，自動化、智能化已經(jīng)成為再制造工程重要的發(fā)展方向，機器人焊接作為失效零件增材再制造的重要技術(shù)手段，逐漸成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點[1-4]?；跈C器人焊接的增材再制造過程一般包括以下4個模塊[5-6]：(1) 預(yù)處理模塊。對零件進行再制造可行性研究以及完成零部件拆卸、分類和清洗等準(zhǔn)備工作。(2) 建模模塊。掃描零部件表面的三維信息，通過對數(shù)據(jù)的擬合得到零件實體模型，并對模型作分層切片處理。(3) 參數(shù)規(guī)劃模塊?；趯用嫘畔⑦M行路徑規(guī)劃和工藝參數(shù)規(guī)劃。(4) 熔覆成形模塊。由機器人程序控制，按最優(yōu)參數(shù)在實時監(jiān)控情況下進行輪廓填充和熔覆工作直至再制造過程結(jié)束。

在實際應(yīng)用中，建立熔覆參數(shù)與熔覆尺寸之間的映射關(guān)系是規(guī)劃增材再制造分層厚度、優(yōu)化熔覆路徑的前提和基礎(chǔ)[6]。另一方面，大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，增材再制造零件成形表面平整度對熔覆層的致密度、機械性能等形狀和性能指標(biāo)均有顯著的影響[7]。因此針對熔覆過程中焊接工藝參數(shù)對熔覆成形截面形狀的影響規(guī)律進行研究，獲得優(yōu)化的失效零件增材再制造參數(shù)，是保證機器人焊接增材再制造質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。

梁媛媛等[8]分析比較了不同焊道重疊量的焊接效果，并以此為根據(jù)設(shè)計了指導(dǎo)再制造工作的軟件。烏日開西·艾依提等[9]對微束等離子弧焊接的成形軌跡間搭接參數(shù)進行了研究，分析了搭接參數(shù)對成形件性能的影響。胡瑢華[10]采用圖像處理法對成形件的截面圖進行分析處理，提出了熔焊成型件表面成形質(zhì)量評價體系。徐建寧等[11]研究了TIG(tungsten inert gas)熔焊成形中焊接工藝與焊縫幾何尺寸的關(guān)系。分析上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前常用的路徑規(guī)劃方法多為基于幾何圖形特征的路徑規(guī)劃，其規(guī)劃目標(biāo)涉及成型件表面質(zhì)量、內(nèi)部組織以及路徑長度等多個方面。但基于機器人焊接的再制造過程是一個多參數(shù)、非線性、強耦合的復(fù)雜加工過程，若只對其某一方面進行優(yōu)化，在實際再制造過程中難以取得令人滿意的效果。

本文針對分層和堆積原理的機器人焊接再制造過程，以Q235B為增材再制造基體材料，以DHQ49-1(H08Mn2SiA)為熔覆材料，采用正交試驗的方法，綜合分析了機器人焊接再制造熔覆工藝參數(shù)對其成型截面平整程度的影響。

1 熔覆成形影響因素分析

熔覆焊道是機器人焊接增材再制造過程中的最基本單元。普通焊接結(jié)構(gòu)中，熔覆焊道的主要作用是滿足結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能；而在增材再制造過程中，熔覆焊道要同時起到恢復(fù)結(jié)構(gòu)件尺寸和滿足結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的雙重作用。在機器人焊接再制造過程中，相鄰焊道逐一相互搭接，微小的尺寸誤差會在增材再制造過程中被累積和放大，因此，機器人焊接增材再制造對焊道尺寸的要求更加嚴苛。

1.1 實驗條件與材料

硬件設(shè)備：奧太WMSE315R焊接電源、MOTOMAN焊接機器人、個人計算機各一臺。

軟件環(huán)境：Solidworks2016三維建模軟件、Visual Studio2017編程開發(fā)環(huán)境。

增材再制造基體材料：Q235B鋼板，尺寸120 mm×200 mm×10 mm,熔覆焊絲DHQ49-1(H08Mn2SiA)，焊絲直徑1.2 mm。

1.2 影響熔覆成形的工藝參數(shù)

實驗假設(shè)增材再制造基體在熔覆過程中無變形且均勻散熱。經(jīng)初步實驗，單層多道熔覆時選定的工藝參數(shù)為：熱絲電流80 A，焊接電流120～170 A，焊接速度100～300 mm/min，焊槍噴嘴到工件距離10～15 mm。由于熱量積累會帶來較大的焊道首尾高度誤差，因此在實驗過程中，每熔覆完一條焊道等待100 s，再焊下一道。由實驗測得的熱循環(huán)曲線如圖1所示，此時熔覆焊道的溫度已降至300 ℃以下。

