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电弧增材制造综述:技术流派与展望(上)

电弧增材制造综述:技术流派与展望(上)

  • 分类:新闻中心
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  • 发布时间:2020-09-16 14:53
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【概要描述】

电弧增材制造综述:技术流派与展望(上)

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    近年来,相较于传统的减材制造,增材制造由于其在结构轻巧性、零件外形自由性、材料高利用性以及功能梯度材料的可制造性上等巨大优势吸引着航空航天与生物等工业的注意。常见的金属增材制造按照能量来源及不同原材料可分为:电子束选区熔化、激光选区熔化、激光近净成形及电弧增材制造等。其中,电弧增材制造由于采用电弧作为热源、填充丝作为原材料,加上该技术本身就具有高堆积速率、高材料利用率、低费用及适用于制造大型构件的优势,正成为一种具有发展潜力的增材制造方法。

    早在1920年,Baker就申请了使用可熔化电极采用金属叠加堆积金属饰品的专利。此后,Ujiie阐述了如何通过逐步堆积焊接金属获得圆形横截面压力容器的技术。随着计算机技术的发展及其在制造领域中的广泛应用,数字化焊接技术及数控设备彻底颠覆与重新定义了电弧增材制造技术。近十年内,电弧增材制造技术由于具有独特的优势获得广大研究者关注且发展迅速。当前电弧增材制造技术适用于碳钢、铝合金、钛合金、镍基合金及记忆合金的制造。与常规的减材制造技术相比,电弧增材制造系统可减少40%~60%的制造时间及15%~20%的后处理时间。

    本文主要回顾了使用电弧增材制造技术制造零件时有关外形控制及金属性能提高两个方面的研究。在相关研究的技术流派分类方面,本文将关于电弧增材制造的研究分为外形控制及材料质量控制两大流派,而根据实际采用的技术异同又可将这两大流派细分为前处理、过程控制、后处理等多个小类。下文将就此进行详细阐述。

 

01

典型电弧增材制造系统的构成

    通常,电弧增材制造使用熔化极气体保护焊(GMAW)、钨极气体保护焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)过程所产生电弧作为能量源,使用各种堆积丝作为原材料,使用六轴机械手或CNC机床作为运动平台(图1)。零件通过堆积丝的熔化及熔池的堆积冷却来制备。

1   WAAM能量源及运动载具

 

    常用的典型气体保护装置有两种:第一种是封闭气室,可提供类似于激光选区熔化级别的良好惰性气体保护,但封闭气室的大小将限制所制造零件的尺寸;另一种是局部气体保护装置,通常安装于焊炬处,在堆积过程中仅对炽热的熔池及熔池附近区域提供良好的局部惰性气体保护氛围,该装置适合于制造大尺寸构件。

    图2是典型的电弧增材制造系统概况。电弧增材制造系统主要涉及过程规划、堆积及后处理。过程规划主要为3D建模、3D切片、轨迹规划及优化等;堆积时,数字化电源与数控运动载具控制了熔池的精确堆积,这期间如温度传感器、激光轮廓仪、CCD相机、电流电压传感器等均可在线工作,一方面传感器所采信号仅作为过程监测来记录过程状态,另一方面当这些信号经处理接入控制器后,可基于特殊算法实现对堆积过程的闭环控制,以保证精确控制某些物理量;后处理通常主要指各种机加工、热处理及喷丸等方面的技术,以使零件达到最终使用要求。当前的电弧增材制造可用于制造铁基、铝基、钛基及镍基金属零件。由于不同材料的特性存在差异,所制备零件的缺陷也有所不同(图3)。

2   电弧增材制造系统概念

3   电弧增材制造中材料与缺陷的关系
 

02

电弧增材制造中的外形控制

    由于电弧增材制造本质上是基于一层层焊道的叠加,相较于其他金属增材制造,存在外形尺寸不够精确的问题。有关提高电弧增材制造零件外形精度的研究可分为轨迹优化、在线控制、复合减材制造等三大类。本部分主要回顾了关于电弧增材制造过程中外形控制的相关研究。

