铝合金熔丝增材制造表面平整度研究

张弛　沈忱　李芳　程思远　杨煜哲　华学明　唐彬

摘要：聚焦基于变极性冷金属过渡技术（CMT）的铝合金熔丝增材制造成形表面平整度，以一元化焊接送丝速度和横向相邻焊缝中心间距为变量，进行单层多道增材，通过结构光三维重构精确测量增材样品表面形状并使用平面拟合处理重构数据，定量计算增材表面高度方向上的极差和标准差。结果表明，在一定范围内增大送丝速度可以减少堆焊鱼鳞纹造成的偏差，但会引起焊道相对不稳定，致使增材样品表面总体平整度较差;而相邻焊缝中心间距与单道焊缝宽度的最佳比值与实际焊接工艺有关，仅靠曲线拟合单道焊缝形状和建立重叠模型不能计算预判所有焊接工艺条件下增材制造的成形质量。

关键词：熔丝电弧增材制造;变极性冷金属过渡;三维扫描;表面平整度

中图分类号：TG457.14 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0053-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.11

0 前言

熔丝电弧增材制造是一种以电弧为热源，焊丝为增材材料，通过计算机辅助设计，利用逐层熔覆的原理制造三维构件的技术。其成形构件具有成本低、组织致密、增材全密度、机械性能优良的特点，随着航空、航天和汽车等一些关键技术领域对金属零件制造要求的不断提高，采用熔丝电弧增材制造成为新的趋势[1-3]。

提高电弧增材制造构件的成形质量对熔丝电弧增材制造的进一步发展尤为重要，其中每层成形表面的平整度对构件整体质量有很大影响。研究表明，通过优化焊接工艺和调整焊道之间的几何关系等可以有效提高表面平整度[4]。Yong Cao[5]等人通过对比logistic函数、高斯函数、抛物线函数、正弦函数，得出使用正弦函数拟合单道焊缝截面轮廓时误差最小，并使用平顶重叠模型计算出相邻焊道中心间距为单道焊缝宽度的63.66%时增材堆积表面平整度最高。Xiong Jun[6]等人通过实验得出送丝速度与焊接速度的比值不同会导致函数拟合误差不同，当比值大于12.5时，使用抛物线模型拟合最准确，相邻焊道中心间距为单道焊缝宽度的66.67%时表面平整度最高。Donghong Ding[7]等人通过实验得出抛物线和正弦函数都能很好地拟合焊缝截面轮廓，并且实验中相邻焊缝无法达到理想的平顶重叠模型，采用切线重叠模型则能获得更好的平整度，通过抛物线函数拟合计算出相邻焊道中心间距为单道焊缝宽度的73.8%时表面平整度最佳。Yongzhe Li[8]等人的实验表明，由于熔滴的扩散行为，实际堆积得到的焊缝中心间距与计算值存在偏差，并通过人工神经网络预测此偏移距离，优化表面平整度。

本研究基于变极性冷金属过渡（Advanced cold metal transfer，Advanced CMT）技术的铝合金熔丝电弧增材制造单层堆积成形表面平整度。以一元化焊接送丝速度和相邻焊缝中心间距两个最基础的参数为变量，进行单层多道增材实验。通过结构光对样品进行三维重构，定量计算成形表面高度方向上的极差和标准差，分析焊接参数对增材制造表面平整度的影响。

1 实验材料及方法

1.1 单层多道增材实验

实验采用的机器人熔丝电弧增材制造系统如图1所示，包括YASKAWA机器人及其控制系统、Fronius CMT Advanced焊机（焊接电源、送丝系统）、固定在机器人末端的焊枪和焊接工作平台。与熔化极气体保护焊（Gas metal arc welding，GMAW）和传统冷金属过渡焊（CMT）相比，Advanced CMT的热输入量更低、熔覆效率和焊接稳定性更高，非常适用于铝合金增材制造。

采用直径1.2 mm的ER4043铝合金焊丝，基板为250 mm×250 mm×10 mm的5754铝合金板，两种材料的化学成分如表1所示。保护气体为纯氩气，气流量15 L/min，干伸长度14 mm。

按照图2所示路径进行单层多道堆积，采用连续增材不停弧的方式，长边焊接时机器人行走速度为30 cm/min，为减少短边处多余材料的堆积并保持连续增材，短边时机器人行走速度为90 cm/min。实验变量为送丝速度和焊缝中心间距，根据铝合金变极性CMT合理焊接参数和切线重叠模型计算得到的相邻焊道中心间距为单道焊缝宽度的73.8%，选择7.0 m/min的焊接速度和5.166 mm的焊缝中心间距为中心值，分别设置3个水平。选取送丝速度分别为6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min，焊缝中心间距分别为5.026 mm、5.166 mm、5.306 mm。实验测得送丝速度与单道焊缝宽度和焊缝间距的对应关系如表2所示。

