工藝參數(shù)對(duì)機(jī)器人電弧增材制造成形的影響研究

林泓延，黃舒薇，姚屏,2，王曉軍

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣州 510630；2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 天河學(xué)院，廣州 510000）

電弧增材制造（Wire and arc additive manufacture，WAAM）技術(shù)是一種以電弧為熱源，同步添加金屬絲材并在程序控制下，打印出金屬零件的技術(shù)[1]。與其他AM（Additive manufacture）技術(shù)相比，WAAM技術(shù)具有低設(shè)備成本、低運(yùn)營(yíng)成本、高原料運(yùn)用率以及高熔覆效率等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[2]。同時(shí)，借助軋制、隨焊沖擊等輔助工藝手段可有效優(yōu)化電弧增材制造零件性能[3]。雖然成形表面質(zhì)量較低，但比起激光、電子束增材制造等技術(shù)，WAAM技術(shù)更適合制造復(fù)雜成形構(gòu)件[4]。

焊接工藝參數(shù)是影響電弧增材制造成形件焊道形貌、成形精度和組織性能的關(guān)鍵。曲揚(yáng)等[5]發(fā)現(xiàn)不銹鋼在進(jìn)行TIG焊（Tungsten inert gas welding）增材制造過(guò)程中容易產(chǎn)生粘絲的問(wèn)題，分析后通過(guò)改變送絲速度、打印速度以及焊接電流等工藝參數(shù)解決此問(wèn)題，最終獲得具有表面質(zhì)量較好、致密性和尺寸精度高的成形件。張煉等[6]研究發(fā)現(xiàn)焊接電流和打印速度為正相關(guān)關(guān)系，為了獲得成形良好的增材件墻體，在加大焊接電流后也應(yīng)提升打印速度。不少學(xué)者通過(guò)建立焊接工藝參數(shù)與增材件尺寸的回歸方程模型預(yù)測(cè)精度。柏久陽(yáng)等[7]選擇焊接電流、焊接速度、送絲速度和層間溫度4個(gè)工藝參數(shù)，與成形件穩(wěn)定區(qū)建立焊道寬度尺寸預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，模型預(yù)測(cè)效果較好，并得出影響焊道寬度的主要因素有焊接電流、焊接速度和層間溫度的結(jié)論。陳樹(shù)君等建立包含堆焊層尺寸、送絲速度、噴嘴高度和焊接速度等焊接工藝參數(shù)的回歸方程模型，并通過(guò)該模型對(duì)堆焊層的尺寸形貌進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。通過(guò)分析結(jié)果可知，模型預(yù)測(cè)效果良好，成形件精度達(dá)到要求[8]。通過(guò)分析焊縫形貌，可以獲得對(duì)焊接質(zhì)量的直觀認(rèn)識(shí)[9—11]。劉志森等通過(guò)利用CMT（Cold metal transfer）電弧增材并建立回歸方程模型，探究層間溫度、焊接速度與焊縫成形尺寸的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接速度的變化會(huì)對(duì)焊道形貌造成顯著影響[12]。為了確保增材件精度能夠達(dá)到要求，各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)焊縫形貌進(jìn)行了監(jiān)控。熊俊設(shè)計(jì)了一套雙被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)獲得堆焊層寬度和焊槍到試件表面高度的圖像，實(shí)現(xiàn)了在增材過(guò)程中對(duì)每一層焊道的形貌和尺寸的精確在線監(jiān)測(cè)[13]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于弧焊機(jī)器人及主動(dòng)視覺(jué)傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)一套智能 GMA-AM（Gas metal arc-additive manufacturing）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在增材過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊道尺寸信息，并將其信息顯示并存儲(chǔ)在人機(jī)交互界面上。同時(shí)，它具有供操作人員在線調(diào)整焊接規(guī)格參數(shù)的界面，并支持人機(jī)協(xié)作，為熔敷道尺寸實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制奠定良好基礎(chǔ)[14]。

文中利用焊接機(jī)器人對(duì) 316L不銹鋼進(jìn)行電弧增材制造實(shí)驗(yàn)研究，分析了層間冷卻時(shí)間和焊接速度的匹配關(guān)系對(duì)增材件形貌的影響規(guī)律，研究成果對(duì)掌握 316L不銹鋼增材制造成形規(guī)律具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)

采用MIG焊（Melt inert-Gas welding）機(jī)器人電弧增材制造系統(tǒng)，系統(tǒng)由 LORCH公司的 S5- RoboMIG焊機(jī)、RF-06送絲機(jī)及FANUC M-10iA機(jī)器人組成，如圖1所示。M-10iA機(jī)器人活動(dòng)范圍為1632 mm，負(fù)載可達(dá)12 kg。作為一種高精度機(jī)器人，M-10iA機(jī)器人可在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡工作，使增材制造的零件精度有保證。試驗(yàn)基板采用250 mm×100 mm×5 mm的316L鋼板材，焊絲選用直徑1.2 mm的316L不銹鋼焊絲，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊前用 200#的砂紙清理基板上氧化的銹跡。

