成形參數(shù)對堆焊沉積成形質(zhì)量的影響

來旭輝，許 燕，周建平

（新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047）

成形參數(shù)對堆焊沉積成形質(zhì)量的影響

來旭輝，許 燕，周建平

（新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047）

設(shè)計了三因子二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗，求出了成形參數(shù)與成形質(zhì)量間的回歸方程，并通過顯著性檢驗驗證了方程的合理性。建立了相鄰焊縫間的數(shù)學(xué)模型，在保持成形工藝不變的條件下，研究了成形間距對頂點高度差、搭接率的影響。實驗結(jié)果表明：當(dāng)成形間距為4.2 mm、成形電流為110 A、成形速度為6 mm/s、送絲速度為50 mm/s時，較有利于堆積成形的順利進展，且成形件的各項力學(xué)性能良好。

回歸設(shè)計；成形質(zhì)量；數(shù)學(xué)模型；力學(xué)性能

堆焊成形是以電弧為熱源，將三維面元素在二維平面上通過焊縫堆積獲得零件近似形狀的快速金屬成形技術(shù)[1-2]，其成形件大多為毛坯件，需經(jīng)后期機械加工處理才能投入使用[3]。從上世紀(jì)至今，金屬快速成形技術(shù)飛速發(fā)展，主要采用以激光為熱源的加工方式，其加工對象多為精密金屬零件，針對大中型工件的成形研究相對分散[4]。磨安祥[5]通過軟鐵代替銅帶解決了堆焊過程中的難熔合問題，并優(yōu)化了相應(yīng)的成形工藝和參數(shù)，減少了鋼銅焊接時熱裂紋的出現(xiàn)。Wang等[6]研究了鋁合金氬弧焊堆積成形，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱溫度、成形電流及短路時間對成形質(zhì)量有重要影響。李玉龍等[7]通過改造數(shù)控機床搭建了焊接成形系統(tǒng)，根據(jù)加工過程中閉環(huán)回路反饋的實時信息修改成形參數(shù)，獲得了較高的加工精度。以上研究均在直角坐標(biāo)模式下展開，為找出柱坐標(biāo)模式下的最佳堆焊成形參數(shù)，設(shè)計了單道和單道多層成形實驗，研究了成形參數(shù)與成形質(zhì)量間的定量關(guān)系[8-9]，并對實驗結(jié)果進行了分析評價。

1 成形設(shè)備

堆焊成形設(shè)備由前瞻處理、成形參數(shù)采集與控制、機床本體等三部分組成（圖1）。其中，前瞻處理部分由上位機軟件實現(xiàn)，是另兩部分執(zhí)行的基礎(chǔ)，主要完成模型文件的識別分層和路徑規(guī)劃、坐標(biāo)軸的驅(qū)動控制和狀態(tài)檢測、采集信息的實時顯示與處理。成形參數(shù)采集和控制部分能實時采集成形過程中的成形電流、送絲速度及成行速度等參數(shù)，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值進行對比，通過模糊數(shù)學(xué)選取最適合的成形參數(shù)。機械部分以具有三個空間自由度的懸臂結(jié)構(gòu)模式搭建，形成以焊槍為執(zhí)行機構(gòu)的柱坐標(biāo)成形空間[10]，包括機床本體、NBC-350二氧化碳保護焊機、SB-10C-500送絲機、PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡等；其控制系統(tǒng)采用Pascal語言自主開發(fā)，可實現(xiàn)極軸的旋轉(zhuǎn)與極徑的進給。

圖1 堆焊成形平臺

2 單道焊縫參數(shù)分析及回歸方程的建立

2.1 試驗設(shè)計

為建立成形電流、送絲速度和成形速度對焊縫熔寬、余高及熔深影響的回歸方程，選擇三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，尋找高置信度的成形參數(shù)。如表1所示，試驗共有三個成形參數(shù)，故選擇p=3；試驗點數(shù)mc=8；參考試驗的重復(fù)次數(shù)m0=6；總試驗次數(shù)為20；根據(jù)分組試驗的正交性求得星號臂r=1.6818。

表1 因素水平表

采用Q235B鋼板作為成形底板，其預(yù)熱溫度為25℃，并使用直徑為0.8 mm的ER50-6焊絲，其他參數(shù)視為常量。堆焊成形實驗后，選取每道焊縫中成形較好的區(qū)域，以5 mm為一個測量間距測得五組數(shù)據(jù)，并求取平均值，計算結(jié)果見表2。設(shè)送絲速度為50 mm/s，當(dāng)成形電流為110 A時，不同成形速度下的成形效果如圖2所示上方的焊縫；當(dāng)成形電流為100 A時，不同成形速度下的成形效果如圖2所示下方的焊縫?？煽闯觯S著成形電流降低，熱輸入減少，焊縫的余高和熔寬也隨之減小。

