電弧增材制造封閉路徑控制策略研究

盧楚文，牛犇，王凱，曹運成，易江龍

1.佛山科學技術學院 廣東佛山 528225

2.廣東省科學院中烏焊接研究所，廣東省現代焊接技術重點實驗室 廣東廣州 510650

1 序言

電弧增材制造技術是以焊接電弧為熱源，按規劃好的運行軌跡在運動執行結構的帶動下逐層堆積，直到獲得符合要求的成形件，是一種從無到有的逐層累積疊加制造技術[1-3]。合理的路徑規劃是保證電弧增材制造中金屬件成形的重要環節，也可以減少或消除成形過程產生的內應力。目前，電弧增材制造環節中存在封閉路徑閉合處搭接不平、非封閉路徑熄弧端塌陷、單道多層成形件兩端塌陷，以及中間凸起等成形問題。

為解決電弧增材制造環節的成形問題，國內外學者都進行了相應的研究，美國肯塔基大學ZHANG等[4]對堆焊工藝研究后，提出了自適應切片方法，自動分析模型結構的特點，進而確定切片的厚度，最終制造出的實體零件和零件三維模型的尺寸差異較小。哈爾濱工業大學熊俊[5]采用GAM增材制造技術研究了工藝參數對單道多層成形形貌的影響，針對起弧端和熄弧端高度差距大的問題，提出封閉路徑采用搭接長度過度補償的熔敷方式，并給出了搭接長度的具體數值；非封閉路徑采用平行往復的熔敷方式。南京理工大學尹凡[6]在對多層堆敷成形工藝及尺寸控制研究時，直壁體的堆敷成形采用了往復成形的熔敷方式，封閉路徑在堆敷成形時將熄弧端放在起弧端的后面，兩者之間的距離為8mm，保證能形成封閉路徑，減小高度差。堆積的高度增加后，采用了補差的方法來保證成形。在解決電弧增材制造封閉路徑成形問題上，現有的解決辦法主要是采用補償的方式，但在進行補償時往往是基于工藝經驗或高端儀器，不具有高效且低成本的普適性。

因此，本文針對封閉路徑在電弧增材制造成形過程中出現的閉合處缺陷，提出了基于多元回歸模型的過度補償方法來解決起閉合處塌陷的問題，并準確計算過度補償距離。該方法能夠有效防止電弧增材制造封閉路徑成形中出現的閉合處缺陷，且具有成本低、局限少、普適性高等優勢。

2 試驗方法

為獲取電弧增材制造封閉路徑成形過程中的焊接參數及成形件尺寸參數，設計了相應的試驗計

劃。以退態火Cr5鋼為母材（150mm×100mm×15mm），其化學成分見表1。Cr5鋼母材在堆焊前需要先去除表面氧化層、油污，用酒精進行清洗，并在120℃的鼓風干燥箱中進行2h干燥后待用。選用焊絲的牌號是ER308L，化學成分見表2。采用松下Panasonic YD-500GS電弧堆焊機進行試驗，98%Ar+2%CO2混合氣體作為保護氣體。

表1 Cr5鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 ER308L主要化學成分（質量分數） （%）

3 封閉路徑成形參數研究

3.1 封閉路徑

根據弧坑塌陷長度確定補償距離設計了試驗方案，為了方便測量熄弧處塌陷的長度，設計的封閉路徑為長60mm、寬25mm的長方形路徑。先開展的試驗是未采用補償策略的長方形路徑的成形試驗，如圖1所示。另外，對熄弧處塌陷的長度和余高與對稱位置處焊縫的余高用游標卡尺進行了測量并記錄，見表3。其中弧坑長度就是熄弧處塌陷的長度，高度差是指熄弧處余高與對稱位置處余高的差值。

圖1 未補償的焊接結果及弧坑長度

3.2 焊接參數的回歸分析

為有效計算過度補償距離，采用回歸分析探究焊接參數與弧坑長度之間的關系。本次回歸分析中采用多元回歸進行建模，焊接參數作為自變量，弧坑長度作為因變量，共選取27條樣本量作為研究數據集，構造回歸方程用于探索自變量與因變量之間的關系，建立多元回歸模型用于計算有效的過度補償距離。

在電弧增材制造過程中，根據回歸分析的基本理論確定的變量之間的關系表達式為

式中y——弧坑長度（mm）；

x1——焊接電流（A）；

x2——焊接速度（m/min）；

x3——焊接電壓（V）。

利用SPSS軟件進行回歸分析可以得出弧坑長度的常數項為5.507，焊接電流的系數為-0.001，焊接電壓的系數為0.343，焊接速度的系數為-1.001。

弧坑長度的數學表達式為

式中L——弧坑長度（mm）；

I——焊接電流（A）；

U——焊接電壓（V）；

S——焊接速度（m/min）。

圖2所示為計算值和實際值的對比。從圖2中可知，實際值和計算值之間的誤差值是很小的，這說明上述回歸方程表達式可以很好地解釋焊接參數與熄弧處塌陷長度之間的關系，當焊接速度、電弧電壓和焊接電流中任意一個發生變化時，弧坑長度都會隨之發生變化。