圖1 機(jī)器人增材成形系統(tǒng)Fig.1 Robot additive forming system

表1 ER316L焊絲的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of ER316L welding wire

試驗(yàn)中分別采用 4組不同的工藝參數(shù)以往復(fù)堆積的形式，進(jìn)行長(zhǎng)度為160 mm，層數(shù)為20的墻體堆積，導(dǎo)電嘴距離基板15 mm。堆積過(guò)程中焊槍始終與鋼板保持垂直，每堆積完一層，焊槍往上提升1.8 mm，直至20層堆積結(jié)束為止。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，工藝參數(shù)如表2所示，其中焊機(jī)中默認(rèn)的參數(shù)有：焊接電流為80 A，焊接電壓為20 V，占空比為50%，電流差為50%，低頻頻率為1.5 Hz。保護(hù)氣成分為98%Ar+2% CO2（體積分?jǐn)?shù)），氣體流量為23 L/min。本次實(shí)驗(yàn)采用單因素影響研究，探索機(jī)器人焊接速度和層間冷卻的變化對(duì)增材件墻體寬度和高度的影響規(guī)律，因此先固定其他的參數(shù)，改變研究參數(shù)。在增材制造過(guò)程中，由于堆積件熱積累不斷增多，導(dǎo)致母材容易變形，因此需要在基板兩端利用夾具固定，防止基板變形對(duì)后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生影響。

圖2 增材過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of additive process

表2 增材成形工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of additive forming

2 結(jié)果分析

在電弧增材制造過(guò)程中，尺寸精度對(duì)增材成形件有非常重要的影響，最終零件尺寸與成形件的宏觀尺寸相互影響。增材件每一層焊道的宏觀尺寸都取決于試驗(yàn)的工藝參數(shù)，因此選用合適的增材制造工藝參數(shù)，不僅影響成形的宏觀尺寸，還影響最終零件的尺寸精度。

在焊接機(jī)器人完整焊完20層后，將增材件冷卻一段時(shí)間至室溫，再在焊道上均勻選取6個(gè)點(diǎn)，如圖3所示。通過(guò)測(cè)量6個(gè)點(diǎn)的高度和寬度考察該工藝參數(shù)下墻體的變化規(guī)律。

圖3 焊道測(cè)量位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding bead measurement position

2.1 工藝參數(shù)對(duì)高度的影響

墻體成形質(zhì)量與每一層焊道的結(jié)合息息相關(guān)，而層與層之間的連接效率可以通過(guò)調(diào)整層間冷卻時(shí)間來(lái)改變，因此在其他工藝參數(shù)不變的情況下，選用一個(gè)合適的層間冷卻區(qū)間對(duì)于獲得成形質(zhì)量高的墻體非常關(guān)鍵。

圖4為4組增材成形件的墻體形貌，由圖4可知，增材件墻體表面成形良好，層與層結(jié)合較為平滑，無(wú)明顯焊接缺陷。改變層間冷卻時(shí)間會(huì)引起層間溫度的變化進(jìn)而影響重熔區(qū)的冶金，從而使增材件的墻體發(fā)生改變[15]。增材件高度數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖4 不同工藝參數(shù)增材件墻體形貌Fig.4 Wall morphology of additive parts under different process parameters

不同層間冷卻時(shí)間下增材件高度變化趨勢(shì)如圖5所示。

表3 增材件高度數(shù)據(jù)Tab.3 Data on additive height mm

圖5 不同層間冷卻時(shí)間下增材件高度變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of height of additive parts under different interlayer cooling time

從圖5以及表3可以看出，在焊接電流、焊接速度和送絲速度不變的情況下，層間冷卻時(shí)間的改變并未引起增材件墻體高度的明顯變化，平均層高由1.38 mm降低到1.33 mm，變化幅度在4%以?xún)?nèi)。分析認(rèn)為，當(dāng)層間冷卻時(shí)間為30 s時(shí)，熔池處在臨界溫度區(qū)間，重熔區(qū)熔融金屬再次熔融時(shí)受到的影響較小，熔融金屬處于即將凝固狀態(tài)。將層間冷卻時(shí)間提升到40 s后熔池已凝固，因此將層間冷卻時(shí)間提升到40 s對(duì)墻體高度的穩(wěn)定性影響不大。

焊接速度太慢會(huì)使得熔池內(nèi)熔化的金屬量過(guò)大而引起焊道塌陷，而過(guò)快的焊接速度會(huì)引起單位時(shí)間內(nèi)熔池的熔覆量小，導(dǎo)致成形質(zhì)量差甚至無(wú)法成形，因此在不改變其他工藝參數(shù)的情況下，選用一個(gè)合理的焊接速度對(duì)于增材件墻體的成形至關(guān)重要。焊接速度變化時(shí)增材件高度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 不同焊接速度時(shí)增材件的高度Fig.6 Additive height at different welding speeds

