多向鋼節點電弧增材制造擺動工藝參數優化

齊 臏，余圣甫，何天英，劉 曙

（1.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070；2.中建鋼構武漢分公司，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著我國經濟與社會的發展，鋼結構建筑向著大型化、復雜化和個性化發展，如高鐵站、飛機場航站樓、城市標志性建筑等大型鋼結構造型新穎、跨度大、結構形式復雜，大型復雜鋼結構新型造型主要取決于采用多向鋼節點的有效連接［1］。目前，多向鋼節點的制造方法主要包括鑄造和焊接兩種［2］，這兩種方法制造的多向鋼節點有時存在缺陷，使得用多向鋼節點制造的大型鋼結構存在安全隱患［3］。電弧增材制造技術是一種新興的先進制造技術，它利用電弧產生的熱量熔化金屬絲材，然后再按照預設的路徑層層堆積成形復雜金屬構件［4-6］。電弧增材制造技術具有效率高，成形金屬構件力學性能優異等優點［7］，用電弧增材制造方法制造多向鋼節點能有效避免焊接和鑄造多向鋼節點的缺陷，電弧增材制造技術是制造多向鋼節點的有效方法。電弧增材制造大壁厚復雜金屬構件時，常采用多道搭接工藝堆積成形。文獻［8］研究發現多道搭接區域道與道之間存在未熔合缺陷，而擺動工藝可避免未熔合缺陷的產生，從而提高堆積金屬的質量。文獻［9］通過研究發現擺動工藝可以增加單道堆積金屬寬度，并且堆積金屬成形精度較高。為了實現多向鋼節點高精度高性能電弧增材制造，采用擺動工藝電弧增材制造成形多向鋼節點是重要新途徑。

增材制造工藝有許多學者進行了研究。文獻［10］研究了等離子弧增材制造堆積金屬成形規律，利用二次通用旋轉回歸設計試驗方法建立了等離子流、送絲速度、移動速度與堆積金屬成形尺寸之間的多元二次回歸模型，建立的模型精度較高，誤差不超過5%。文獻［11］優化了超高頻電弧增材制造工藝，利用二次通用旋轉回歸設計試驗方法建立了送絲速度、移動速度、送絲速度與堆積金屬成形尺寸之間的多元二次回歸模型，建立的模型誤差不超過7%。文獻［12］以移動速度、送絲速度、電壓為輸入量，堆積金屬寬度和高度為輸出量，用二次通用旋轉回歸設計試驗方法建立了輸入量和輸出量之間的多元二次回歸模型，模型能較為準確預測成形尺寸。然而目前，對擺動電弧增材制造多向鋼節點工藝參數優化和成形精度的研究還較少。基于二次通用旋轉回歸設計試驗方法，建立金屬構件電弧增材制造擺動工藝參數與堆積成形尺寸的數學模型，并利用建立的數學模型優化鋼結構建筑六向鋼節點擺動工藝參數，堆積成形鋼結構建筑的六向鋼節點。

2 試驗設備與試驗方法

2.1 試驗設備

試驗設備包括電弧增材制造設備和三維測量設備，電弧增材制造設備包括6軸Kuka機器人、福尼斯焊槍、福尼斯焊接電源、送絲機、2軸變位機，用于進行工藝試驗和電弧增材制造六向鋼節點。三維測量設備包括6軸Kuka機器人、面結構光三維掃描儀，用于測量電弧增材制造的六向鋼節點的成形精度。

2.2 試驗方法

為了確保建立的數學模型具有較高精度，同時也能減少實驗次數，采用二次回歸通用旋轉設計方法建立擺動工藝參數和堆積金屬成形尺寸之間的數學模型。試驗過程中將送絲速度WFS、焊槍運動速度TS、單邊擺動幅度SSA作為輸入量，堆積金屬成形尺寸寬度Width 和高度Height作為輸出量，建立它們之間的3D 響應模型。選定的擺動工藝參數范圍，如表1所示。擺動工藝參數編碼，如表2所示。

