（材料加工工程专业论文）铝合金pmig电弧快速成型的熔滴过渡研究.pdf

中文摘要 电弧快速成型技术是以电弧作为热源，基于“离散堆积”原理，利用三维c a d 数据，采用逐点和逐层成型方法制造模具或零件等的一项先进制造技术。该技术 由于加工周期短、性能好、成本低、可控性好、成型形状及材料不受限制等特点， 已成为当今高效、灵活生产的关键技术。本课题以电弧成型工艺一熔滴过渡行为 一成型尺寸和性能紧密联系的三个方面为主线，选用由1 2 的5 1 8 3 a 1 为成型材料， 对双阶梯p m i g 电弧快速成型的熔滴过渡进行了研究。 讨论了p m i g 工艺参数对熔滴过渡行为的影响，选取了脉冲频率、峰值电 流、峰值时问、熔滴过渡电流和熔滴过渡时间等参数，就熔滴过渡形式、熔滴大 小和过渡速率三方面进行研究。研究结果表明：各脉冲参数对熔滴过渡行为有不 同影响；成型过程中需正确选择p m i g 工艺参数及注意各参数之间的匹配，以 获得理想的熔滴过渡行为，最终才能获得好的成型效果。 分析了熔滴过渡行为对单道和多层多道成型时表面形貌、微观组织和硬度等 方面的影响。当脉冲频率、峰值电流、峰值时间、基值电流、熔滴过渡电流、熔 滴过渡时间分别为1 2 5 h z 、3 8 0 a il 6 m s 、5 0 a 、6 0 a 、0 7 6 m s 和1 2 5 h z 、3 8 0 a 、 2 4 m s 、5 0 a 、6 0 a 、0 7 6 m s 时，其熔滴过渡形式为稳定的一脉一滴，六道四层成 型整体既能保证良好的表面形貌，均匀的成型尺寸；又能保证微观组织和硬度的 均匀性，致密度好，硬度与成型材料相比有所提高。 采用p m i g 电弧快速成型技术制造了一些简单的零件，当熔滴过渡形式为 一脉一滴时，其成型形状良好，道间搭接和层间累加也得到了较好控制。铝合金 p m i g 电弧快速成型的效率是激光快速成型( 4 7 7 ) 倍，充分体现了电弧快速 成型“高效率”的特点。 关键词：电弧快速成型p - m i g 铝合金熔滴过渡一脉一滴 a bs t r a c t t h ea r cr a p i dp r o t o t y p i n gi so n ek i n do ft h el a t e s t a d v a n c e dm a n u t a c t u r m g t e c h n o l o g i e s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd i s p e r s i o na n dd e p o s i t i o n , i t u s e st h ew e l d m g a r ca sh e a tr e s o u r c et of a b r i c a t em o l d so rp a r t sw i t ht h ef i g u r a t i o nt e c h n i q u eo f p o n - b y - p o i n t & l a y e r - b y 1 a y e ra sw e l la st h e3 d d a t ao f c a d d u et os h o r tp e r l o d ， g o o dp e r f o n n a n c e ，l o wc o s t ，g o o dc o n t r o l l a b i l i t ya n dd i v e r s i t yo ff i g u r a t i o n s h a p e ， d i m e n s i o na n dm a t e r i a l ，i th a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yo fh i g h 。e f f i c i e n c ya n d s m a r t p r o d u c t i o nn o w a d a y s f o c u s e do i la r cw e l d i n gt e c h n i c s ，d r o p l e tt r a n s i t i o n a n dt h e f i g u r a t i o no f m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa l li n v e s t l g a t i o no t d r o p l e tt r a n s i t i o ni nt h er pe x p e r i m e n to f p - m i g u s i n gt h ew i r eo f 5 18 3 a 1 。a l l o y f i r s t l y , t h ee f f e c t so fv a r i o u sp u l s ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o l ld r o p l e tt r a n s l t l o n a r es t u d i e db yh i g h s p e e dv i d e oc a m e r a t h em o d e ，r a t ea n d s i z eo fd r o p l e tt i a n s i t l o n a r ei n v e s t i g a t e dw i t hf i v ep a r a m e t e r sa sp u l s ef r e q u e n c y , p e a kc u r r e n t ，p e a k c u 玎e n t t i m e d r o p l e t d e t a c h m e n tc u r r e n t a n dd r o p l e t d e t a c h m e n tt i m e i nt h ee x p e r 蚰e n t s ， e a c hp u l s ep a l a m e t e rh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c e so nt h eb e h a v i o r so fd r o p l e tt r a n s i t i o n d u r i n gt h ef i g u r a t i o np r o c e s s ，c o r r e c tp u l s ep a r a m e t e r ss h o u l db ec h o s e n a n dm a t c h e d t oo b t a i ng o o db e h a v i o r so fd r o p l e tt r a n s i t i o na sw e l la st h eu l t i m a t ef i g u r a t l o n s e c o n d l v t h ee 位c t so ft h eb e h a v i o r so fd r o p l e tt r a n s i t i o no nt h ef i g u r a t i o no f b o t hs i n g l e - p a s sa n dp a s s e s l a y e r sf r o mt h r e ea s p e c t so ft h es u r f a c ea p p e a r a n c e s ， m i c r o s t r u m l r ea n dp e r f o r m a n c e i nt h i