南極熊深度解析——基于機(jī)器人堆焊增材制造工藝與方法研究

為了適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場日趨激烈的競爭環(huán)境，企業(yè)要在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)、加工與制造出來符合消費(fèi)者個(gè)性要求的產(chǎn)品。增材制造作為一種“自下而上”的制造方法，能滿足制造業(yè)對于零件的快速設(shè)計(jì)制造與加工過程柔性化的要求，因此近年來受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。 相比于其他幾種增材制造技術(shù)如SLS、FDM、LOM等，堆焊成形具有在低成本下生產(chǎn)組織致密且力學(xué)性能好的特點(diǎn)，因此該技術(shù)有望發(fā)展為面向民用市場大批量生產(chǎn)的增材制造技術(shù)。

但是，目前基于堆焊的增材制造技術(shù)研究還不夠深入，成形零件距能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求還有較大差距，其中主要體現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：
1) 由于堆焊工藝中弧坑塌陷造成的成形尺寸不精確。
2) 成形零件表面粗糙無法滿足使用要求。

解決堆焊成形的弧坑塌陷問題，主要是通過優(yōu)化成形路徑予以解決的。其中，堆焊成形路徑描述了焊接過程中的焊道起弧、�；〉奈恢靡约昂缚p間的空間位置及時(shí)間順序。目前國內(nèi)外許多學(xué)者對堆焊成形的路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究。例如，美國肯塔基大學(xué)的張?jiān)Ｃ鞯热瞬捎昧藢η衅�的輪廓線進(jìn)行環(huán)狀掃描，而對內(nèi)部的填充則采用往復(fù)“Z”字形掃描的方式，消除了由于焊接過程中的起弧和斷弧處造成的焊接缺陷和不連續(xù)性，使一層內(nèi)的熔焊堆積一次性完成。英國諾丁漢大學(xué)J D Spencer等人開發(fā)出一種“兩次螺旋堆積”的路 徑規(guī)劃方式，消除了焊接中焊縫重熔對零件輪廓的破壞。 對于零件表面粗糙的問題，則需要在加工的過程引入其他加工方法使零件表面光滑。

研究人員設(shè)計(jì)了一種由弧焊機(jī)器人、數(shù)控銑床、拋丸機(jī)以及支撐材料堆積系統(tǒng)組成的復(fù)合四工位的快速成形系統(tǒng)。在其工作過程中，弧焊機(jī)器人每完成一條焊道，其多余的部分將會被銑削掉并進(jìn)行拋丸去應(yīng)力，在堆積支撐材料之后進(jìn)行下一層的堆焊。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于零件成形精度高，表面質(zhì)量好同時(shí)生產(chǎn)效率高。 在本文的實(shí)驗(yàn)研究中，作者提出了一整套堆焊成形的工藝，基于機(jī)器人堆焊制得了一個(gè)成品零件。在堆焊成形方面，優(yōu)化了堆焊成形的路徑規(guī)劃方法，解決了弧坑塌陷的問題，并堆焊出單壁墻體零件，驗(yàn)證了該方法的成形效果；在成形后零件的后處理方面，本次實(shí)驗(yàn)采取了電解加工的方式對零件進(jìn)行精密修形，以解決由于堆焊成形的零件表面過于粗糙難以滿足使用要求的問題。

1 實(shí)驗(yàn)條件與過程
1.1 實(shí)驗(yàn)條件
本次實(shí)驗(yàn)的堆焊成形系統(tǒng)如圖1所示，其中主要設(shè)備的型號分別為MOTOMAN HP6弧焊機(jī)器人、NX100機(jī)器人控制器以及TPS400型數(shù)字化焊機(jī)及其專用機(jī)器人接口ROB5000。除此之外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括一臺自制電解加工設(shè)備對零件進(jìn)行后處理。實(shí)驗(yàn)材料為直徑1.2mm的H08Mn2Si焊絲、直徑1.2mm的5356鋁合金焊絲、保護(hù)氣、Ar氣、20%氯化電解液、Q235鋼板/管以及6061-T6鋁合金板/管。 󰀔 󰀕󰀖󰀗 󰀘

1.2 實(shí)驗(yàn)方法
首先進(jìn)行焊接工藝參數(shù)對成形的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，分別得出適合低碳鋼和鋁合金堆焊成形的工藝參數(shù)。然后在合適的工藝參數(shù)下分別對預(yù)定的低碳鋼和鋁合金零件進(jìn)行堆焊成形，對比不同路徑規(guī)劃對成形效果的影響。最終用電解加工的方式對零件進(jìn)行精密修形，得到表面光滑的零件。

2 結(jié)果與分析
2.1 焊接工藝參數(shù)對單道焊縫幾何參數(shù)的影響
本次實(shí)驗(yàn)中采用的焊接方法的主要工藝參數(shù)為焊接電流、電弧電壓和焊接速度。由于實(shí)驗(yàn)所用焊機(jī)為電流電壓一元化調(diào)節(jié)，因此只觀察焊縫幾何參數(shù)與焊接電流和焊接速度的關(guān)系。 分別對Q235鋼和鋁合金進(jìn)行單道焊縫的堆焊實(shí)驗(yàn)，圖2所示為低碳鋼氣保護(hù)焊過程中焊縫成形與焊接電流和焊接速度的關(guān)系，可以看出熔高、熔寬幾乎隨焊接電流增加呈線性增長關(guān)系，理論上焊接電流增大，熔高增加，熔寬不變。而焊接速度增大，熔寬線性減少，熔高幾乎不變。      

