張弛　沈忱　李芳　程思遠(yuǎn)　楊煜哲　華學(xué)明　唐彬

摘要：聚焦基于變極性冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）的鋁合金熔絲增材制造成形表面平整度，以一元化焊接送絲速度和橫向相鄰焊縫中心間距為變量，進(jìn)行單層多道增材，通過(guò)結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)精確測(cè)量增材樣品表面形狀并使用平面擬合處理重構(gòu)數(shù)據(jù)，定量計(jì)算增材表面高度方向上的極差和標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增大送絲速度可以減少堆焊魚(yú)鱗紋造成的偏差，但會(huì)引起焊道相對(duì)不穩(wěn)定，致使增材樣品表面總體平整度較差;而相鄰焊縫中心間距與單道焊縫寬度的最佳比值與實(shí)際焊接工藝有關(guān)，僅靠曲線擬合單道焊縫形狀和建立重疊模型不能計(jì)算預(yù)判所有焊接工藝條件下增材制造的成形質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：熔絲電弧增材制造;變極性冷金屬過(guò)渡;三維掃描;表面平整度

中圖分類號(hào)：TG457.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0053-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.11

0 前言

熔絲電弧增材制造是一種以電弧為熱源，焊絲為增材材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用逐層熔覆的原理制造三維構(gòu)件的技術(shù)。其成形構(gòu)件具有成本低、組織致密、增材全密度、機(jī)械性能優(yōu)良的特點(diǎn)，隨著航空、航天和汽車(chē)等一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)饘倭慵圃煲蟮牟粩嗵岣撸捎萌劢z電弧增材制造成為新的趨勢(shì)[1-3]。

提高電弧增材制造構(gòu)件的成形質(zhì)量對(duì)熔絲電弧增材制造的進(jìn)一步發(fā)展尤為重要，其中每層成形表面的平整度對(duì)構(gòu)件整體質(zhì)量有很大影響。研究表明，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝和調(diào)整焊道之間的幾何關(guān)系等可以有效提高表面平整度[4]。Yong Cao[5]等人通過(guò)對(duì)比logistic函數(shù)、高斯函數(shù)、拋物線函數(shù)、正弦函數(shù)，得出使用正弦函數(shù)擬合單道焊縫截面輪廓時(shí)誤差最小，并使用平頂重疊模型計(jì)算出相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的63.66%時(shí)增材堆積表面平整度最高。Xiong Jun[6]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出送絲速度與焊接速度的比值不同會(huì)導(dǎo)致函數(shù)擬合誤差不同，當(dāng)比值大于12.5時(shí)，使用拋物線模型擬合最準(zhǔn)確，相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的66.67%時(shí)表面平整度最高。Donghong Ding[7]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出拋物線和正弦函數(shù)都能很好地?cái)M合焊縫截面輪廓，并且實(shí)驗(yàn)中相鄰焊縫無(wú)法達(dá)到理想的平頂重疊模型，采用切線重疊模型則能獲得更好的平整度，通過(guò)拋物線函數(shù)擬合計(jì)算出相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的73.8%時(shí)表面平整度最佳。Yongzhe Li[8]等人的實(shí)驗(yàn)表明，由于熔滴的擴(kuò)散行為，實(shí)際堆積得到的焊縫中心間距與計(jì)算值存在偏差，并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)此偏移距離，優(yōu)化表面平整度。

本研究基于變極性冷金屬過(guò)渡（Advanced cold metal transfer，Advanced CMT）技術(shù)的鋁合金熔絲電弧增材制造單層堆積成形表面平整度。以一元化焊接送絲速度和相鄰焊縫中心間距兩個(gè)最基礎(chǔ)的參數(shù)為變量，進(jìn)行單層多道增材實(shí)驗(yàn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)光對(duì)樣品進(jìn)行三維重構(gòu)，定量計(jì)算成形表面高度方向上的極差和標(biāo)準(zhǔn)差，分析焊接參數(shù)對(duì)增材制造表面平整度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 單層多道增材實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)器人熔絲電弧增材制造系統(tǒng)如圖1所示，包括YASKAWA機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、Fronius CMT Advanced焊機(jī)（焊接電源、送絲系統(tǒng)）、固定在機(jī)器人末端的焊槍和焊接工作平臺(tái)。與熔化極氣體保護(hù)焊（Gas metal arc welding，GMAW）和傳統(tǒng)冷金屬過(guò)渡焊（CMT）相比，Advanced CMT的熱輸入量更低、熔覆效率和焊接穩(wěn)定性更高，非常適用于鋁合金增材制造。

