電弧增材成形軌跡曲率對熔積層形貌的影響

王華峰，來五星，張海鷗，王桂蘭

(1.華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點試驗室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 數(shù)字制造技術與裝備國家重點試驗室，湖北 武漢 430074)

增材制造技術經(jīng)過近些年的發(fā)展，從依據(jù)粘接原理開發(fā)的疊層成形技術(FOM)逐漸發(fā)展到光固化成形技術(SLM)，再發(fā)展到以電弧、電子束及激光等高能束為熱源的增材制造技術，實現(xiàn)了有機材料、無機非金屬材料和金屬材料產(chǎn)品的快速制造[1-2]。其中，電弧增材制造技術以廉價高效的電弧逐層堆焊方式成形金屬實體構件，其熔積效率是基于激光和電子束增材制造技術的5～10倍，能量利用率可達到后者幾倍到幾十倍，適用于大型簡單構件制備與大眾化普及[3-4]。

電弧增材制造尺寸精度的控制是生產(chǎn)制造的難點。英國諾丁漢大學Spencer等[5]以六軸機器人為運動平臺，基于溫控裝置實現(xiàn)了焊接熱輸入的在線調(diào)節(jié)，成功降低GMAW成形零件表面粗糙度。Ouyang等[6]采用變極性GTAW工藝成形5356鋁合金零件，通過基板預熱、焊接弧長的監(jiān)控及焊接熱輸入的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)成形件幾何尺寸的精準控制。Cranfield大學Almeida等[7]利用磁控穩(wěn)弧技術控制熱輸入及熔池擾動，獲得了成形表面質(zhì)量較高的多道單層薄壁構件。趙孝祥等[8]分析了增材成形過程中MIG熔滴過渡、焊接參數(shù)及軌跡過渡方式對熔積層尺寸的影響，結果表明，成形路徑對成形精度有很大的影響，為了控制成形零件的成形精度，需要精確調(diào)節(jié)不同路徑過渡處焊接參數(shù)。H. Geng等[9]以5A06鋁合金電弧增材制造為例，探討了獲得良好成形條件下的曲率半徑與焊寬之間的關系，例如，當熔積層寬度為7.2 mm時，成形軌跡的極限曲率半徑是10 mm。盡管國內(nèi)外學者對電弧增材制造尺寸精度優(yōu)化做了大量研究，但復雜零件成形軌跡不僅是單一的直線，通常包含有圓弧及拐角等特征軌跡[10]，其中圓弧軌跡的曲率對增材制造成形形貌的影響，國內(nèi)外還未見相關報道?；诖耍疚幕跈C器人MIG電弧增材制造技術，分析不同成形軌跡條件下的電弧形態(tài)及熔池流動特征，并重點探討了成形軌跡曲率對熔積層形貌尺寸的影響，為增材制造的多曲率成形軌跡優(yōu)化打下良好基礎。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗材料為ER316L不銹鋼焊絲，絲徑為1.0 mm，焊絲化學成分見表1?；鍨?5 mm厚的Q235軋制鋼板。試驗設備為安川MS80機器人及SAF焊機、高速攝像PELICAN 1560 CASE、線切割機等。

表1 焊絲化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

1.2 試驗方法

為了探究軌跡曲率對熔積層形貌尺寸的影響，保持送絲速度6.5 m/min不變，分別設定焊接速度為300、600和900 mm/min，熔積得到不同曲率下的焊道。

為了避免干擾因素對成形形貌的影響，保持保護氣流量、焊槍到基板的距離、焊槍姿態(tài)以及基板溫度等影響因素一致，試驗選用保護氣流量為18 L/min，焊槍到基板的距離為10 mm，焊槍垂直于基板，基板溫度為25 ℃。利用高速攝像垂直焊道橫截面拍攝電弧形態(tài)及熔滴過渡，堆焊結束后沿焊道中部徑向方向用線切割切取每道焊道，將不同水平下的焊道沿橫截面切開取樣，每個焊道選擇3個區(qū)域取樣，對截面研磨拋光后，拍攝焊道并提取直線及曲線軌跡截面輪廓(見圖1)，計算所獲得焊道熔寬與余高的平均值。

圖1 焊道截面尺寸示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 電弧形態(tài)及熔滴過渡分析

保持其他工藝參數(shù)不變，利用高速攝像拍攝成形軌跡分別為直線與曲率半徑為30 mm時的電弧形態(tài)及熔滴過渡(見圖2)。由圖2可知，當自由熔積成形軌跡為直線時，電弧形態(tài)沿焊絲軸線兩側(cè)基本呈正態(tài)分布，熔滴過渡表現(xiàn)為大滴過渡特征；當成形軌跡為曲線時，電弧在靠近圓弧內(nèi)側(cè)部分出現(xiàn)一定程度的收縮現(xiàn)象，呈偏態(tài)分布，熔滴過渡表現(xiàn)為大滴排斥過渡。