表1 擺動工藝參數范圍Tab.1 Swing Process Parameter Range

表2 擺動工藝參數編碼Tab.2 Swing Process Parameter Coding

根據二次回歸通用旋轉設計試驗方法進行實驗，試驗參數及測量結果，如表3 所示。根據表3 中試驗參數堆積20 道堆積金屬，測量每道堆積金屬的寬度和高度。

表3 試驗參數及測量結果Tab.3 Test Parameters and Measurement Results

3 試驗結果與討論

3.1 3D響應模型的建立

將表3中的試驗數據導入到Design Expert軟件進行處理，通過軟件計算得到堆積金屬寬度和高度的3D響應模型。對建立的模型進行顯著性檢驗，3D響應模型和各項影響因素p值，如表4所示。從表中可知，建立的寬度和高度3D響應模型p值均小于0.05，因此建立的3D響應模型顯著。寬度模型中WFS·TS、SSA·TS、SSA2、TS2項p值大于0.05，對寬度模型影響不顯著，應從寬度模型中刪除。高度模型中WFS·SSA、SSA·TS、WFS2、SSA2、TS2項p值大于0.05，對高度模型影響不顯著，應從高度模型中刪除。把不顯著項刪除，得到最終的模型，寬度3D 響應模型，如式（1）所示；高度3D響應模型，如式（2）所示。

表4 3D響應模型和影響因素P值Tab.4 P-Value of 3D Response Model and Various Factors

堆積金屬寬度和高度3D響應模型的預測值和實測值之間的對比，如圖1（a）、圖1（b）所示。從圖中可知，實測值分布在預測值周圍，且誤差較小，因此建立的3D響應模型可以較為準確地預測不同擺動工藝參數下堆積金屬的成形尺寸。

圖1 堆積金屬成形尺寸實測值和預測值對比Fig.1 Comparison of Measured and Predicted Values of Desposited Metal Forming Dimensions

3.2 不同擺動工藝參數對堆積金屬成形尺寸的影響

保持單邊擺動幅度和焊槍移動速度不變，送絲速度與堆積金屬寬度和高度關系曲線，如圖2（a）、圖2（b）所示。從圖中可知，送絲速度與堆積金屬寬度和高度均為正相關。當送絲速度增大時，熱輸入隨之增大，單位時間內堆積金屬熔敷量也會增多，因此堆積金屬寬度和高度也會增加。

圖2 送絲速度與堆積金屬成形尺寸關系曲線Fig.2 The Relationship Curve Between WFS and Desposited Metal Forming Dimensions

保持送絲速度和焊槍移動速度不變，單邊擺動幅度與堆積金屬寬度和高度關系曲線，如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 單邊擺動幅度與堆積金屬成形尺寸關系曲線Fig.3 The Relationship Curve Between SSA and Desposited Metal Forming Dimensions

從圖中可知，焊槍單邊擺動幅度與堆積金屬寬度正相關，與堆積金屬高度負相關。當焊槍單邊擺動幅度增大時，堆積金屬的寬度會增大，由于單位時間堆積金屬的熔敷量保持不變，所以堆積金屬高度會減小。

保持送絲速度和單邊擺動幅度不變，焊槍移動速度與堆積金屬寬度和高度關系曲線，如圖4所示。從圖中可知，焊槍移動速度與堆積金屬寬度和高度均負相關。當焊槍移動速度增大時，單位時間堆積金屬的熔敷也會減少，所以堆積金屬寬度和高度也會相應減小。

圖4 焊槍移動速度與堆積金屬成形尺寸關系曲線Fig.4 The Relationship Curve Between TS and Desposited Metal Forming Dimensions

3.3 工藝參數交互作用對堆積金屬成形尺寸的影響

焊槍移動速度保持不變時，送絲速度和單邊擺動幅度交互作用對寬度3D響應曲面，如圖5（a）所示。從圖5（a）可知，單邊擺動幅度增大時，寬度的變化幅度較大，而送絲速度增大時，寬度的變化幅度較小，因此單邊擺動幅度對寬度的影響大于送絲速度對寬度的影響。單邊擺動幅度保持不變時，送絲速度和焊槍移動速度交互作用對寬度3D響應曲面，如圖5（b）所示。從圖5（a）可知，焊槍移動速度增大時，寬度的變化幅度較大，而送絲速度增大時，寬度的變化幅度較小，因此焊槍移動速度對寬度的影響大于送絲速度對寬度的影響。送絲速度保持不變時，單邊擺動幅度和移動速度交互作用對寬度3D響應曲面，如圖5（c）所示。從圖5（c）可知，焊槍移動速度增大時，高度的變化幅度較大，而單邊擺動幅度增大時，高度的變化幅度較小，因此焊槍移動速度對高度的影響大于單邊擺動幅度對高度的影響。

