電弧增材制造過程的外形控制優(yōu)化

馬 馳，劉永紅，金 輝

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島266580）

近年來，增材制造由于其結(jié)構(gòu)輕巧性、外形自由性、材料利用率高及可生產(chǎn)制造功能梯度材料等巨大優(yōu)勢吸引現(xiàn)代工業(yè)的注意[1-2]。增材制造按照能量源不同可分為電子束熔化、激光選區(qū)熔化、電弧增材制造[2]等，其中電弧增材制造 （wire and arc additive manufacturing，WAAM）由于高堆積速率、高材料利用率、低設(shè)備費用及具有制造大型構(gòu)件的特點而廣受關(guān)注[3]。

電弧增材制造以堆積絲作為原材料，使用熔化極氣體保護焊（GMAW）、鎢極氣體保護焊（GTAW）或等離子弧焊（PAW）過程所產(chǎn)生的電弧作為能量源，利用六軸機械手或CNC機床作為運動平臺，通過堆積絲熔進電弧產(chǎn)生金屬熔池層層堆積而成[3-4]。Williams等[5]使用電弧增材制造技術(shù)成功制造出長達2.5 m的鋁合金機翼件，BTF（Buy-To-Fly）比率從傳統(tǒng)機械銑削的37降低到12，節(jié)省大量金屬材料的同時大大提高了效率。然而，當前研究主要關(guān)注如何提高電弧增材制造件的性能，而對其外形控制鮮有研究。由于電弧增材制造本質(zhì)上是基于單層單道焊縫，而單層單道焊縫的起弧處寬且高、熄弧處窄而低，這對電弧增材制造件的外形造成了不利影響。由于層層堆積，起弧處與熄弧處的外形誤差不斷累積，導(dǎo)致起弧處越來越高、熄弧處越來越低，兩處的高度差達到一定限度將導(dǎo)致起弧處撞焊槍，而熄弧處無法提供有效的氣體保護，產(chǎn)生各種氣孔。

熊俊等[6-8]針對電弧增材制造過程外形控制進行了一系列研究。通過CCD傳感器及圖像處理算法實現(xiàn)了對于焊道寬度的實時監(jiān)測，并采用神經(jīng)元自學(xué)習(xí)求和分離PSD控制器、通過在線控制堆積速度實現(xiàn)焊道寬度的閉環(huán)精確控制；使用被動視覺檢測，將自適應(yīng)算法用于電弧增材制造過程中每層層高控制，但由于該控制并不能完全達到所要求的尺寸，每次堆積完工作臺需下降一定高度用于抵消誤差，以保證焊槍到堆積部件上表面的距離為恒定值；此外，還提出對于非封閉式堆積，交錯式堆積可使起弧處與熄弧處相互彌補，提高零件的外形精度；而對于同向式堆積，在起弧處增大堆積速度，在熄弧處減小電流與堆積速度，可實現(xiàn)對于起弧處與熄弧處的優(yōu)化控制。然而，不同于電弧電流、電壓及堆積速度等參數(shù)能按照特定變化曲線改變的特點，一些數(shù)控系統(tǒng)通常只能以恒定值運行，導(dǎo)致無法使用最優(yōu)的變化曲線進行控制。本文基于電弧增材制造過程的恒定參數(shù)對起弧處和熄弧處進行優(yōu)化，以改善電弧增材構(gòu)件的外形尺寸。

1 試驗條件

試驗使用Artsen PM400AD智能GMAW焊機作為熱源，熔化1 mm直徑的ER50-6焊絲，基板采用商用低碳鋼Q235B鋼板，運動平臺為六軸機器人；采用95%Ar與5%CO2混合氣以15 L/min的流速作為屏蔽氣保護熔池，以同向堆積方式進行打印，參數(shù)為起弧電流50 A、起弧時間0.4 s，熄弧電流60 A、熄弧時間4 s。堆積絲與基板的化學(xué)組成見表1，焊接條件見表2。

本試驗使用的六軸機器人控制器通過模擬量分別控制電弧的電流和電壓，由于該設(shè)備用于傳統(tǒng)焊接過程，堆積過程中電流、電壓將被鎖定而無法按照某種曲線變化，堆積速度也無法按照優(yōu)化曲線設(shè)定；此外，由于控制系統(tǒng)缺乏前瞻算法，即使相同速度過渡也將造成停頓。這兩者共同造成無法按照特定變化曲線對起弧處和熄弧處進行優(yōu)化，本文另用其他策略優(yōu)化起弧處與熄弧處的外形。

2 控制策略

圖1是試驗采用的外形控制策略，為了優(yōu)化起弧處與熄弧處初始不良外形，將整段焊道分為起弧段區(qū)、正常段區(qū)、熄弧段區(qū)，針對不同段區(qū)采用不同策略以實現(xiàn)外形的最優(yōu)控制。由于堆積過程電弧電流、電壓被鎖定而無法改變，因此主要通過堆積速度的改變進行起弧處、熄弧處的外形優(yōu)化。針對起弧段區(qū)寬而高，采用大速度及不同的起弧段區(qū)長度用于抵消多余金屬；針對熄弧段區(qū)窄而低，采用小速度及不同暫停時間進行控制。