圖2 弧坑長度的計算值與實際值對比

4 補償策略成形試驗

4.1 補償距離的確定

根據弧坑長度的回歸方程表達式，可知弧坑長度隨焊接參數而變化的規律，因此可以根據此規律進行補償距離計算的研究。以未采用補償策略的弧坑長度為依據，在此基礎上對每一組焊接參數下的封閉路徑進行多次過度補償試驗，即讓焊槍在熄弧處往前多走一段距離，讓熄弧端覆蓋在起弧端的上面，如圖3所示。同時測量記錄在相應的焊接參數下，每一道閉環焊道的補償距離及補償高度差，見表4。

圖3 補償后的試驗結果

表4 補償后的試驗數據

從未采用補償策略的焊接結果和采用補償策略的焊接結果對比可以看出，采用補償策略后，在起弧點和熄弧點閉合處塌陷的缺陷起弧端與熄弧端閉合處的塌陷缺陷得到了明顯的改善。根據補償前的高度差和補償后的高度差兩組數據，可以充分說明過度補償策略解決封閉路徑閉合處搭接不平的缺陷是可行的。

由表4可知，補償后的高度差值均在1m m之內，在誤差允許范圍內，對最終成形件的影響很小，說明補償時依據弧坑長度確定的過度補償距離是合適的。為了表明補償距離與弧坑長度之間的具體關系，對補償距離和弧坑長度這兩組數據進行了一元線性回歸分析，將補償距離作為因變量，弧坑長度作為自變量，并利用SPSS軟件進行回歸分析計算，得到了補償距離的常數項為-3.931，弧坑長度的系數為0.997，因此兩者之間的關系

式中I——補償距離（mm）；

L——弧坑長度（mm）。

將測量后的弧坑長度數值代入上述關系式中，可以計算出補償距離具體數值，然后將計算值與實際試驗策略值進行對比，如圖4所示。從圖4可看出，兩者數值幾乎重合，誤差均值接近于零。說明該關系式計算出的補償距離合理。

圖4 過度補償距離的計算值和實際值對比

在一定的焊接參數范圍內，根據弧坑長度和補償距離的關系式，可以對不同尺寸和形狀的封閉路徑進行補償距離的計算，能夠有效達到控制成形形貌的效果，避免了大量補償距離的試驗，從而提高了工作效率，節約了試驗用材料。

4.2 圓形路徑補償策略驗證試驗

在進行圓柱薄壁結構堆積試驗時，隨著高度的增加，往往會出現明顯的階梯效應，很大程度影響了成形形貌，甚至有可能會出現焊槍碰撞事故，因此采用閉環路徑補償策略來減少階梯效應的出現。用游標卡尺對未采用補償策略的圓弧構件熄弧處塌陷長度進行了測量，測得熄弧處塌陷的長度為15.05mm，將測量得到的塌陷長度帶入補償距離的計算公式，得到的結果為11.07385mm，由于機器人系統的限制，因此在程序中設置的補償距離為11.08mm，通過弧長計算公式將補償距離轉換成旋轉角度，旋轉角度為21°，在圓弧焊接程序中將機器人的旋轉角度設定為360°+21°，采用補償距離后的圓弧閉合構件成形效果如圖5所示。

圖5 圓弧補償堆積結果

從圖5可看出，焊槍旋轉的總體角度>360°，圓弧閉合處成形良好，無明顯的塌陷缺陷。對搭接位置處的高度與對稱位置處的高度進行測量對比，兩者的高度差值為0.66mm，對最終成形質量影響很小。該試驗說明了過度補償距離的計算公式可以用于圓弧補償距離的計算。

由于采用補償策略后圓弧成形形貌良好，在此基礎上進行直徑為60m m的圓柱薄壁件堆積成形。根據上述補償策略公式計算結果，在焊接過程中每一層在成形時焊槍都會在閉合處往前多走11.08mm，也就是讓焊槍從起始點開始旋轉，旋轉方向為逆時針方向，旋轉角度為360°+21°，每焊完一層，用測溫計測量溫度，溫度降低至150℃時開始下一層焊接，直到焊接結束。圓柱薄壁件如圖6所示，從圖6中可看出，采用補償策略后，圓柱薄壁件在搭接處成形良好，沒有明顯的階梯效應出現，能形成平整的封閉特征。在圓柱薄壁件上取8個位置（見圖7）測量其高度，將測量得到的高度值利用繪圖軟件繪制成點線圖（見圖8），這8個位置的高度差值均在1mm左右，對成形件影響很小，這充分說明了確定的補償距離在實體件成形過程中也是可行的，能夠解決熄弧塌陷問題。

圖6 圓柱薄壁件成形示意

圖7 圓柱薄壁件高度測量

圖8 圓柱薄壁件高度測量結果

5 結束語

1）針對電弧增材制造封閉路徑在電弧成形時閉合處會出現階梯效應的塌陷問題，采用了基于多元回歸分析模型的過度補償策略解決，并給出了回歸方程計算的具體流程，適用于封閉路徑規劃下的電弧增材制造，能夠計算出封閉路徑成形件閉合處的塌陷弧坑補償距離，并使用計算值與試驗值的誤差計算進行了證明。

2）選用圓柱形薄壁結構進行電弧增材制造試驗，并應用回歸方程對其進行了補償策略的距離計算，通過對圓柱形薄壁結構的電弧增材制造試驗，規劃和試驗結果表明，所提出的補償策略精度較高、普適性強。