圖1 單道焊縫熱循環(huán)曲線Fig.1 Thermal cycle curve of single weld pass

除上述焊接工藝參數(shù)外，影響機器人焊接增材再制造零件成形質(zhì)量的重要因素還包括：

(1)焊道偏移量(D)。 焊道偏移量是指平面相鄰兩條熔覆焊道的中心線之間的距離。研究表明，平焊焊道橫截面輪廓趨近于二次曲線[9]。當(dāng)焊道偏移量過小時，會導(dǎo)致熔覆金屬過度堆積，增材再制造熔覆層厚度在堆積處增大，影響成形質(zhì)量；當(dāng)焊道偏移量過大時，則相鄰焊道搭接量不足，導(dǎo)致增材再制造熔覆層出現(xiàn)“犁溝”形成形缺陷。因此，選擇合理的焊道偏移量是獲得良好再制造成形質(zhì)量的前提。

(2)焊接順序。機器人焊接再制造過程中，由于熱積累的作用，焊道起弧端的高度大于熄弧端的高度，逐層累積后會出現(xiàn)尾部塌陷現(xiàn)象，導(dǎo)致再制造過程中斷。為了防止出現(xiàn)尾部塌陷現(xiàn)象，本文采用相鄰兩層的焊道方向相反的方式進行焊接再制造，使焊道兩端的高度差相互抵消，從而提高機器人焊接再制造的成形質(zhì)量。

綜上，本文主要考慮的影響再制造零件焊接成形的因素包括焊接電流(I)、電弧電壓(U)、送絲速度(Vf)、焊接速度(VS)、焊槍噴嘴到工件距離(SCTWD)、焊道間偏移量(D)、焊接順序等。

實驗過程中熱絲電源采用等速送絲模式進行填絲，U與SCTWD直接相關(guān)，I與Vf直接相關(guān)。因此，本文首先對I與Vf、U與SCTWD進行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖2、3所示。由圖可知，U與SCTWD趨近于線性關(guān)系，而在I為160～180 A時，I與Vf存在一個躍變區(qū)。這與焊接電源控制送絲機的板卡特征有關(guān)，當(dāng)電流增大時，其產(chǎn)生的熱量(I2R)呈指數(shù)倍增加，而大部分熱量被焊絲吸收并形成熔滴，過渡到基體材料上。當(dāng)產(chǎn)生的熱量與焊絲熔化速度之間的平衡被打破時，送絲機控制板卡就會提高焊絲送進度，使其在新的平衡點實現(xiàn)穩(wěn)定送絲。

圖2 焊接電流與送絲速度匹配關(guān)系標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration of the relationship between the welding current and wire feed speed

圖3 噴嘴到工件距離與電弧電壓匹配關(guān)系標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration of the relationship between the SCTWD and welding arc voltage

1.3 熔覆成形尺寸的測量

本文采用圖像法對熔覆焊道的尺寸進行測量，通過熔覆焊道的橫截面尺寸反映熔覆成形情況。測量前需對熔覆焊道的截面尺寸與其宏觀金相圖像之間的關(guān)系進行標(biāo)定。如圖4中所示的標(biāo)尺在圖像中共占108個像素長度，其實際長度為1 mm,根據(jù)此比例即可計算熔覆焊道的實際尺寸。

圖4 焊道截面尺寸測量Fig.4 Measuring of the welding bead

焊道截面取樣參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》[12],舍棄熔覆焊道起弧、收弧端各25 mm，然后將剩余部分平均分為3段，在每一段的中點位置切取一個測量試樣，采用圖像法分別測量尺寸后，計算3個截面尺寸的平均值，作為該熔覆焊道成形尺寸的測量值。

1.4 熔覆焊道的數(shù)學(xué)模型

機器人增材再制造的每一層熔覆層可以認為是在指定平面內(nèi)的單層多道堆焊。如前所述，一般均勻散熱條件下，平焊焊道輪廓趨近于二次曲線。定義熔覆焊道的焊趾位置為坐標(biāo)原點，寬度方向和高度方向分別為坐標(biāo)系的X軸和Y軸。假設(shè)熔覆焊道的寬度為W，高度為H，則截面輪廓曲線：

y=ax2+bx+c，

(1)

根據(jù)上述假設(shè)，該輪廓線與X軸的交點分別為(0,0)和(W,0)，則有：

c=0，

(2)

aW2+bW=0，

(3)

y=H，

(4)

聯(lián)立式(2)～(4)有:

(5)

根據(jù)上述方程，對圖4中的焊道輪廓線進行擬合，結(jié)果如圖 5 焊道截面輪廓擬合曲線所示，與實際輪廓吻合良好，表明一條單獨的熔覆焊道形狀尺寸可以由其寬、高表示。

圖5 焊道截面輪廓擬合曲線Fig.5 Fitted curve ofthe weld bead cross profile

根據(jù)焊道截面輪廓曲線的特點可知，存在一個最優(yōu)的相鄰焊道間距可使增材再制造熔覆層中的相鄰焊道適當(dāng)交疊，從而使形成的熔覆層最為平整。如圖6所示為增材再制造熔覆層的形成過程示意圖，其中D為相鄰焊道偏移量，W1、W2分別為相鄰兩條焊道的寬度，在工藝參數(shù)和散熱條件相同的條件下，W1=W2=W。由圖6可知，最優(yōu)的D值應(yīng)使圖中面積S1等于面積S2，故D應(yīng)滿足W/2

