供稿|呂慶功，張博文，張來啟 / LV Qing-gong, ZHANG Bo-wen, ZHANG Lai-qi

內(nèi)容導(dǎo)讀

交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊 (CMT)的焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點(diǎn)，而且熱輸入量進(jìn)一步降低，在進(jìn)行薄壁增材制造時(shí)，既可顯著消除氣孔，又可細(xì)化晶粒，將力學(xué)性能提升到媲美鍛造構(gòu)件的水平，在金屬復(fù)雜構(gòu)件成形的成本、效率和質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領(lǐng)域具有發(fā)展前景的技術(shù)。文章介紹了基于交流冷金屬過渡焊接技術(shù)(VP-CMT)設(shè)計(jì)的增材制造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)鋁合金復(fù)雜構(gòu)件的增材制造成形開展參數(shù)設(shè)計(jì)、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質(zhì)量檢驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，將工程材料、金屬焊接、機(jī)器人應(yīng)用等多學(xué)科知識(shí)融合到工程實(shí)踐活動(dòng)，不僅有利于加深對(duì)增材制造技術(shù)原理和實(shí)施過程的理解，還有利于培養(yǎng)工程綜合應(yīng)用能力。該實(shí)驗(yàn)緊跟科技發(fā)展新方向，對(duì)豐富工程訓(xùn)練內(nèi)容和提升工程訓(xùn)練技術(shù)水平具有現(xiàn)實(shí)意義和借鑒價(jià)值。

近年來，增材制造技術(shù)得到快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了不同材料和工藝的結(jié)合，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車、能源、交通、軍工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。金屬材料增材制造一般使用高能束流或電弧作為熱源，其中電弧增材制造技術(shù)因其低成本優(yōu)勢，在金屬零件快速成形領(lǐng)域得到了較快發(fā)展[1，2]。目前應(yīng)用比較廣泛的電弧增材制造技術(shù)包括：非熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Tungsten Arc Welding，GTAW)[3，4]、熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)[5]、等離子弧焊(Plasma-Arc Welding，PAW)[6，7]、冷金屬過渡焊(Cold Metal Transfer，CMT)[8，9]以及交流冷金屬過渡焊(Variable Polarity-Cold Metal Transfer，VPCMT)[10]等。其中交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊 (CMT)的無飛濺、焊速快、熱輸入量低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又引入變極性交流電模式，使焊接過程中的熱量分布更合理，基材收到的熱輸入量進(jìn)一步降低，在金屬復(fù)雜構(gòu)件成形的成本、效率和質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領(lǐng)域具有發(fā)展前景的技術(shù)[11]。

本實(shí)驗(yàn)基于交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)技術(shù)原理和設(shè)備系統(tǒng)，以鋁合金復(fù)雜構(gòu)件成形為例，通過參數(shù)設(shè)計(jì)、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質(zhì)量檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，深入學(xué)習(xí)并親身體驗(yàn)增材制造的技術(shù)原理和實(shí)施過程，有利于開闊視野，提高對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)的興趣，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。本實(shí)驗(yàn)具有系統(tǒng)性和綜合性特點(diǎn)，適用于工程訓(xùn)練課程體系的工程綜合訓(xùn)練層次[12]。

實(shí)驗(yàn)原理

冷金屬過渡焊(CMT)是以短路過渡為基礎(chǔ)的改進(jìn)型熔化極氣體保護(hù)焊，其獨(dú)特之處在于在熔滴過渡過程中利用前后兩套焊絲抽送機(jī)構(gòu)使焊絲的輸送過程不連續(xù)。如圖1所示，(a)焊絲電弧引燃，熔滴向熔池過渡，這個(gè)階段與傳統(tǒng)MIG焊相同；(b)在熔滴進(jìn)入熔池瞬間，電弧熄滅，電流減少；(c)電流短路，焊絲開始回抽促進(jìn)熔滴脫落，電流趨近于零，熔滴順利過渡到熔池；(d)焊絲電弧繼續(xù)燃燒，熔滴向熔池過渡。這個(gè)焊接過程重復(fù)循環(huán)。

VP-CMT 技術(shù)是將交流MIG/MAG技術(shù)應(yīng)用到CMT技術(shù)上，通過增加負(fù)脈沖使過渡階段由單一的可調(diào)正極性脈沖階段 (Electrode Positive Stage，EP)變?yōu)檎龢O性脈沖階段和負(fù)極性脈沖階段(Electrode Negative Stage，EN)兩個(gè)階段，焊接過程中電流電壓波形如圖2所示[14]。VP-CMT不但繼承了直流CMT焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點(diǎn)，而且熱輸入量進(jìn)一步降低，在進(jìn)行薄壁增材制造時(shí)，既可顯著消除氣孔，又可細(xì)化晶粒，將力學(xué)性能提升到媲美鍛造構(gòu)件的水平[15]。

