鋁合金熔絲增材制造表面平整度研究

張弛　沈忱　李芳　程思遠　楊煜哲　華學明　唐彬

摘要：聚焦基于變極性冷金屬過渡技術（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，進行單層多道增材，通過結構光三維重構精確測量增材樣品表面形狀并使用平面擬合處理重構數據，定量計算增材表面高度方向上的極差和標準差。結果表明，在一定范圍內增大送絲速度可以減少堆焊魚鱗紋造成的偏差，但會引起焊道相對不穩定，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際焊接工藝有關，僅靠曲線擬合單道焊縫形狀和建立重疊模型不能計算預判所有焊接工藝條件下增材制造的成形質量。

關鍵詞：熔絲電弧增材制造;變極性冷金屬過渡;三維掃描;表面平整度

中圖分類號：TG457.14 文獻標志碼：A 文章編號：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，通過計算機輔助設計，利用逐層熔覆的原理制造三維構件的技術。其成形構件具有成本低、組織致密、增材全密度、機械性能優良的特點，隨著航空、航天和汽車等一些關鍵技術領域對金屬零件制造要求的不斷提高，采用熔絲電弧增材制造成為新的趨勢[1-3]。

提高電弧增材制造構件的成形質量對熔絲電弧增材制造的進一步發展尤為重要，其中每層成形表面的平整度對構件整體質量有很大影響。研究表明，通過優化焊接工藝和調整焊道之間的幾何關系等可以有效提高表面平整度[4]。Yong Cao[5]等人通過對比logistic函數、高斯函數、拋物線函數、正弦函數，得出使用正弦函數擬合單道焊縫截面輪廓時誤差最小，并使用平頂重疊模型計算出相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的63.66%時增材堆積表面平整度最高。Xiong Jun[6]等人通過實驗得出送絲速度與焊接速度的比值不同會導致函數擬合誤差不同，當比值大于12.5時，使用拋物線模型擬合最準確，相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的66.67%時表面平整度最高。Donghong Ding[7]等人通過實驗得出拋物線和正弦函數都能很好地擬合焊縫截面輪廓，并且實驗中相鄰焊縫無法達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，通過拋物線函數擬合計算出相鄰焊道中心間距為單道焊縫寬度的73.8%時表面平整度最佳。Yongzhe Li[8]等人的實驗表明，由于熔滴的擴散行為，實際堆積得到的焊縫中心間距與計算值存在偏差，并通過人工神經網絡預測此偏移距離，優化表面平整度。

本研究基于變極性冷金屬過渡（Advanced cold metal transfer，Advanced CMT）技術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最基礎的參數為變量，進行單層多道增材實驗。通過結構光對樣品進行三維重構，定量計算成形表面高度方向上的極差和標準差，分析焊接參數對增材制造表面平整度的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 單層多道增材實驗

實驗采用的機器人熔絲電弧增材制造系統如圖1所示，包括YASKAWA機器人及其控制系統、Fronius CMT Advanced焊機（焊接電源、送絲系統）、固定在機器人末端的焊槍和焊接工作平臺。與熔化極氣體保護焊（Gas metal arc welding，GMAW）和傳統冷金屬過渡焊（CMT）相比，Advanced CMT的熱輸入量更低、熔覆效率和焊接穩定性更高，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，兩種材料的化學成分如表1所示。保護氣體為純氬氣，氣流量15 L/min，干伸長度14 mm。

按照圖2所示路徑進行單層多道堆積，采用連續增材不停弧的方式，長邊焊接時機器人行走速度為30 cm/min，為減少短邊處多余材料的堆積并保持連續增材，短邊時機器人行走速度為90 cm/min。實驗變量為送絲速度和焊縫中心間距，根據鋁合金變極性CMT合理焊接參數和切線重疊模型計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，分別設置3個水平。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。實驗測得送絲速度與單道焊縫寬度和焊縫間距的對應關系如表2所示。

