一種逐條預置焊絲和逐層重熔的增材制造方法

王中豪， 韓紅彪， 陳俊潮， 王順

(河南科技大學， 河南 洛陽 471003)

0 前言

增材制造基于離散-堆積原理，根據(jù)零件的三維模型，采用材料逐層累加的方法直接制造出實體零件[1-2]。早期的快速原型制造、三維打印、實體自由制造技術等主要是非金屬原型或模型的制造[3-4]。現(xiàn)在，金屬增材制造技術則是各國科學研究的重點和制造業(yè)發(fā)展的新趨勢[5-6]。

以激光或電子束為熱源、以金屬粉末為材料增材制造出的金屬零件成形精度高，已經應用在航空航天和汽車等領域中[7-8]。以金屬焊絲為添加材料的低成本近凈成形增材制造方法成為當今研究的熱點[9-10]。在連續(xù)送絲的增材制造過程中，根據(jù)運動軌跡的變化、散熱條件和功率輸入的不同，送絲量隨著熱源位置的移動不斷變化，送絲精度不易控制，導致累積成形后零件尺寸的誤差較大[11-13]。

成形精度比較高的增材制造方法大都是預置材料后再固化或燒結。例如，液態(tài)光敏樹脂選擇性固化技術(Stereo lithography apparatus，SLA)、粉末材料選擇性激光燒結(Selective laser sintering，SLS)、薄型材料疊層實體制造(Laminated object manufacturing，LOM)技術等[14-15]。SLS方法采用金屬粉末，制造成本較高，而LOM方法的材料利用率較低。文中提出一種逐條預置焊絲和逐層重熔的增材制造方法，并進行增材制造試驗以驗證其可行性。

1 逐條預置焊絲和逐層重熔增材制造方法的工作原理

逐條預置焊絲和逐層重熔增材制造方法的工作原理如圖1所示。首先對需要加工的零件按增材制造的工藝要求建立三維模型，根據(jù)成形精度要求對該三維模型進行分層處理，對每一層進行切條處理。根據(jù)分層厚度和切條的寬度選擇相應截面尺寸的焊絲，先對第一層按每個切條所對應的長度加工出相應長度的焊絲，放置在相應的位置并與基體固定，逐條預置焊絲后形成預置焊絲層。對預置焊絲層進行加熱重熔，形成一體的分層。然后重復分層、切條、預置焊絲、重熔等步驟，如此循環(huán)逐層預置焊絲后重熔形成分層，逐層重熔累積成形出相應尺寸的零件。最后對增材制造的近凈成形的零件進行機械加工，就可以獲得所需尺寸的零件。

圖1 逐條預置焊絲和逐層重熔增材制造方法的原理圖

切條處理后逐條預置焊絲的原理圖如圖2所示。所需的焊絲可以是長度連續(xù)的盤裝焊絲，其截面形狀可以是長方形或圓形。先對這一層進行切條處理，再按照每個切條的長度加工出相應長度的焊絲，加工的方法可以是機械剪切或激光切割等。然后將該焊絲放在相應的位置，放置的方法可以是數(shù)控系統(tǒng)自動進行，試驗時也可手工進行。接著用粘接方法或者電阻點焊或者激光點焊的方法將焊絲固定在基體上相應的位置。重復以上剪切焊絲、放置焊絲、固定焊絲等步驟，逐條預置焊絲后形成預置焊絲層。

圖2 切條處理后逐條預置焊絲的原理圖

重熔的熱源可以采用激光、等離子弧、鎢極氬弧等，也可放在高溫等靜壓爐中進行燒結。為了提高成形精度、減小熱變形和應力，合理選擇重熔時熱源的移動路徑和規(guī)范參數(shù)，對于具有一定懸垂角度的棱邊、棱角等可選用脈沖冷焊的方法以提高其成形精度。