實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)使用的VP-CMT增材制造系統(tǒng)包括機(jī)器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)兩個(gè)部分，焊絲材料采用鋁鎂合金絲，實(shí)驗(yàn)過程中采用氬氣對(duì)焊接熔池進(jìn)行保護(hù)。

圖1 CMT焊接過程示意圖[13]

圖2 VP-CMT電流電壓示意圖[14]

機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)采用德國KUKA公司的KR6-2型6軸機(jī)器人和KRC4控制柜，如圖3所示。機(jī)器人系統(tǒng)自重235 kg，重復(fù)精度±0.05 mm，最大作用范圍1611 mm，可用于大型零件的焊接加工及增材制造。KRC4控制柜采用軟件伺服控制，管理著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的各個(gè)功能，包括I/O軌道規(guī)劃管理、數(shù)據(jù)與文件管理、多軸/復(fù)合系統(tǒng)控制、最佳加速/減速控制、減震控制、軌跡恒定控制以及碰撞監(jiān)控等。另外，系統(tǒng)還配備了KUKA機(jī)器人語言編程系統(tǒng)，包括Workvisual軟件和SmartPad示教器，可實(shí)現(xiàn)離線編程或在線編程。

圖3 KUKA 機(jī)器人系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)由Austria Fronius公司提供，包括CMT Advanced 4000R全數(shù)字化交流焊接電源、VR7000-CMT 4R/G/W/F++送絲機(jī)以及CMT W推拉絲馬達(dá)。馬達(dá)以70~130 Hz的頻率正反轉(zhuǎn)，與送絲機(jī)協(xié)同以確保焊絲可在高頻雙向運(yùn)動(dòng)中保持恒定的接觸壓力和送絲距離，可輸出直流、脈沖和交流電波形，進(jìn)行包括CMT、CMT+脈沖、VP-CMT、VP-CMT+脈沖等焊接工藝。焊接系統(tǒng)還配有焊機(jī)遙控裝置RCU 5000i對(duì)焊接過程參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用直徑為1.2 mm的ER5183鋁鎂合金絲為增材制造的焊絲材料，該材料塑韌性好、強(qiáng)度高、耐蝕性好。基板選用5083鋁合金板，針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件成形特點(diǎn)，基板尺寸長×寬×厚選定為150 mm×150 mm×10 mm。焊絲和基板的化學(xué)成分見表1和表2。

表1 ER5183 鋁鎂合金焊絲成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 5083 鋁合金基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

VP-CMT實(shí)驗(yàn)方法

為避免基板表面的油污、氧化膜或水分等對(duì)成形過程及構(gòu)件組織造成影響，實(shí)驗(yàn)前需清除基板表面的油污與雜質(zhì)，用砂紙打磨后用酒精清洗，并用無塵布將基板表面擦拭干凈。在實(shí)驗(yàn)過程中采用純度大于99.99%的氬氣對(duì)焊接熔池進(jìn)行保護(hù)。實(shí)驗(yàn)選用VP-CMT模式，將焊接過程分解為引弧、引弧等待、焊接、熄弧等待、熄弧等五個(gè)階段，并在RCU 5000i里選擇符合焊絲材料和構(gòu)件尺寸的專家數(shù)據(jù)庫和對(duì)應(yīng)的job號(hào)。基本工藝參數(shù)如表3所示，其中干伸長度為焊絲尖端與導(dǎo)電嘴的距離。

表3 基本工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的基本流程包括參數(shù)設(shè)計(jì)、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形等，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)基本流程圖

參數(shù)設(shè)計(jì)

增材制造的工藝參數(shù)對(duì)構(gòu)件的成形精度和組織性能具有直接影響。實(shí)驗(yàn)前要熟知VP-CMT技術(shù)原理，理解各參數(shù)的含義，并懂得各參數(shù)對(duì)成形過程和構(gòu)件組織性能的影響規(guī)律，進(jìn)而對(duì)參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇和設(shè)計(jì)。依據(jù)焊絲材料和構(gòu)件尺寸在RCU 5000i專家數(shù)據(jù)庫里選擇參數(shù)范圍，確定相對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)。為保證成形良好，為上層堆積打下良好基礎(chǔ)，第一層成形使用脈沖模式打底，其送絲速度取6.0 m/min，Pulse=1，后續(xù)過程中參數(shù)則取為VPCMT初始參數(shù)，如表4。

表4 成形參數(shù)

三維建模

三維模型是增材制造過程的基本依據(jù)，可以采用當(dāng)前比較主流的3D模型設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建模型，也可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)模型樣例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)模型樣例是一個(gè)雙層空心圓柱結(jié)構(gòu)(圖5)，兩個(gè)圓柱體中間有波浪形花紋，圓柱體直徑自下而上逐漸變大。構(gòu)件的所有壁體設(shè)置為雙層壁體結(jié)構(gòu)，即每一層壁體由兩道焊縫組成。

