南极熊深度解析——基于机器人堆焊增材制造工艺与方法研究

为了适应当今制造业市场日趋激烈的竞争环境，企业要在最短的时间内设计、加工与制造出来符合消费者个性要求的产品。增材制造作为一种“自下而上”的制造方法，能满足制造业对于零件的快速设计制造与加工过程柔性化的要求，因此近年来受到了业界的广泛关注。 相比于其他几种增材制造技术如SLS、FDM、LOM等，堆焊成形具有在低成本下生产组织致密且力学性能好的特点，因此该技术有望发展为面向民用市场大批量生产的增材制造技术。

但是，目前基于堆焊的增材制造技术研究还不够深入，成形零件距能达到实际应用的要求还有较大差距，其中主要体现在如下两点：
1) 由于堆焊工艺中弧坑塌陷造成的成形尺寸不精确。
2) 成形零件表面粗糙无法满足使用要求。

解决堆焊成形的弧坑塌陷问题，主要是通过优化成形路径予以解决的。其中，堆焊成形路径描述了焊接过程中的焊道起弧、停弧的位置以及焊缝间的空间位置及时间顺序。目前国内外许多学者对堆焊成形的路径规划进行了研究。例如，美国肯塔基大学的张裕明等人采用了对切片的轮廓线进行环状扫描，而对内部的填充则采用往复“Z”字形扫描的方式，消除了由于焊接过程中的起弧和断弧处造成的焊接缺陷和不连续性，使一层内的熔焊堆积一次性完成。英国诺丁汉大学J D Spencer等人开发出一种“两次螺旋堆积”的路 径规划方式，消除了焊接中焊缝重熔对零件轮廓的破坏。 对于零件表面粗糙的问题，则需要在加工的过程引入其他加工方法使零件表面光滑。

研究人员设计了一种由弧焊机器人、数控铣床、抛丸机以及支撑材料堆积系统组成的复合四工位的快速成形系统。在其工作过程中，弧焊机器人每完成一条焊道，其多余的部分将会被铣削掉并进行抛丸去应力，在堆积支撑材料之后进行下一层的堆焊。此方法的优点在于零件成形精度高，表面质量好同时生产效率高。 在本文的实验研究中，作者提出了一整套堆焊成形的工艺，基于机器人堆焊制得了一个成品零件。在堆焊成形方面，优化了堆焊成形的路径规划方法，解决了弧坑塌陷的问题，并堆焊出单壁墙体零件，验证了该方法的成形效果；在成形后零件的后处理方面，本次实验采取了电解加工的方式对零件进行精密修形，以解决由于堆焊成形的零件表面过于粗糙难以满足使用要求的问题。

1 实验条件与过程
1.1 实验条件
本次实验的堆焊成形系统如图1所示，其中主要设备的型号分别为MOTOMAN HP6弧焊机器人、NX100机器人控制器以及TPS400型数字化焊机及其专用机器人接口ROB5000。除此之外，实验设备还包括一台自制电解加工设备对零件进行后处理。实验材料为直径1.2mm的H08Mn2Si焊丝、直径1.2mm的5356铝合金焊丝、保护气、Ar气、20%氯化电解液、Q235钢板/管以及6061-T6铝合金板/管。 󰀔 󰀕󰀖󰀗 󰀘

1.2 实验方法
首先进行焊接工艺参数对成形的影响规律实验研究，分别得出适合低碳钢和铝合金堆焊成形的工艺参数。然后在合适的工艺参数下分别对预定的低碳钢和铝合金零件进行堆焊成形，对比不同路径规划对成形效果的影响。最终用电解加工的方式对零件进行精密修形，得到表面光滑的零件。

2 结果与分析
2.1 焊接工艺参数对单道焊缝几何参数的影响
本次实验中采用的焊接方法的主要工艺参数为焊接电流、电弧电压和焊接速度。由于实验所用焊机为电流电压一元化调节，因此只观察焊缝几何参数与焊接电流和焊接速度的关系。 分别对Q235钢和铝合金进行单道焊缝的堆焊实验，图2所示为低碳钢气保护焊过程中焊缝成形与焊接电流和焊接速度的关系，可以看出熔高、熔宽几乎随焊接电流增加呈线性增长关系，理论上焊接电流增大，熔高增加，熔宽不变。而焊接速度增大，熔宽线性减少，熔高几乎不变。      