2 試驗設備和方法

2.1 試驗設備

焊接電源采用E-9188G6型精密冷焊機，具有高能脈沖精密冷焊和電阻點焊的功能，既可以采用阻焊電極將焊絲以電阻點焊的方式固定在基體上，也可以采用TIG焊槍以氬弧焊的方式對預置焊絲層進行重熔。重熔過程中焊槍相對零件的移動軌跡控制采用自制的三維數(shù)控焊接裝置，其原理圖如圖3所示。TIG焊槍固定在z軸滑臺上，可在垂直方向移動，零件固定在x軸和y軸滑臺組成的十字滑臺上，可在平面內按照一定的曲線運動。焊接電源的輸出“+”接零件，輸出“-”接TIG焊槍。控制系統(tǒng)選用雷塞SMC304運動控制器，采用TK6071IQ觸摸屏作為人機交互界面，可通過x軸、y軸和z軸驅動器控制x軸、y軸和z軸步進電機運動，從而實現(xiàn)焊槍與零件之間三維運動軌跡的開環(huán)控制。三個軸的運動既可以通過手輪進行手工操作，也可以按照設計的G代碼格式的數(shù)控程序進行自動控制。在焊接電源中設定好焊接規(guī)范參數(shù)，控制系統(tǒng)可控制焊接工作的啟動和停止。

圖3 三維數(shù)控焊接裝置原理圖

2.2 試驗方法

將厚度0.3 mm的316不銹鋼板剪切成寬度1 mm的絲材作為焊絲，增材制造零件的基體選用30 mm×30 mm×3 mm的316不銹鋼板。零件的三維建模、分層處理、切條處理均采用人工方法。根據(jù)零件的尺寸，考慮到堆焊的誤差和加工余量后對零件尺寸進行適當放大，形成近凈成形零件的三維模型。對該模型按照0.3 mm的厚度進行分層，每個分層切條的寬度為1 mm。根據(jù)分層形狀可獲得不同位置切條的長度，然后人工剪切出相應的長度。焊絲預置采用手工的方法，將相應長度的焊絲放置在相應位置，然后采用電阻點焊固定好。

對預置焊絲層的重熔在三維數(shù)控焊接裝置上進行。根據(jù)每個分層的形狀選擇好焊槍的移動軌跡、焊接規(guī)范參數(shù)等，人工編制焊槍與零件相對移動軌跡的G代碼程序，在焊接電源中設定好焊接規(guī)范參數(shù)。啟動重熔時，三維數(shù)控焊接裝置控制焊槍按照設定的重熔軌跡相對零件自動移動，同時控制焊接電源按照設定焊接參數(shù)進行焊接，實現(xiàn)預置焊絲層的重熔過程。焊接時鎢棒直徑為1.5 mm，其端頭角度為30°，氬氣流量Q為10 L/min，延氣時間為5 s。

重復以上切條處理、預置焊絲、調整焊槍高度后重熔預置焊絲層，逐層堆焊完成相應零件的增材制造。

3 增材制造試驗

3.1 環(huán)形零件的增材制造

設計制造一個內徑為11 mm、外徑為16 mm、高度為8 mm的環(huán)形零件，考慮增材制造工藝后環(huán)形零件的增材制造尺寸如圖4所示，經放大后為內徑為9 mm、外徑為18 mm、高度為10 mm的環(huán)形零件，零件與基體之間為圓弧過渡。

圖4 環(huán)形零件的增材制造尺寸圖(mm)

按照2.2節(jié)中的試驗方法預置焊絲后進行重熔增材制造，其制造過程如圖5所示。圖5a為第1層的預置焊絲層，圖5b為第1層的焊接重熔層。為減少焊接熱輸入和減小熱變形，焊接工藝采用脈沖精密冷焊方法[16]，即一個焊接脈沖熔化一個焊點后熄弧，冷卻5 s后，再移動1 mm的間距重新輸出焊接脈沖熔化下一個焊點，由焊點逐點搭接形成焊縫。焊槍相對零件的移動軌跡為同心圓，先焊接零件的內外輪廓，即零件的最外圈和最內圈。第1層焊槍移動圓形軌跡直徑、焊接順序和相應的焊接規(guī)范參數(shù)見表1。