表2 試驗結(jié)果

圖2 不同成形速度下的焊縫成形效果

2.2 回歸方程的建立

根據(jù)回歸方程的一般形式及表2所示的試驗結(jié)果，建立成形參數(shù)與成形質(zhì)量之間的回歸方程。為了減小不顯著參數(shù)對試驗結(jié)果及方程準(zhǔn)確性的影響，對表2所示的數(shù)據(jù)進行方差分析，剔除其中的不顯著項，簡化后的回歸方程為：

式中：xi為成形電流；xv為成形速度；xs為送絲速度；yB為熔寬；yD為熔深；yH為余高。

對式（1）進行顯著性檢驗的結(jié)果見表3。可見，各方程的置信度均在90%以上，即保留的成形參數(shù)均顯著。

3 成形間距的選取

3.1 成形間距對堆積質(zhì)量的影響分析

堆焊成形產(chǎn)品是由單道焊縫在三維空間有規(guī)律地堆積而成，而焊縫端面在電弧吹力和表面張力的共同作用下呈圓弧狀，故成形間距對成形件的質(zhì)量和成形效率有著重要的影響。在成形過程中，若焊縫間距過大，兩道焊縫搭接量不足，會在兩道焊縫間形成低谷，易導(dǎo)致空洞等焊接缺陷，甚至在兩道焊縫間出現(xiàn)未熔合區(qū)域，嚴(yán)重影響成形件的力學(xué)性能；若間距過小，單位長度上的金屬量增加，在相同的成形參數(shù)下，會使成形表面凸起，呈現(xiàn)出明顯的階梯效果，且過小的成形間距也不利于快速高效成形，因而找出最佳的成形間距是提高成形零件表面質(zhì)量的必要條件。

表3 不同方程的顯著性檢驗結(jié)果

3.2 焊縫數(shù)學(xué)模型的建立

計算焊縫尺寸與基本參數(shù)之間的定量關(guān)系，將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。研究認(rèn)為，每道焊縫的截面輪廓為半徑相等的標(biāo)準(zhǔn)圓弧，故焊縫形狀被規(guī)范為圓柱體的一部分（圖3）。

圖3 單道焊縫模型

根據(jù)圖3所示尺寸，焊縫體積Vd可表示為：

式中：Sabca為斷面面積，其計算公式為：

假設(shè)成形加工時的成形速度為vc，成形絲材的半徑為r0，在時間t內(nèi)送入焊槍的絲材長度為l0，則送入焊槍的成形絲材體積Vs為：

式中：vs為送絲速度。

由此可知焊縫體積為：

因焊縫和焊絲屬同種材料，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，焊縫體積與成形絲材總體積相等，即Vd=Vs：

由圖3還可求得單道成形時的焊縫高度σ：

以O(shè)為圓心，由P點坐標(biāo)可求得成形間距w：

由此可計算出任意兩相鄰焊縫的搭接率η：

上述公式組成了成形加工過程中相鄰兩焊縫的搭接模型。

3.3 實驗及結(jié)果分析

成形實驗采用二氧化碳?xì)怏w保護焊工藝，并參考表2所示的結(jié)果，設(shè)定如下實驗參數(shù)：干伸長度12 mm，成形電流110 A，成形速度6 mm/s，送絲速度50 mm/s，氣體流量15 L/min。成形底板選用尺寸為150 mm×150 mm×20 mm的Q235B鋼板。實驗中，每道焊縫的長度為100 mm，將單道成形實驗中的最大熔寬6.3 mm、最小熔寬2.8 mm等分為6份，設(shè)置成形間距分別為 2.8、3.5、4.2、4.9、5.6、6.3 mm。每組實驗重復(fù)10次，取每道焊縫中部成形效果較好的區(qū)域，用線切割切出實驗樣塊，經(jīng)洗滌打磨后，用放大倍數(shù)為7的MJ21金相顯微鏡進行圖像觀測，圖像中的每7個像素點代表0.1 mm。實驗測量結(jié)果見表4。

表4 不同成形間距對焊縫質(zhì)量的影響

圖4是成形間距分別為2.8、3.5、4.2 mm時的堆焊成形效果圖?？梢?，當(dāng)成形間距為2.8 mm時，焊縫大范圍重疊，導(dǎo)致成形表面隆起，增大了表面階梯效應(yīng)且不利于熱量疏散。當(dāng)成形間距為3.5、4.2 mm時，成形軌跡的波峰、波谷間距最小，成形表面平整度較好。而當(dāng)成形間距為4.9 mm甚至更大時，相鄰焊縫間搭接不足，結(jié)合區(qū)域內(nèi)金屬量過少，難以提高成形強度。