圖5 工藝參數交互作用對寬度3D響應曲面Fig.5 Interaction of Process Parameters on Width 3D Response Surface

焊槍移動速度保持不變時，送絲速度和單邊擺動幅度交互作用對堆積金屬高度3D響應曲面，如圖6（a）所示。從圖6（a）可知，送絲速度增大時，高度的變化范圍較大，而單邊擺動幅度增大時，高度的變化范圍較小，因此送絲速度對堆積金屬高度的影響大于單邊擺動幅度對堆積金屬高度的影響。單邊擺動幅度保持不變時，送絲速度和焊槍移動速度交互作用對高度3D響應曲面，如圖6（b）所示。從圖6（b）可知，送絲速度增大時，高度的變化幅度較大，而單邊擺動幅度增大時，高度的變化幅度較小，因此送絲速度對高度的影響大于焊槍移動速度對高度的影響。送絲速度保持不變時，單邊擺動幅度和移動速度交互作用對高度3D響應曲面，如圖6（c）所示。從圖6（c）可知，焊槍移動速度增大時，高度的變化幅度較大，而單邊擺動幅度增大時，高度的變化幅度較小，因此焊槍移動速度對高度的影響大于單邊擺動幅度對高度的影響。

根據上述實驗結果可以得出，擺動工藝參數對堆積金屬寬度影響大小為：單邊擺動幅度>焊槍移動速度>送絲速度；擺動工藝參數對堆積金屬高度影響大小為：送絲速度>焊槍移動速度>單邊擺動幅度。

3.4 六向鋼節點擺動工藝參數優化

六向鋼節點的三維模型，如圖7（a）所示。其包括主管1和支管2～支管5，由于六向鋼節點結構復雜，采用分區電弧增材制造策略成形六向鋼節點，將六向鋼節點分為6、8、9、13相貫區域和7、10、11、12、14直臂圓筒區域，如圖7（b）所示。直臂圓筒區域采用擺動工藝堆積成形。各個管的內、外徑和壁厚，如表5 所示。從表中可知，主管1壁厚為30mm，支管2～支管5壁厚均為25mm。為了實現六向鋼節點高精度成形，采用擺動工藝電弧增材制造，并對工藝參數進行優化。

圖7 六向鋼節點三維模型圖Fig.7 3D Model of Six-Directions Steel Node

表5 六向鋼節點各管尺寸Tab.5 Dimensions of Each Pipe of Six-Directions Steel Node

壁厚即為堆積金屬寬度，基于二次回歸通用旋轉設計試驗方法得到的數學模型可知，單邊擺動幅度對堆積金屬寬度的影響最大，因此優化擺動工藝參數時應首先考慮單邊擺動幅度。堆積金屬寬度為25mm時，考慮到送絲速度和移動速度對寬度的影響，單邊擺動幅度應小于12.5mm，擺動幅度優選為11mm，此時擺動幅度編碼水平為-0.6。單邊擺動幅度為11mm時，焊槍移動速度和送絲速度交互作用對寬度影響等高線，如圖8（a）所示。從圖可知寬度為25mm時，焊槍移動速度編碼水平位于（-1，1）內，送絲速度編碼水平位于（-0.6，0）內，即焊槍移動速度變化范圍為（1.3～1.8）mm∕s，送絲速度變化范圍為（4.5～5.5）m∕min。考慮堆積金屬高度過大時，堆積金屬橫截面呈圓弧狀，堆積金屬表面不平整，高度過小時，分層切片數量增加，降低六向鋼節點堆積成形效率，高度優選為3mm。單邊擺動幅度為11mm時，焊槍移動速度和送絲速度交互作用對高度影響等高線，如圖8（b）所示。從圖中可知高度為3mm時，焊槍移動速度編碼水平位于（-1，1）內，送絲速度編碼水平位于（-0.8，0.5）內，即焊槍移動速度變化范圍為（1.3～1.8）mm∕s，送絲速度變化范圍為（4.2～6.4）m∕min。根據建立的堆積金屬寬度和高度3D響應模型，優化的擺動工藝參數為：單邊擺動幅度為11mm，焊槍移動速度為1.3mm∕s，送絲速度為4.7m∕min。