采用直徑1.2 mm的ER4043鋁合金焊絲，基板為250 mm×250 mm×10 mm的5754鋁合金板，兩種材料的化學(xué)成分如表1所示。保護(hù)氣體為純氬氣，氣流量15 L/min，干伸長(zhǎng)度14 mm。

按照?qǐng)D2所示路徑進(jìn)行單層多道堆積，采用連續(xù)增材不?；〉姆绞?，長(zhǎng)邊焊接時(shí)機(jī)器人行走速度為30 cm/min，為減少短邊處多余材料的堆積并保持連續(xù)增材，短邊時(shí)機(jī)器人行走速度為90 cm/min。實(shí)驗(yàn)變量為送絲速度和焊縫中心間距，根據(jù)鋁合金變極性CMT合理焊接參數(shù)和切線重疊模型計(jì)算得到的相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的73.8%，選擇7.0 m/min的焊接速度和5.166 mm的焊縫中心間距為中心值，分別設(shè)置3個(gè)水平。選取送絲速度分別為6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min，焊縫中心間距分別為5.026 mm、5.166 mm、5.306 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得送絲速度與單道焊縫寬度和焊縫間距的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

1.2 三維掃描重構(gòu)及表面平整度計(jì)算

使用CREAFORM公司HandySCAN 3D掃描儀對(duì)增材樣品進(jìn)行三維重構(gòu)，掃描精度0.02 mm。掃描完成后從軟件平臺(tái)獲得STL格式的文件，STL模型在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其使用三角形面片來(lái)模擬物體表面。本文通過(guò)Geomagic軟件對(duì)STL文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所有樣品選取一個(gè)固定區(qū)域，將該區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行平面擬合并計(jì)算極差和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中送絲速度分別為6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min，由于送絲速度的改變是在一元化焊接模型下，隨著送絲速度的提高，焊接電流和電壓升高，單位時(shí)間內(nèi)的熔敷量增加，單道焊縫寬度增大。在一定范圍內(nèi)提高送絲速度有利于提高增材效率，但過(guò)大的送絲速度會(huì)造成熱輸入量過(guò)大，影響增材件的成形質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)獲得的9個(gè)樣品如圖3所示。可以看出，送絲速度為6.5 m/min時(shí)，樣品表面鱗紋非常明顯，焊道穩(wěn)定性強(qiáng);送絲速率為7.5 m/min時(shí)，由于熱輸入較大，焊道穩(wěn)定性下降，進(jìn)而導(dǎo)致堆積層表面魚(yú)鱗紋不均勻。

通過(guò)定量計(jì)算，送絲速度為6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min時(shí)，單道焊縫穩(wěn)定位置魚(yú)鱗紋造成的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.100 mm、0.084 mm、0.068 mm?？梢?jiàn)，變極性CMT增材制造表面產(chǎn)生的魚(yú)鱗紋所造成的標(biāo)準(zhǔn)差隨送絲速度的增大而減小，但由于送絲速度變大會(huì)造成焊道不穩(wěn)定，如駝峰現(xiàn)象明顯，需計(jì)算表面整體平整度。

通過(guò)三維掃描得到STL模型并使用Geomagic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為了避免起弧和熄弧位置起伏對(duì)平整度的比較產(chǎn)生影響，每個(gè)樣品都選擇排除堆積層邊緣與有缺陷的位置，只取合理表面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理評(píng)估平整度。加入色階來(lái)體現(xiàn)增材表面各點(diǎn)與擬合平面的相對(duì)高度，如圖4所示。