對于堆焊成形，弧坑塌陷會對零件的成形精度造成嚴(yán)重影響，因此要設(shè)法避免。通過以下三種途徑可以減小弧坑塌陷的影響：
1) 減小焊接的熱輸入量。熱輸入量過大，會 使得焊縫熔高增加，弧坑范圍增大，最終使焊縫的弧坑塌陷變得明顯。
2) 通過在機(jī)器人的指令中加入填弧坑的動作填補(bǔ)弧坑。在收弧的時(shí)刻，控制機(jī)器人做一定時(shí)間的停頓，可以起到填弧坑的效果。這一點(diǎn)可以通過在MotoMan指令中加入Timer語句得以實(shí)現(xiàn)。

3) 通過合理的路徑規(guī)劃，減小弧坑的影響。在堆焊的過程中可以通過路徑規(guī)劃使焊縫的起弧和收弧的地方互相補(bǔ)償，降低起弧收弧對零件成形的影響。此外，還可以規(guī)劃路徑使焊槍在焊縫可能出現(xiàn)收弧的兩端的停留時(shí)間變長或產(chǎn)生少量的路徑重疊，最終使得堆焊出一個(gè)平面。

圖3所示為低碳鋼氣保護(hù)焊普通焊縫與采用上述方法改進(jìn)工藝后單道焊縫的成形效果對比，上側(cè)焊縫為173A焊接電流下單道焊縫成形；下側(cè)焊縫為82A電流條件下加入了填弧坑動作與在兩端路徑重合的條件下的焊縫成形。可以看出，改進(jìn)工藝后的焊縫成形對稱，表面光滑有利于堆焊成形。對于鋁合金堆焊焊縫成形，也有上述規(guī)律。

2.2 堆焊成形實(shí)驗(yàn)
基于以上成形規(guī)律實(shí)驗(yàn)所得出的適合堆焊成形的工藝參數(shù)進(jìn)行了零件的堆焊成形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)制備一個(gè)導(dǎo)彈尾翼的模型，主要用于檢驗(yàn)優(yōu)化工藝后堆焊成形過程中是否存在弧坑塌陷問題。其中在Q235鋼板上以氣保護(hù)焊的方法堆焊H08Mn2Si焊絲的工藝參數(shù)為：焊接電流80A、焊接速度6.67mm/s、焊絲伸長10~15mm、保護(hù)氣流量12L/min。在6061鋁合金板上以直流反接MIG焊的方法堆焊5356焊絲的工藝參數(shù)為：焊接電流145A（射流過渡）、焊接速度16.67mm/s、焊絲伸長10~15mm、保護(hù)氣流量20L/min。其成形效果如圖4所示，可見優(yōu)化后的工藝能很好的解決弧坑塌陷問題。圖5為低碳鋼制品堆焊成形的全過程，可以看出，每層成形良好并沒有因?yàn)榛】铀�陷而引起堆焊過程的不穩(wěn)定。

2.3 成形制品的后處理實(shí)驗(yàn)
由于堆焊成形的制品表面粗糙，難以直接交付使用，所以有必要探索堆焊成形零件后處理方法進(jìn)行探索。本實(shí)驗(yàn)中，采取電解加工的方法對零件進(jìn)行了后處理，目的在于得到光滑的表面。所用電解液為20%NaCl溶液，在70%占空比陰極距離工件間隙0.5mm的條件下加載20V電壓32A電流電解3min。處理后的最終制品效果如圖6所示可見，電解加工處理后的零件表面光滑，滿足使用要求。

2.4 成形制品的組織與力學(xué)性能檢測
2.4.1 顯微硬度測試
從基材至堆焊的多道焊縫，由下向上每隔0.5mm分上、中、下三部分對低碳鋼試樣進(jìn)行了顯微維氏硬度測試，其結(jié)果如圖7所示。從顯微硬度的測試結(jié)果可知：基體Q235的硬度偏低，多層焊縫的硬度較高在一定范圍內(nèi)波動分布；在靠近試樣頂部的2~3mm處，由于其組織為針狀馬氏體，試樣的顯微硬度突然增高。

2.4.2 顯微組織檢測
將低碳鋼制品縱截面剖開并制成金相試樣其顯微組織如圖8所示。低碳鋼試樣內(nèi)部的組織可以分成三種：頂端粗大的柱狀樹枝晶類似于焊縫組織，中部細(xì)小的等軸晶類似正火組織以及試樣底部焊縫與基材交界處的混合組織。由于H08Mn2Si焊絲的碳當(dāng)量較高，其單道焊縫為針狀馬氏體。在單層多道的焊接過程中，后續(xù)焊縫對先前焊縫起到重新加熱作用，使其回火然后又發(fā)生了重結(jié)晶，得到了類似正火處理后的細(xì)晶組織。

結(jié)論
1) 采用減少熱輸入、添加填弧坑動作以及使焊接路徑重疊等優(yōu)化的工藝措施后，很好的解決的堆焊成形時(shí)弧坑塌陷帶來的問題。實(shí)驗(yàn)過程中，每層堆焊焊道基本保證穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)低碳鋼和鋁合金制品堆焊增材制造。

2) 提出了一整套堆焊增材制造的工藝方法，即零件建�！�堆焊成形→電解加工。最終得到的成品零件表面光滑，滿足使用要求。
3) 堆焊成形的制品組織致密，硬度分布均勻，由于采用熔化極氣體保護(hù)焊的方法熔敷效率高，因此堆焊成形是一種高效低成本的金屬零件增材制造方法。

編輯：南極熊
作者：張   禹（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）王世龍（首都航天機(jī)械公司，）羅   震，敖三三（天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院）