对于堆焊成形，弧坑塌陷会对零件的成形精度造成严重影响，因此要设法避免。通过以下三种途径可以减小弧坑塌陷的影响：
1) 减小焊接的热输入量。热输入量过大，会 使得焊缝熔高增加，弧坑范围增大，最终使焊缝的弧坑塌陷变得明显。
2) 通过在机器人的指令中加入填弧坑的动作填补弧坑。在收弧的时刻，控制机器人做一定时间的停顿，可以起到填弧坑的效果。这一点可以通过在MotoMan指令中加入Timer语句得以实现。

3) 通过合理的路径规划，减小弧坑的影响。在堆焊的过程中可以通过路径规划使焊缝的起弧和收弧的地方互相补偿，降低起弧收弧对零件成形的影响。此外，还可以规划路径使焊枪在焊缝可能出现收弧的两端的停留时间变长或产生少量的路径重叠，最终使得堆焊出一个平面。

图3所示为低碳钢气保护焊普通焊缝与采用上述方法改进工艺后单道焊缝的成形效果对比，上侧焊缝为173A焊接电流下单道焊缝成形；下侧焊缝为82A电流条件下加入了填弧坑动作与在两端路径重合的条件下的焊缝成形。可以看出，改进工艺后的焊缝成形对称，表面光滑有利于堆焊成形。对于铝合金堆焊焊缝成形，也有上述规律。

2.2 堆焊成形实验
基于以上成形规律实验所得出的适合堆焊成形的工艺参数进行了零件的堆焊成形实验。实验中设计制备一个导弹尾翼的模型，主要用于检验优化工艺后堆焊成形过程中是否存在弧坑塌陷问题。其中在Q235钢板上以气保护焊的方法堆焊H08Mn2Si焊丝的工艺参数为：焊接电流80A、焊接速度6.67mm/s、焊丝伸长10~15mm、保护气流量12L/min。在6061铝合金板上以直流反接MIG焊的方法堆焊5356焊丝的工艺参数为：焊接电流145A（射流过渡）、焊接速度16.67mm/s、焊丝伸长10~15mm、保护气流量20L/min。其成形效果如图4所示，可见优化后的工艺能很好的解决弧坑塌陷问题。图5为低碳钢制品堆焊成形的全过程，可以看出，每层成形良好并没有因为弧坑塌陷而引起堆焊过程的不稳定。

2.3 成形制品的后处理实验
由于堆焊成形的制品表面粗糙，难以直接交付使用，所以有必要探索堆焊成形零件后处理方法进行探索。本实验中，采取电解加工的方法对零件进行了后处理，目的在于得到光滑的表面。所用电解液为20%NaCl溶液，在70%占空比阴极距离工件间隙0.5mm的条件下加载20V电压32A电流电解3min。处理后的最终制品效果如图6所示可见，电解加工处理后的零件表面光滑，满足使用要求。

2.4 成形制品的组织与力学性能检测
2.4.1 显微硬度测试
从基材至堆焊的多道焊缝，由下向上每隔0.5mm分上、中、下三部分对低碳钢试样进行了显微维氏硬度测试，其结果如图7所示。从显微硬度的测试结果可知：基体Q235的硬度偏低，多层焊缝的硬度较高在一定范围内波动分布；在靠近试样顶部的2~3mm处，由于其组织为针状马氏体，试样的显微硬度突然增高。

2.4.2 显微组织检测
将低碳钢制品纵截面剖开并制成金相试样其显微组织如图8所示。低碳钢试样内部的组织可以分成三种：顶端粗大的柱状树枝晶类似于焊缝组织，中部细小的等轴晶类似正火组织以及试样底部焊缝与基材交界处的混合组织。由于H08Mn2Si焊丝的碳当量较高，其单道焊缝为针状马氏体。在单层多道的焊接过程中，后续焊缝对先前焊缝起到重新加热作用，使其回火然后又发生了重结晶，得到了类似正火处理后的细晶组织。

结论
1) 采用减少热输入、添加填弧坑动作以及使焊接路径重叠等优化的工艺措施后，很好的解决的堆焊成形时弧坑塌陷带来的问题。实验过程中，每层堆焊焊道基本保证稳定，可以实现低碳钢和铝合金制品堆焊增材制造。

2) 提出了一整套堆焊增材制造的工艺方法，即零件建模→堆焊成形→电解加工。最终得到的成品零件表面光滑，满足使用要求。
3) 堆焊成形的制品组织致密，硬度分布均匀，由于采用熔化极气体保护焊的方法熔敷效率高，因此堆焊成形是一种高效低成本的金属零件增材制造方法。

编辑：南极熊
作者：张   禹（南京航空航天大学 材料科学与技术学院）王世龙（首都航天机械公司，）罗   震，敖三三（天津大学 材料科学与工程学院）