1.2 三維掃描重構及表面平整度計算

使用CREAFORM公司HandySCAN 3D掃描儀對增材樣品進行三維重構，掃描精度0.02 mm。掃描完成后從軟件平臺獲得STL格式的文件，STL模型在增材制造領域應用廣泛，其使用三角形面片來模擬物體表面。本文通過Geomagic軟件對STL文件進行數據處理，所有樣品選取一個固定區域，將該區域內所有點進行平面擬合并計算極差和標準差。

2 實驗結果與分析

實驗中送絲速度分別為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，單位時間內的熔敷量增加，單道焊縫寬度增大。在一定范圍內提高送絲速度有利于提高增材效率，但過大的送絲速度會造成熱輸入量過大，影響增材件的成形質量。

實驗獲得的9個樣品如圖3所示。可以看出，送絲速度為6.5 m/min時，樣品表面鱗紋非常明顯，焊道穩定性強;送絲速率為7.5 m/min時，由于熱輸入較大，焊道穩定性下降，進而導致堆積層表面魚鱗紋不均勻。

通過定量計算，送絲速度為6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min時，單道焊縫穩定位置魚鱗紋造成的標準差分別為0.100 mm、0.084 mm、0.068 mm。可見，變極性CMT增材制造表面產生的魚鱗紋所造成的標準差隨送絲速度的增大而減小，但由于送絲速度變大會造成焊道不穩定，如駝峰現象明顯，需計算表面整體平整度。

通過三維掃描得到STL模型并使用Geomagic軟件進行數據處理，為了避免起弧和熄弧位置起伏對平整度的比較產生影響，每個樣品都選擇排除堆積層邊緣與有缺陷的位置，只取合理表面進行數據處理評估平整度。加入色階來體現增材表面各點與擬合平面的相對高度，如圖4所示。

可以看出，高出擬合平面的點大部分分布在每道焊道中心位置，低于擬合平面的點大部分分布在相鄰焊道結合的低谷處，但各點分布不完全均勻，在焊道位置存在駝峰。對該區域內所有點進行平面擬合并計算極差和標準差。極差為所有點到擬合平面的距離極大值，標準差為所有點到擬合平面距離差平方的算術平均數的平方根，結果如表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時增材表面平整度較好。在一定范圍內，當提高送絲速度、增大熱輸入量時，極差和標準差都有所增大，說明雖然較不明顯的魚鱗紋對平整度有利，但高熱輸入量造成的焊道不穩定缺陷更為顯著。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時的平整度優于比值為0.738時的，說明通過拋物線和切線重疊模型計算出的最佳比值0.738并不適用于本實驗條件下對增材表面平整度計算的結果。

送絲速度為7.5 m/min時，3組焊縫中心間距與單道焊縫寬度比值還未達到最佳值，說明通過平頂模型計算出的最佳比值0.667同樣不適用于本實驗條件下的結果。若只考慮焊縫中心間距與單道焊縫寬度比值對平整度的影響，通過計算增材樣品表面平整度，如圖5所示，本實驗條件下的最佳比值范圍為0.758～0.840，不同焊接工藝對應的最佳比值不同。

3 結論

本文研究了基于變極性冷金屬過渡（Advanced CMT）技術的鋁合金電弧增材制造成形表面的平整度，通過三維重構和平面擬合等方法，以送絲速度和相鄰焊縫中心間距為變量，定量計算了單層多道增材表面的平整度，得到以下結論：

（1）在一定范圍內，當送絲速度提高、熱輸入量增大時，焊道相對不穩定，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，焊道的駝峰現象、多道焊縫之間的相互作用都會影響平整度，對雙道焊縫建立數學模型計算出的最佳比例不適用于所有焊接工藝，對多道增材表面平整度進行計算更符合實際情況。

（3）本實驗通過改變焊接參數，并定量計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。可見，對于Advanced CMT技術而言，需要新的單道堆積模型來輔助相應的增材堆積。所以，當改變熔絲電弧增材制造堆積工藝時，所有單道形狀模型均需進行針對具體工藝的研究，熔絲電弧增材制造成形質量與精度的研究與工藝數據庫的建立還有很大的發展空間。

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