表1 堆積絲與基板的化學(xué)元素組成

表2 焊接初始條件

圖1 起弧處與熄弧處的優(yōu)化策略

試驗對起弧段區(qū)速度、熄弧段區(qū)速度、起弧段區(qū)長度等參數(shù)進行探究。其中，起弧段區(qū)速度在長度20 mm的起弧段區(qū)進行，速度12～20 mm/s，步長2 mm/s，堆積3層；熄弧段區(qū)速度在長度20 mm的熄弧段區(qū)進行，速度7～9 mm/s，步長1 mm/s，堆積3層；起弧段區(qū)長度在起弧段區(qū)速度14 mm/s下進行，長度20～60 mm，步長20 mm，堆積15層；最后用優(yōu)化的起弧、熄弧參數(shù)堆積25層，用于驗證參數(shù)性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 起弧段區(qū)速度對于起弧處外形的影響

圖2是在不同起弧段區(qū)速度下的起弧處外形圖。隨著起弧段區(qū)速度增大，起弧處相較于正常段區(qū)的高度明顯降低，在堆積速度為20 mm/s時達到最低點；同時，隨著堆積速度增大，外形逐漸不規(guī)則，這是由于當堆積速度過快時，電弧不穩(wěn)定，焊道外形不規(guī)則，從而影響成形過程。本文選用14 mm/s作為起弧段區(qū)的堆積速度。

圖2 不同起弧段區(qū)速度對于起弧處外形影響

堆積速度影響堆積金屬的線堆積量與熱輸入，當堆積速度越快，線堆積量越小，熱輸入越小。較小的堆積金屬形成較小的外形尺寸，而較小的熱輸入使熔池不易流淌，減弱流淌造成的外形不佳。因而，隨著起弧段區(qū)堆積速度的增大，起弧處高度降低。

3.2 熄弧段區(qū)速度對于熄弧處外形的影響

圖3是在不同熄弧段區(qū)速度下的熄弧處外形圖。隨著熄弧段區(qū)速度增大，熄弧處相對正常段區(qū)高度差值先增大后減小，并在8 mm/s時達到最大值。本文選用8 mm/s作為熄弧段區(qū)的堆積速度。

不同于起弧處與中間段，熄弧處由于端面沒有其他物理約束，熔池存在傾斜流淌的趨勢，過小的堆積速度一方面提高線堆積量，補償傾斜的堆積金屬，但同時也提供過多的熱輸入，導(dǎo)致熔池凝固所需時間增多，增加了流淌的趨勢，使得熄弧處傾斜反而加劇。

圖3 不同熄弧段區(qū)速度對于熄弧處外形影響

3.3 不同起弧段區(qū)長度對于起弧處外形的影響

圖4是在不同起弧段區(qū)長度下的起弧處外形圖。隨著起弧段區(qū)長度增加，起弧處相對于正常段的增量先減小后增加，并在起弧段區(qū)40 mm時起弧處高度達到最佳值。

圖4 不同起弧段區(qū)長度對于起弧處外形影響

圖5是在起弧段區(qū)長度為40 mm的前五層焊道外形。起弧段區(qū)的堆積速度將造成起弧點處（A處）與起弧段區(qū)終止點處（B處）之間形成凹坑，這是由于A、B點處不可避免的停頓造成，而該凹坑可用來容納起弧處多余的流淌金屬，抵消起弧處的高度增量。由圖5可見，直到第5層凹坑一直存在，用來吸收、抵消多余的金屬，堆積區(qū)長度較長，則凹坑尺寸較大，可吸收更多起弧處的多余金屬；然而，過大的起弧段區(qū)長度會使過長的焊道成為補償區(qū)，減少中間正常段長度，使有效段變短。

圖5 起弧段處凹坑對于起弧處外形影響

3.4 優(yōu)化策略對于電弧增材構(gòu)件外形的影響

圖6是起弧段與熄弧段采用優(yōu)化策略前后的電弧增材構(gòu)件。優(yōu)化前后的構(gòu)件起弧處相對正常段的增量分別為4.10 mm和3.26 mm，優(yōu)化后減少20.5%；熄弧處相對正常段的增量分別為-11.16 mm和-6.44 mm，優(yōu)化后增加44.5%；優(yōu)化前后，起弧處與熄弧處的高度差分別為15.26 mm和9.7 mm，優(yōu)化后減少36.4%?？梢妰?yōu)化的堆積策略顯著提高了電弧增材堆積件的外形精度，但還是無法完全改變起弧處較高、熄弧處較低的現(xiàn)狀。

圖6 起弧段與熄弧段優(yōu)化策略對電弧增材構(gòu)件外形影響

4 結(jié)論

本文針對電弧增材制造過程中起弧處較高、熄弧處較低的特點，基于當前設(shè)備性能，對堆積策略進行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

（1）增大起弧段區(qū)速度，可減弱起弧段高度，但堆積速度過高，可能造成堆積件外形不佳；降低熄弧段區(qū)速度，可提高熄弧段高度，但過低的速度則可能加劇流淌，造成熄弧處高度更低。

（2）增大起弧段區(qū)長度，可形成更大的凹坑用于吸收起弧段處過多金屬，但長度過大會造成正常段長度的減少。

（3）相對于未優(yōu)化的構(gòu)件，優(yōu)化后的構(gòu)件起弧處、熄弧處的高度比正常段分別減少20.5%、增加44.5%，起弧處與熄弧處的高度差減少36.4%，表明經(jīng)過優(yōu)化的起弧、熄弧參數(shù)極大地提高了堆積件的外形精度。