圖4 不同成形間距時的成形效果

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接成形電流為110 A、送絲速度為50 mm/s、成形速度為6 mm/s時，焊縫形狀較好；在熔寬5.2 mm、余高1.9 mm、成形間距4.2 mm的工藝參數(shù)下，成形質(zhì)量相對穩(wěn)定。利用該參數(shù)進行多道單層堆焊的成形效果見圖5，可見，成形表面平整度較好，能滿足精度要求不高的零件成形。

圖5 多道單層堆焊成形效果

4 成形零件力學(xué)性能測試

單道多層成形實驗是決定成形零件力學(xué)性能及使用性能的重要指標(biāo)，因此，以硬度測試和拉伸試驗對圖5所示成形試樣的各項力學(xué)指標(biāo)進行分析評價。

4.1 硬度測試

利用FM-ARS9000顯微硬度測量系統(tǒng)對試樣持續(xù)加載20 s，以試樣底部為起點，連續(xù)選取10個測試點進行硬度測試，結(jié)果見圖6?？梢?，成形試樣的硬度因選取不同測試點而異，其變化范圍在150～180 HV；當(dāng)測試點的分布沿著基板向上，顯微硬度值呈增大趨勢，且越靠近試樣頂部，顯微硬度值增大越明顯，并在端點處取得最大值；試樣底部的顯微硬度值與基體材料Q235鋼板相當(dāng)。分析原因：受焊縫間的重加熱及持續(xù)回火作用，試樣中部存在較多的等軸晶，導(dǎo)致硬度降低；越靠近頂部，沖擊加熱現(xiàn)象越弱，柱狀晶的數(shù)量逐漸增多，試樣的硬度隨之提高。

圖6 單道多層焊縫維氏硬度測試分布圖

4.2 拉伸試驗

用線切割將柱坐標(biāo)堆焊成形的塊體零件沿徑向切開，并在室溫條件下，以2 mm/min的加載速率進行位移控制方式拉伸試驗，結(jié)果見表5?？梢姡尚卧嚇拥目估瓘姸扰c焊絲基本相等，延伸率比焊絲高22%，且在斷裂處出現(xiàn)了明顯的頸縮（圖7）。

表5 成形試樣拉伸試驗結(jié)果

圖7 拉伸試驗下的試樣頸縮現(xiàn)象

成形試樣的斷口形貌見圖8?？煽闯觯瑪嗔烟帪榛疑w維狀，且截面形狀相對平坦（圖8a）；而破壞方式為韌性穿晶斷裂，韌窩尺寸小且分布緊密，具有較好的塑性（圖8b）。

圖8 拉伸試驗下的試樣斷口形貌

5 結(jié)論

（1）通過單道焊縫實驗建立了成形參數(shù)與成形質(zhì)量的回歸方程，利用F檢驗評價了回歸方程的合理性，為后期實時監(jiān)測及智能決策提供理論支撐。

（2）以成形參數(shù)作為測試因子，設(shè)計了二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗。分析可知，當(dāng)成形間距為4.2 mm時有利于堆積成形。建立了單道多層成形實驗的數(shù)學(xué)模型，并以搭接率來評價成形間距的合理性。

（3）對最優(yōu)成形參數(shù)和成形間距下的成形試樣進行力學(xué)性能測試，得知試樣的各項指標(biāo)與焊絲相當(dāng)，論證了實驗參數(shù)的合理性。

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Effect of Forming Parameters on Forming Quality of Surfacing Deposition

LAI Xuhui，XU Yan，ZHOU Jianping
（School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China ）

The three-factor quadratic universal rotary regression experiment are designed，the regression equation between forming parameters and forming quality was obtained and the rationality of the equation is verified by the significance test.The mathematical model between adjacent welds is established and the influence of molding distance on the height difference of the top and the lap ratio were studied under the condition of keeping the forming process constant.The experimental results show that the forming process is more favorable for the development of the deposit forming when the setting distance is 4.2 mm，the setting current is 110 A，the setting forming speed is 6 mm/s，and the wire feeding speed is 50 mm/s.And the mechanical properties of molded parts are good.

regression design；forming quality；mathematical model；mechanical property

TG455

A

1009－279X（2017）05－0061-05

2017-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（51665055）；新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究項目（201113129）；新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程資助項目（gn2015yx008）

來旭輝，男，1992年生，碩士研究生。