圖6 機器人焊接增材再制造熔覆層形成過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the additive remanufacturing based on robot welding

2 實驗結(jié)果與分析

本文采用L25(56)正交表進行了優(yōu)化實驗，實驗過程中的熔覆順序均采用往復(fù)焊接，正交試驗中焊接電流、熔覆速度、噴嘴到工件距離、焊道偏移距離4個因素各水平的取值情況如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Value of factors in the orthogonal experiment

2.1 熔覆成形表面平整度影響因素分析

針對機器人焊接增材再制造過程的特點，本文從熔覆成形平整度方面分析上述因素的影響規(guī)律。

(1)單層熔覆高度。設(shè)熔覆層最大測量高度為hmax，最小測量高度為hmin， 則令單層熔覆高度為:

h=(hmax+hmin)/2。

(6)

(2)熔覆層平整度。在正交試驗獲得的熔覆層有的成形良好外觀比較平整，熔覆層平均厚度誤差小于0.2 mm，而也有一些熔覆層成形較差厚度參差不齊。因此，為了表征熔覆層成形狀況的差異，本文提出了平整度的概念：

δ=C×1/(hmax-hmin)，

(7)

其中，C為放大系數(shù)，本文取C=10。

可見，在同一實驗件上熔覆層的高度差異越大，即平整度δ越大，則視為該實驗件成形狀況越差，在有些實驗件上甚至出現(xiàn)基本無法成形的現(xiàn)象，則視這種情況下的平整度為0。根據(jù)前述實驗設(shè)計開展實驗，熔覆焊道的尺寸測量結(jié)果如表2正交試驗結(jié)果所示。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results

續(xù)表2

通過對以上實驗數(shù)據(jù)計算得到的實驗結(jié)果如圖7所示。為進一步研究各參數(shù)對再制造零件熔覆成形平整度的影響，對實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析表Table 3 Variance table analysis

圖7 優(yōu)化參數(shù)實驗結(jié)果Fig.7 Optimization parameters experimental results

通過F檢驗分析上述因素的顯著性[13-14]，取顯著水平α=0.05，查表得顯著性下臨界值F(0.05)為6.39，由此可知，焊道間偏移量和噴嘴到工件距離兩個因素對再制造熔覆層的平整度影響顯著。其中相鄰焊道間距的F值最大，其次為噴嘴到工件距離，焊接速度F值最小。這表明對熔覆層成形平整度影響最大的是焊道間偏移量，其次是噴嘴到工件距離，而熔覆速度的影響最小。同時，根據(jù)正交試驗結(jié)果確定最優(yōu)參數(shù)組合時，應(yīng)選取最顯著因素的優(yōu)水平，對于不顯著因素應(yīng)兼顧其他要求取適當(dāng)水平。根據(jù)表2中所示的實驗結(jié)果，當(dāng)平整度最優(yōu)，即δ= 71.42時，參數(shù)組合為I=160 A、VS=2.5 mm/s、SCTWD=13 mm、D=5 mm，增材再制造零件的熔覆層平整度最優(yōu)。

2.2 實驗驗證

將正交試驗獲得的最優(yōu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為機器人程序進行驗證，獲得結(jié)果如圖7所示。其熔覆平均高度2.32 mm，與理想模型誤差小于0.3 mm；平均寬度(L2與L5外側(cè)邊緣距離)62.54 mm，與理想模型誤差小于0.8 mm。上述實驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化機器人焊接增材再制造工藝參數(shù)，可使再制造熔覆速度提高10倍的條件下，熔覆層成形精度達到與微束等離子弧焊相當(dāng)?shù)乃絒9]。

分析誤差產(chǎn)生原因有以下兩點：(1) 由于熱量積累且無法完全消除，使得熄弧點高度稍低于起弧點高度；(2) 由于工件裝夾力作用在工件上，使得工件在裝夾點附近，與工作臺接觸牢靠，傳熱和散熱條件好；而在遠離裝夾點的位置，工件與工作臺之間存在虛連的情況，傳熱和散熱條件相對較差。這種散熱不均勻的情況使得同一條焊道尺寸前后發(fā)生變化。

3 結(jié)論

本文針對機器人焊接增材再制造，提出熔覆層平整度的概念，并采用正交試驗的方法，綜合分析了機器人焊接再制造熔覆參數(shù)諸因素對再制造熔覆層成形平整程度的影響。

(1)本文通過實驗研究了增材再制造對增材再制造熔覆層平整度諸因素的影響規(guī)律，結(jié)果表明相鄰熔覆焊道間距是最為顯著的影響因素。

(2)在本文實驗條件下，通過正交試驗獲得了一組最優(yōu)的機器人焊接增材再制造參數(shù)。

(3)由于熱積累和裝夾方式等因素引起一定的高度、寬度誤差，仍需進一步地研究相應(yīng)的控制策略。