圖5 環(huán)形零件的預置焊絲后重熔增材制造過程

表1 第1層焊槍移動圓形軌跡直徑、焊接順序和焊接規(guī)范參數(shù)表

重復以上過程進行逐層增材制造，圖5c為中間層的預置焊絲層，圖5d為堆焊34層后獲得的最終零件。經檢測，該零件內徑為9.1 mm0.3 mm、外徑為18 mm0.5 mm、高度為10.1 mm0.1 mm，說明最終成形零件的焊縫均勻，焊點搭接致密，層間熔合狀態(tài)較好，邊緣部分無明顯塌陷，形狀精度達到預期效果，但零件下部的基體產生了較大的變形。

3.2 傾斜零件的堆焊成形

在逐層增材制造復雜零件時，不可避免地會遇到具有一定懸垂角度的傾斜零件，熔化的材料在重力作用下很容易塌陷而無法成形。采用預置焊絲后重熔增材制造方法時，底層預置的焊絲可對上層重熔的熔池有支撐作用，可防止熔池塌陷，以制造不同傾斜角度的結構。圖6是一個45°傾斜結構的焊接示意圖和增材制造后的傾斜零件。在圖6a中灰色為重熔區(qū)，傾斜端部的白色區(qū)域為未重熔區(qū)。當?shù)?層重熔結束后，預置第2層焊絲，重熔第2層預置焊絲層時，對傾斜端部伸出的部分不進行重熔。接著預置第3層焊絲，重熔第3層預置焊絲層時，第2層未重熔區(qū)就對其上的第3層熔池起到支撐作用，并與第3層熔合在一起。同樣，第3層傾斜端部伸出的部分也不進行重熔，并作為第4層熔池的支撐。按照這種方法增材制造出45°傾斜零件如圖6b所示。

圖6 傾斜結構的焊接示意圖和增材制造后的傾斜零件

3.3 帶支撐懸空零件的堆焊成形

在復雜零件的增材制造時，對于懸空結構需要采用必要的支撐。選擇性激光燒結技術可采用預鋪的金屬粉末作為支撐[15]，而激光直接制造技術(Direct laser fabrication，DLF)和絲材電弧增材制造技術(Wire and arc additive manufacture，WAAM)是連續(xù)熔化金屬堆焊成形，添加支撐比較困難且不容易去除[5]。采用預置焊絲后重熔增材制造方法時，可用預置焊絲層逐層疊加固定但不重熔作為支撐。圖7是帶支撐懸空結構的焊接示意圖和增材制造后的懸空零件。圖7a中灰色為重熔區(qū)，白色區(qū)域為未重熔區(qū)。在從底部向上逐層增材制造時，零件實體部分的預置焊絲層需要重熔，而作為支撐部分就不需要重熔，只需要粘接或點焊固定即可，方便制造完成后去除支撐。懸空結構的第1層預置焊絲層不需要重熔，對下一層起到支撐作用。按照這種方法增材制造出懸空零件如圖7b所示。將焊絲預置到相位位置并進行固定的人工操作誤差較大，生產效率低；重熔時焊槍移動軌跡和不同位置的焊接規(guī)范參數(shù)等也會對每個分層成形質量造成影響。所以，預置焊絲的自動化操作、零件成形精度與每個分層重熔的運動軌跡和焊接規(guī)范參數(shù)選擇之間的規(guī)律需要進一步研究。

圖7 帶支撐懸空結構的焊接示意圖和增材制造后的懸空零件

4 結論

(1)逐條預置焊絲和逐層重熔的增材制造方法是將每個分層用相應長度的焊絲逐條預置形成該分層的形狀，再對該預置焊絲分層進行重熔，然后逐層預置焊絲和重熔就可累積制造出金屬零件。

(2)預置焊絲可以控制每個分層的層高和每個位置的送絲量，從而保證逐層累積增材制造零件的成形精度。

(3)該方法適用于不同傾斜角度的結構，可采用支撐結構且方便去除，適合復雜零件的增材制造。