路徑規(guī)劃與編程

路徑是指構(gòu)件成形過程中焊絲堆積的運(yùn)行軌跡，事關(guān)成形過程是否順利、成形精度是否適中，需要根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸具體確定。以圖5所示標(biāo)準(zhǔn)模型為例，由于組成構(gòu)件的三個(gè)部分(內(nèi)圓、外圓、波浪花紋)彼此連接但又相對(duì)獨(dú)立，所以每一層成形均按照“小圓、大圓、波浪花紋”的順序進(jìn)行分步堆積。為了避免相鄰層的起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)重疊導(dǎo)致構(gòu)件變形，設(shè)定每堆積完一層后焊絲頭位置逆時(shí)針偏轉(zhuǎn) 90°作為下一層的起弧點(diǎn)，這樣堆積四層即為一個(gè)起弧周期?？紤]到雙層焊縫壁體結(jié)構(gòu)，將X軸、Y軸變量設(shè)定為一個(gè)焊縫寬，而焊槍角度則保持與基板平面垂直。

圖5 三維構(gòu)件模型

路徑規(guī)劃完畢后，需要根據(jù)路徑規(guī)劃思想進(jìn)行編程，以便形成機(jī)器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)可以識(shí)別和執(zhí)行的指令。基于SmartPad示教器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令編寫，基于Workvisual 軟件進(jìn)行邏輯指令編寫，操作界面如圖6所示。KUKA機(jī)器人的開源性使得其在編程過程中對(duì)函數(shù)的使用更加便利。

策略優(yōu)化

圖6 路徑編程

策略優(yōu)化是指按照路徑規(guī)劃與編程結(jié)果實(shí)施增材制造過程，觀察和檢驗(yàn)成形過程及構(gòu)件質(zhì)量，依據(jù)存在的問題對(duì)成形路徑和參數(shù)進(jìn)行迭代改進(jìn)的過程，這個(gè)環(huán)節(jié)可以重復(fù)多次。以圖5所示標(biāo)準(zhǔn)模型為例，按照規(guī)劃的路徑實(shí)施成形過程，成形過程在底層比較順利，然而當(dāng)堆積到第四層時(shí)，波浪花紋高度明顯高出內(nèi)外圓柱，這種同層高度不均勻性導(dǎo)致焊槍與堆積層的距離不穩(wěn)定，進(jìn)而引起電弧不穩(wěn)甚至斷弧，使得成形過程無法順利進(jìn)行。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行原因分析后修改堆積策略，將“小圓、大圓、波浪花紋”這個(gè)堆積順序修改為“小圓、波浪花紋、大圓”，同時(shí)考慮到每一部分的散熱速度不同，在更改堆積策略的同時(shí)也對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，將三部分一樣的初始參數(shù)修改為三部分有所不同。將大圓的送絲速度調(diào)整為7.2 m/min以減小其熱輸入量，波浪花紋成形時(shí)將EP/EN Balance的值調(diào)整為2.5，改變能量分配以進(jìn)一步降低波浪花紋高度。培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)中，在這個(gè)環(huán)節(jié)要仔細(xì)針對(duì)問題分析原因，然后做出合理的路徑優(yōu)化和參數(shù)修正。

打印成形

經(jīng)過路徑規(guī)劃與編程以及策略優(yōu)化，采用優(yōu)化后的路徑和參數(shù)完成3D打印成形過程。本步驟以優(yōu)化的路徑和參數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了3D打印成形，成形過程順利，構(gòu)件外形完整，表面平滑，基本符合三維模型的設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。

圖7 構(gòu)件成形結(jié)果

結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析內(nèi)容包括外觀檢查、表面粗糙度檢測和表面硬度檢測等。外觀檢查是用目視、尺量和觸摸的方式檢查構(gòu)件外觀，檢查其是否符合三維模型設(shè)計(jì)的外形和尺寸要求，表面是否有缺陷，各部分的銜接是否完好等。表面粗糙度檢測則由LEXT OLS4100 3D測量激光共聚焦顯微鏡對(duì)可觀測外表面尤其是側(cè)面進(jìn)行表征。表面硬度檢測則用手持硬度測量儀對(duì)成品表面進(jìn)行硬度測量，每個(gè)點(diǎn)測量三次，取三次測量值的平均值。

結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以實(shí)體產(chǎn)品為載體，將工程材料、三維建模、金屬焊接、機(jī)器人應(yīng)用、3D打印等多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)融合到工程實(shí)踐，以加深對(duì)增材制造的理解；通過針對(duì)典型產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)培養(yǎng)工程綜合能力，包括專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作與溝通、圖形構(gòu)建與編程、工藝規(guī)劃與實(shí)施、問題排除與修正等；本實(shí)驗(yàn)結(jié)合科學(xué)研究成果，緊跟科技發(fā)展新方向，既豐富了工程訓(xùn)練內(nèi)容，又提升了工程訓(xùn)練技術(shù)水平，對(duì)工程訓(xùn)練資源的開發(fā)與更新具有借鑒意義。