可以看出，高出擬合平面的點(diǎn)大部分分布在每道焊道中心位置，低于擬合平面的點(diǎn)大部分分布在相鄰焊道結(jié)合的低谷處，但各點(diǎn)分布不完全均勻，在焊道位置存在駝峰。對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行平面擬合并計(jì)算極差和標(biāo)準(zhǔn)差。極差為所有點(diǎn)到擬合平面的距離極大值，標(biāo)準(zhǔn)差為所有點(diǎn)到擬合平面距離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在相鄰焊縫中心間距一定的情況下，送絲速度為6.5 m/min時(shí)增材表面平整度較好。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)提高送絲速度、增大熱輸入量時(shí)，極差和標(biāo)準(zhǔn)差都有所增大，說(shuō)明雖然較不明顯的魚(yú)鱗紋對(duì)平整度有利，但高熱輸入量造成的焊道不穩(wěn)定缺陷更為顯著。在送絲速度為7.0 m/min的情況下，焊縫中心間距與單道焊縫寬度比值為0.758時(shí)的平整度優(yōu)于比值為0.738時(shí)的，說(shuō)明通過(guò)拋物線和切線重疊模型計(jì)算出的最佳比值0.738并不適用于本實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)增材表面平整度計(jì)算的結(jié)果。

送絲速度為7.5 m/min時(shí)，3組焊縫中心間距與單道焊縫寬度比值還未達(dá)到最佳值，說(shuō)明通過(guò)平頂模型計(jì)算出的最佳比值0.667同樣不適用于本實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果。若只考慮焊縫中心間距與單道焊縫寬度比值對(duì)平整度的影響，通過(guò)計(jì)算增材樣品表面平整度，如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)條件下的最佳比值范圍為0.758～0.840，不同焊接工藝對(duì)應(yīng)的最佳比值不同。

3 結(jié)論

本文研究了基于變極性冷金屬過(guò)渡（Advanced CMT）技術(shù)的鋁合金電弧增材制造成形表面的平整度，通過(guò)三維重構(gòu)和平面擬合等方法，以送絲速度和相鄰焊縫中心間距為變量，定量計(jì)算了單層多道增材表面的平整度，得到以下結(jié)論：

（1）在一定范圍內(nèi)，當(dāng)送絲速度提高、熱輸入量增大時(shí)，焊道相對(duì)不穩(wěn)定，整體平整度較差。

（2）不同焊接工藝下焊縫中心間距與單道焊縫寬度的最佳比值不同，焊道的駝峰現(xiàn)象、多道焊縫之間的相互作用都會(huì)影響平整度，對(duì)雙道焊縫建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的最佳比例不適用于所有焊接工藝，對(duì)多道增材表面平整度進(jìn)行計(jì)算更符合實(shí)際情況。

（3）本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變焊接參數(shù)，并定量計(jì)算單層多道增材表面的平整度，得出送絲速度為6.5 m/min，焊縫中心間距與單道焊縫寬度的比值為0.817是最佳值?？梢?jiàn)，對(duì)于Advanced CMT技術(shù)而言，需要新的單道堆積模型來(lái)輔助相應(yīng)的增材堆積。所以，當(dāng)改變?nèi)劢z電弧增材制造堆積工藝時(shí)，所有單道形狀模型均需進(jìn)行針對(duì)具體工藝的研究，熔絲電弧增材制造成形質(zhì)量與精度的研究與工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立還有很大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 耿海濱，熊江濤，黃丹，等. 絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 焊接，2015（11）：17-21，69.

[2] 熊俊，薛永剛，陳輝，等. 電弧增材制造成形控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電焊機(jī)，2015，45（9）：45-50.

[3] 王鈺，王凱，丁東紅，等. 金屬熔絲增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電焊機(jī)，2019，49（1）：69-77，123.

[4] 肖文磊，李志豪，馬國(guó)財(cái)，等. 鋁合金電弧增材制造成形質(zhì)量研究[J]. 機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2019（1）：22-26.

[5] Cao Y，Zhu S，Liang X，et al. Over-lapping model of beadsand curve fitting of bead section for rapid manufacturingby robotic MAG welding process[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2011，27（3）：641-645.

[6] Xiong J，Zhang G，Gao H，et al. Modeling of bead sectionprofile and overlapping beads with experimental validationfor robotic GMAW-based rapid manufacturing[J]. Roboticsand Computer-Integrated Manufacturing，2013，29（2）：417-423.

[7] Ding D，Pan Z，Cuiuri D，et al. A multi-bead overlappingmodel for robotic wire and arc additive manufacturing（WAAM）[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufac-turing，2015（31）：101-110.

[8] Yongzhe Li，Yunfei Sun，Qinglin Han，et al. Enhanced beadsoverlapping model for wire and arc additive manufacturingof multi-layer multi-bead metallic parts[J]. Journal of Ma-terials Processing Tech.，2018（252）：838-848.