1.2 三维扫描重构及表面平整度计算

使用CREAFORM公司HandySCAN 3D扫描仪对增材样品进行三维重构，扫描精度0.02 mm。扫描完成后从软件平台获得STL格式的文件，STL模型在增材制造领域应用广泛，其使用三角形面片来模拟物体表面。本文通过Geomagic软件对STL文件进行数据处理，所有样品选取一个固定区域，将该区域内所有点进行平面拟合并计算极差和标准差。

2 实验结果与分析

实验中送丝速度分别为6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min，由于送丝速度的改变是在一元化焊接模型下，随着送丝速度的提高，焊接电流和电压升高，单位时间内的熔敷量增加，单道焊缝宽度增大。在一定范围内提高送丝速度有利于提高增材效率，但过大的送丝速度会造成热输入量过大，影响增材件的成形质量。

实验获得的9个样品如图3所示。可以看出，送丝速度为6.5 m/min时，样品表面鳞纹非常明显，焊道稳定性强;送丝速率为7.5 m/min时，由于热输入较大，焊道稳定性下降，进而导致堆积层表面鱼鳞纹不均匀。

通过定量计算，送絲速度为6.5 m/min、7.0 m/min、7.5 m/min时，单道焊缝稳定位置鱼鳞纹造成的标准差分别为0.100 mm、0.084 mm、0.068 mm。可见，变极性CMT增材制造表面产生的鱼鳞纹所造成的标准差随送丝速度的增大而减小，但由于送丝速度变大会造成焊道不稳定，如驼峰现象明显，需计算表面整体平整度。

通过三维扫描得到STL模型并使用Geomagic软件进行数据处理，为了避免起弧和熄弧位置起伏对平整度的比较产生影响，每个样品都选择排除堆积层边缘与有缺陷的位置，只取合理表面进行数据处理评估平整度。加入色阶来体现增材表面各点与拟合平面的相对高度，如图4所示。

可以看出，高出拟合平面的点大部分分布在每道焊道中心位置，低于拟合平面的点大部分分布在相邻焊道结合的低谷处，但各点分布不完全均匀，在焊道位置存在驼峰。对该区域内所有点进行平面拟合并计算极差和标准差。极差为所有点到拟合平面的距离极大值，标准差为所有点到拟合平面距离差平方的算术平均数的平方根，结果如表4所示。

由表4可知，在相邻焊缝中心间距一定的情况下，送丝速度为6.5 m/min时增材表面平整度较好。在一定范围内，当提高送丝速度、增大热输入量时，极差和标准差都有所增大，说明虽然较不明显的鱼鳞纹对平整度有利，但高热输入量造成的焊道不稳定缺陷更为显著。在送丝速度为7.0 m/min的情况下，焊缝中心间距与单道焊缝宽度比值为0.758时的平整度优于比值为0.738时的，说明通过抛物线和切线重叠模型计算出的最佳比值0.738并不适用于本实验条件下对增材表面平整度计算的结果。

送丝速度为7.5 m/min时，3组焊缝中心间距与单道焊缝宽度比值还未达到最佳值，说明通过平顶模型计算出的最佳比值0.667同样不适用于本实验条件下的结果。若只考虑焊缝中心间距与单道焊缝宽度比值对平整度的影响，通过计算增材样品表面平整度，如图5所示，本实验条件下的最佳比值范围为0.758～0.840，不同焊接工艺对应的最佳比值不同。

3 結论

本文研究了基于变极性冷金属过渡（Advanced CMT）技术的铝合金电弧增材制造成形表面的平整度，通过三维重构和平面拟合等方法，以送丝速度和相邻焊缝中心间距为变量，定量计算了单层多道增材表面的平整度，得到以下结论：

（1）在一定范围内，当送丝速度提高、热输入量增大时，焊道相对不稳定，整体平整度较差。

（2）不同焊接工艺下焊缝中心间距与单道焊缝宽度的最佳比值不同，焊道的驼峰现象、多道焊缝之间的相互作用都会影响平整度，对双道焊缝建立数学模型计算出的最佳比例不适用于所有焊接工艺，对多道增材表面平整度进行计算更符合实际情况。

（3）本实验通过改变焊接参数，并定量计算单层多道增材表面的平整度，得出送丝速度为6.5 m/min，焊缝中心间距与单道焊缝宽度的比值为0.817是最佳值。可见，对于Advanced CMT技术而言，需要新的单道堆积模型来辅助相应的增材堆积。所以，当改变熔丝电弧增材制造堆积工艺时，所有单道形状模型均需进行针对具体工艺的研究，熔丝电弧增材制造成形质量与精度的研究与工艺数据库的建立还有很大的发展空间。

参考文献：

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