2.1   轨迹优化类

    电弧增材制造是基于一层层焊道的叠加,而普通焊道存在起弧处较高、熄弧处较低的问题。本部分主要研究在堆积前对过程参数进行优化的策略,以达到较好的成形精度。如图4所示,采用交错式堆积,起弧处和熄弧处相互弥补,较好地实现了外形的控制,然而在部分场合下,同向式堆积非常必要。对此,熊俊针对非封闭零件提出了在起弧处增大堆积速度、在熄弧处减少电流和堆积速度的策略,减弱了起弧处与熄弧处的高度差。此后,马驰基于已有数控设备运行期间的参数被锁定无法调整及缺乏前瞻算法的缺点,提出了在起弧处采用增大堆积速度及不同起弧段区长度、在熄弧处减少堆积速度及多次停顿的策略,改善了同向堆积时外形不佳的问题(图5)。

4   同向式堆积与交错式堆积示意图

5   优化前后的同向式堆积外形

 

    此外,李永哲研究了电弧增材制造过程中的多层多道,考虑了熔池流动的情况,提出了带有人工神经网络的迭代算法,可计算出优化后的中心距离,且该算法与实际堆积过程相符合(图6)。

6   优化的焊道叠加模型

 

    熊俊在不使用倾斜焊枪或旋转工作台的情况下,探索了如何使用水平堆积方式制造倾斜的薄壁件,分别通过改变偏移距离、送丝速度及焊接速度获得了不同的最大倾斜角度(图7)。熔池主要受表面张力、电弧力、液滴冲击力及重力作用;表面张力是维持熔池稳定的唯一作用力;送丝速度主要改变热输入、电弧力及液滴冲击力;热输入影响表面张力;焊接速度主要影响热输入,通过改变表面张力影响熔池形态。

7   不同参数条件下获得的薄壁件倾斜角度

 

    李永哲还进一步探究如何在水平堆积情况下制造倾斜的多层多道零件,其研究结果表明:为实现良好的外形,可对材料不足的填充区域补充额外的填充金属;在负斜率下,将焊道与已堆积的焊道并排放置在层边缘,可获得更好的成形形状;堆积顺序对于正斜率零件的外形成形影响较小(图8)。

8   四种典型倾斜多层多道零件示意图

 

2.2   在线控制类

    究者还对电弧增材制造过程中的零件外形在线控制进行了深入研究。Kwak在基于GMAW的电弧增材制造过程中进行了在线检测和控制研究(图9a),使用了两套结构光传感器在堆积过程中对零件外形(宽度和高度)进行实时在线检测,主要以所测宽度和高度为输入,采用所设计的双输入、双输出闭环系统,通过对堆积速度和送丝速度分别进行控制,获得了较好的零件外形(图9b)。

9   Kwak采用的系统及制造的零件

 

    在基于PAW的电弧增材制造过程中,胡晓冬使用被动视觉传感器对堆积过程进行在线检测,采用模糊PID控制器通过控制电弧电流来控制熔宽。熊俊针对基于GMAW的电弧增材制造成形不佳的问题进行了一系列的研究。针对焊道宽度控制,熊俊使用CCD相机进行了被动视觉检测,通过图像处理算法可实时获得焊道宽度的数据,并设计了一套单神经元自学习PSD控制器,通过在线控制堆积速度实现零件宽度的精确控制(图10a);针对堆积件高度,熊俊采用自适应算法控制每一层的层高,但该算法不能完全实现对高度的控制,每一层堆积完成后,工作台需下降一定的高度,以抵消误差(图10b)。

10   熊俊基于GMAW进行的电弧增材制造研究

 

2.3   复合减材制造类

    在电弧增材制造过程中,通过复合铣削可获得良好的成形表面。通常是每堆积固定层数后就铣削控形或是在零件整体堆积完后整体铣削。复合减材制造一般需交替进行。对于机械铣削而言,为避免冷却液对下层堆积造成污染,一般使用压缩空气进行冷却。Song在电弧增材制造过程中复合了传统的机械铣削,针对堆积过程提出了不同的策略,获得了良好的结果(图11)。

11    Song研究中的电弧增材制造与铣削复合策略

 

    由于堆积件无需更换工位,夏然飞采用机械铣削与电弧增材制造相复合的方法在同一台设备上完成了增、减材制造,极大地提高了效率,具体是通过铣削头及电弧增材头的交替工作来实现,为避免二者相互干扰,还通过一套滑轨系统在保证铣削的同时使电弧增材头上升而远离工件,防止其撞到焊炬(图12)。

12    机械铣削减材与电弧增材制造复合制造的零件

 

——未完待续——

   者:马   驰,刘永红,纪仁杰,李常龙

   源:《电加工与模具》2020年第4 

   文:《电弧增材制造综述:技术流派与展望》

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