圖2 不同成形軌跡下高速攝像

由電磁學的基本理論分析可知，焊接電弧是電極和熔池之間的柔性氣體導體，在焊接過程中，在電極和電弧周圍及被焊金屬中產(chǎn)生磁場。熔積模型完全對稱情況下，中心電流無橫向偏轉(zhuǎn)，因此軸心電磁力合力應為零[11-12]；對于非對稱結構，如果這些磁場非對稱地分布在電弧周圍，中心電流有一定的偏轉(zhuǎn)，電磁力的合力不為零，使電弧偏斜，即磁偏吹效應[13]。

在機器人MIG電弧增材熔積成形曲率軌跡過程中，焊接時不僅電流通過焊絲與電弧在空間產(chǎn)生磁場，通過已熔敷焊道的電流也會在空間中產(chǎn)生磁場，使得左側(cè)電弧空間磁場疊加后磁力線密度大于右側(cè)，在電弧周圍磁力線密度分布不均勻。磁力線密度大的地方產(chǎn)生對電弧的推力，大于并指向磁力線密度小的地方，使電弧偏離焊絲軸向，表現(xiàn)為偏態(tài)分布。電弧磁偏吹示意圖如圖3所示。

圖3 電弧磁偏吹示意圖

2.2 曲率對熔積層尺寸的影響

電弧增材制造成形過程中，熔積層寬度決定多道搭接關系，熔積層高度決定多層堆焊高度，最終影響成形件的尺寸精度。試驗結果見表2，由表2可以看出，盡管曲率半徑變化不大，但依然對熔積層形貌尺寸有明顯的影響。

表2 試驗方案及試驗結果

2.2.1 曲率對熔積層熔寬的影響

曲率對熔積層寬度尺寸的影響如圖4所示。由圖4可知，對不同焊接速度條件下的熔積層成形尺寸而言，隨著曲率半徑的減小，即成形軌跡曲率逐漸增大，熔寬呈增大的趨勢。這是由于相較于直線軌跡，成形曲線軌跡過程中，已熔積焊道對當前焊接電弧的磁偏吹效應，使電弧形態(tài)沿圓弧徑向方向伸展；此時熔滴受到電弧形態(tài)變化的影響，在表面張力、電磁力及重力等共同作用下，熔滴脫離焊絲端部及滴落過程中有沿圓弧徑向方向的位移，由大滴過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮闻懦膺^渡，在二者共同作用下使熔積層寬度增大，且隨著曲率的增大，在電弧形態(tài)及熔滴過渡的作用下，熔積層寬度越寬。

圖4 曲率對熔積層熔寬的影響

2.2.2 曲率對熔積層余高的影響

對于曲率軌跡成形熔積層余高的影響，在其他因素保持不變的情況下，焊道余高會因熔寬的增大而減小，而曲率對余高的影響需要做進一步的分析(見圖5)。受到電弧形態(tài)及熔滴過渡的影響，焊道截面最高點與指狀熔深最低點并非在同一豎直面上，焊道外輪廓也非左右對稱分布，這是由于靠近圓心一側(cè)電弧電磁力升高，液態(tài)熔池受到左側(cè)電磁力FL大于右側(cè)電磁力FR。液態(tài)金屬除沿圓弧焊道切向向后流動外，還在電磁力推動下沿圓弧徑向流動，從而使余高增大；所以，曲率對余高的影響應該是上述2個方面因素的疊加，表現(xiàn)為焊道余高變化趨勢雖存在波動，整體隨著曲率的增加而增大。

圖5 曲率對熔積層余高的影響

3 結語

通過上述研究得出如下結論。

1)電弧增材熔積成形曲線軌跡時，由于磁偏吹效應，使電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)，影響電弧形貌及熔滴過渡。

2)隨著電弧熔積成形軌跡曲率的增大，熔積層寬度逐漸變寬；熔積層高度受到熔寬變化及熔池流動等綜合因素的影響，變化趨勢略有波動，整體隨著曲率的增大而增高。

在電弧增材熔積成形過程中，成形軌跡曲率對熔積層形貌尺寸具有顯著的影響。本文分析了軌跡曲率與熔積層尺寸的關系，為高效低成本電弧增材制造技術的研究應用奠定了基礎。