觀察圖6以及分析表3數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)層間冷卻時(shí)間一定時(shí)，隨著焊接速度的增大，沉積層高度明顯減小，平均層高由1.38 mm降低到1.23 mm，下降了10.8%。分析認(rèn)為，在焊接電流、層間冷卻時(shí)間和送絲速度等工藝參數(shù)不變的情況下，隨著焊接速度的提升，熔池在單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬量減少，熱輸入量也隨之減少，熔池的流動(dòng)性降低，因此墻體穩(wěn)定區(qū)域高度尺寸減小。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)寬度的影響

工藝參數(shù)的改變對(duì)增材件墻體形貌的影響，不僅體現(xiàn)在墻體高度上的變化，也反映在墻體在寬度上的轉(zhuǎn)變。焊縫形貌如圖7所示。

圖7 不同工藝參數(shù)下增材件焊道寬度Fig.7 Weld bead width of additive parts under different process parameters

測(cè)量圖7所示焊縫，得到寬度數(shù)據(jù)如表4所示。不同層間冷卻時(shí)間下增材件寬度變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 不同層間冷卻時(shí)間下增材件寬度Fig.8 Additive width under different interlayer cooling time

表4 增材件寬度數(shù)據(jù)Tab.4 Data on additive width mm

觀察圖7—8以及分析表4中的數(shù)據(jù)，可以得出在兩組對(duì)比試驗(yàn)中，墻體寬度的變化幅度均在3%以?xún)?nèi)。分析認(rèn)為，在電弧增材制造過(guò)程中，當(dāng)層間溫度過(guò)高時(shí)，前一層的熱量仍未散失，將會(huì)增加后一層的高溫熔池時(shí)間，液態(tài)金屬有更多的流動(dòng)時(shí)間。溫度越高，液態(tài)金屬的表面張力越低，其鋪展性也相應(yīng)提高，從而會(huì)導(dǎo)致層寬增加。在本次實(shí)驗(yàn)中，層間冷卻時(shí)間達(dá)到30 s后，熔池內(nèi)的熔融金屬已呈凝固狀態(tài)，故將層間冷卻時(shí)間提高到40 s，對(duì)增材件墻體寬度的影響并不明顯。從圖8還可以看出，增材件墻體兩端寬，中間窄。這是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)采用往復(fù)式堆積，機(jī)器人在焊接過(guò)程中對(duì)墻體的兩端都可以起弧。由于起弧時(shí)電流較大，熱輸入量高，熔化的金屬量也增多，導(dǎo)致兩端成形較寬。焊接速度變化時(shí)增材件寬度變化趨勢(shì)如圖9所示。

觀察圖9和分析表4的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)層間冷卻時(shí)間一定時(shí)，隨著焊接速度的增大，沉積層寬度發(fā)生顯著改變。在兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，增材件墻體寬度的變化幅度均在10%以上。分析認(rèn)為，在焊接電流、層間冷卻時(shí)間和送絲速度等工藝參數(shù)不變的情況下，降低焊接速度，會(huì)延長(zhǎng)電弧作用在基板上的時(shí)間，焊縫金屬在基板上潤(rùn)濕的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，熔池的擴(kuò)散行為越充分，導(dǎo)致焊縫的寬度增加。

圖9 不同焊接速度下增材件寬度變化趨勢(shì)Fig.9 Variation trend of width of additive parts under different welding speeds

3 結(jié)論

1）工藝參數(shù)的改變對(duì)增材件墻體高度和寬度的成形影響顯而易見(jiàn)。當(dāng)層間冷卻時(shí)間由 30 s增加到40 s后，增材件墻體高度和寬度的變化較小。焊接速度提升后，增材件的形貌發(fā)生了明顯變化，高度和寬度都明顯減小。

2）當(dāng)層間冷卻時(shí)間達(dá)到30 s后，重熔區(qū)熔融金屬再次熔融時(shí)受到的影響較小，熔池已凝固且溫度較低，故墻體寬度和高度穩(wěn)定性變化不大，因此在30~40 s的冷卻時(shí)間段中，為提高電弧增材制造效率，可選擇層間冷卻時(shí)間更小的30 s。

3）當(dāng)焊接速度提升時(shí)，熔池在單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬量隨之減少，同時(shí)熱輸入量也降低，增材件墻體的高度和寬度也隨之減小，因此可通過(guò)控制焊接速度從而獲得想要的增材件成形尺寸。

4）試驗(yàn)表明，在層間冷卻時(shí)間和焊接速度兩種工藝參數(shù)搭配的情況下，由于層間冷卻時(shí)間達(dá)到一定值后，層間溫度也不再發(fā)生變化。焊接速度對(duì)熔池內(nèi)的熔化金屬的流動(dòng)影響明顯，因此焊接速度的改變對(duì)增材件形貌的影響更為顯著。