圖8 焊槍移動速度和送絲速度交互作用對成形尺寸影響等高線圖Fig.8 Contour Map of the Interaction Influence Between TS and WFS on Forming Dimensions

堆積金屬寬度為30mm時，考慮到送絲速度和移動速度對寬度的影響，單邊擺動幅度應小于15mm，擺動幅度優選為13.5mm，此時擺動幅度編碼水平為0.4。單邊擺動幅度為13.5mm時，焊槍移動速度和送絲速度交互作用對寬度影響等高線，如圖9（a）所示。從圖可知寬度為30mm時，焊槍移動速度編碼水平位于（-1，0.2）內，送絲速度編碼水平位于（-0.1，1）內，即焊槍移動速度變化范圍為（1.3～1.6）mm∕s，送絲速度變化范圍為（5.4～7.2）m∕min。高度同樣優選為3mm，單邊擺動幅度為13.5mm時，焊槍移動速度和送絲速度交互作用對高度影響等高線，如圖9（b）所示。從圖中可知高度為3mm時，焊槍移動速度編碼水平位于（-1，0.6）內，送絲速度編碼水平位于（-0.3，1）內，即焊槍移動速度變化范圍為（1.3～1.7）mm∕s，送絲速度變化范圍為（5.0～7.2）m∕min。根據建立的堆積金屬寬度和高度3D響應模型，優化的擺動工藝參數為：單邊擺動幅度為13.5mm，焊槍移動速度為1.4mm∕s，送絲速度為6.2m∕min。

圖9 焊槍移動速度和送絲速度交互作用對成形尺寸影響等高線圖Fig.9 Contour Map of the Interaction Influence Between TS and WFS on Forming Dimensions

利用優化的擺動工藝參數成形六向鋼節點主管1和支管2～支管5直臂圓筒區域，利用擺動工藝制造的六向鋼節點，如圖10（a）所示。利用三維掃描儀獲取其點云數據，將點云數據導入到Geomagic studio軟件進行自動擬合拼接與計算，得到制造的六向鋼節點尺寸偏差，三維測量結果，如圖10（b）所示。利用Geomagic studio 軟件計算各管管體區域所有點尺寸偏差平均值，計算得到主管1直臂圓筒區域平均尺寸偏差為±0.91mm，支管2直臂圓筒區域平均尺寸偏差±0.86mm，支管3直臂圓筒區域平均尺寸偏差±0.79mm，支管4直臂圓筒區域平均尺寸偏差±0.82mm，支管5直臂圓筒區域平均尺寸偏差±0.78mm，六向鋼節點整體平均尺寸偏差為±1.30mm。

圖10 六向鋼節點成形精度測量Fig.10 Forming Accuracy Measurement of Six-Directions Steel Node

4 結論

（1）基于二次回歸通用旋轉設計試驗方法建立了擺動工藝參數送絲速度、單邊擺動幅度及焊槍移動速度與堆積金屬寬度和高度之間的3D響應模型，建立的模型顯著，可用于多向鋼節點電弧增材制造擺動工藝參數優化。

（2）擺動工藝參數對堆積金屬寬度影響大小為：單邊擺動幅度>焊槍移動速度>送絲速度；擺動工藝參數對堆積金屬高度影響大小為：送絲速度>焊槍移動速度>單邊擺動幅度。

（3）利用優化的擺動工藝參數電弧增材制造了六向鋼節點，制造的六向鋼節點整體平均尺寸偏差為±1.30mm，精度較高。