se x p e r i m e n t ，a st h ep u l s ef r e q u e n c y , p e a k c u r r e n t ，p e a k c u r r e n t t i m e ，b a s ec u r r e n t ，d r o p l e t _ d e t a c h m e n t c u r r e n t a n d d r o p l e t d e t a c h m e n tt i m ea l er e s p e c t i v e l y1 2 5 h z ，3 8 0 a ，1 6 m s ，5 0 a ，6 0 a ，0 7 6 脚a n d 12 5 h z 3 8 0 a , 2 4 m s ，5 0 a ，6 0 a , 0 7 6 m s ，t h ed r o p l e tt r a n s i t i o n i so n ed r o p l e to n e p u l s e ( o d p p ) b o t hs i x p a s s e s f o u r - l a y e r ss a m p l e s a s s u r eg o o ds u r f a c ea p p e 锄n c e s ， u n i f o mh a t e g r a lf i g u r a t i o nd i m e n s i o n i nt h eo t h e rh a n d ，i t o b t a i n sh o m o g e n e o u s m i c r o s t m c t u r e 锄dp e r f o r m a n c e ，g o o dd e n s i t ya n dh i g h e rh a r d n e s st h a nt h eo r i g i n a i f i g u r a t i o nm a t e r i a l s l a s t l v s e v e r a ls i m p l ep a r t sa r ef a b r i c a t e dw i t hp m i ga st h eb e a tr e s o u r c e b o t h t h eo v e r l a pa m o n gp a s s e sa n d t h ea c c u m u l a t i o na m o n gl a y e r sa r ew e l lc o n t r o l l e dw i t h f a v o r a b l ef i g u r a t i o na p p e a r a n c e s t h ee f f i c i e n c y o fa i a l l o yp - m i gr pi s ( 4 7 7 ) t i m e so ft h el a s e rr p ，s ，w h i c hd e m o n s t r a t e s t h eh i g he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：a r cr a p i dp r o t o t y p i n g ，p - m i g , a l - a l l o y , d r o p l e tt r a n s i t i o n ，o d p p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：翳z 签字日期：如吖年占月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 璇里 签字日期：妒- 7 年6 月届日 导师签名：胡缝括 签字日期：唧年彩月，多日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 快速成型技术及发展概况 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 是在2 0 世纪8 0 年代初期始于 美国，9 0 年代在全球迅速发展起来的一项先进制造技术，又称快速原型制造技 术、实体自由成型技术、桌面制造技术等。它基于“离散一堆积”原理，利用三维 c a d 数据，采用逐点和逐层成型方法通过快速成型机将材料堆积成实体原型， 可制造模具和零件等【1 删。与传统的铸、锻、轧、焊、车、铣、刨、磨等加工过 程相比，有其自身特点【5 】： ( 1 ) 加工周期短，制造成本低，市场响应速度快，体现“快速高效”的特点； ( 2 ) 成型材料、尺寸和形状不受限制，可多样化，适于金属或非金属材料， 成型复杂曲面时更显优越； ( 3 ) 集成c a d c a m 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服技术与 新材料技术等，可实现设计与制造的一体化。 目前研究和应用比较多的有以下几种快速成型方法 6 - 1 1 。 ( 1 ) 光固化成型( s l a ) s l a 是利用液体光敏聚酯材料在紫外光照射下固 化的特点实现：具有精度高、强度和硬度好等特点；因使用透明材料模型可实现 光弹力分析和可视化研究；采用间接制模的理想方法，但需清洗养护等后处理。 它是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的方法之一。 ( 2 ) 熔丝沉积成型( f d m ) f d m 是靠数控挤出头将热塑材料加热，用异种 或同种材料打孔交叉法构成支撑；方法简单，时间短，构件结构柔性化和防水性 好；材料多为a b s 、聚酯热塑性材料、聚丙烯、合成橡胶和铸蜡等。 ( 3 ) 选择性激光烧结( s l s )s l s 是利用激光束将粉末材料选择性烧结 成固体件，可制造原型、模型、模具甚至成品，材料多为合成橡胶、塑料、陶瓷 和金属等。 ( 4 ) 薄材叠层制造( l o m ) l o m 利用分层叠加原理用激光将热熔胶的 纸切割成型制成原型或模型，可靠、模型支撑性好，适于制造复杂零件；但需封 蜡、油漆、防潮等后处理。 美国、欧洲及日本等发达国家已将r p 应用于电子信息、汽车、通讯、机械 交通、航空航天、医疗器械、建筑模具等众多行业。国内研究主要集中在清华大 学、西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等高校，快速原型制造技术生 产力促进中心( 西安、天津、武汉、深圳、宁波等) 和北京隆源快速成型公司等 天津大学硕士学位论文第一章绪论 也在成型理论、工艺、设备、材料、软件开发等方面作了大量工作，并已开发出 商品化，能制造复杂原型的i 冲系统。 1 2 金属直接成型 金属材料的快速成型技术往往是采用金属材料熔化沉积而实现快速成型，通 常采用激光、电子束等高能束热源对金属材料加热熔化实现快速成型【12 。目前多 数成功实现商业化的快速成型工艺所使用的成型材料是光敏树脂、塑料、纸张、 蜡、尼龙等非金属材料。这些专用材料不但价格昂贵，而且性能仍不能完全满足 使用的要求。即使是目前的选择性激光烧结、激光熔敷等新工艺，也存在所制造 的零件致密度差、机械和冶金性能不好、需要进行后续处理等缺点，限制了其应 用范围的进一步扩展。鉴于此种情况，一种低成本、高质量的金属材料直接快速 成型工艺的研究成为了国内外的一个研究热点。 目前对非金属快速成型的研究相对成熟，在原型的尺寸、性能和外观等以及 制造速度都已取得卓越成果；但金属原型的制造在材料的密度和性能上与要求差 距还很大，需经过后期处理才能达到要求，成型金属材料范围有限，国内较为落 后，设备大多由国# 1 - 弓1 进或仿制。 1 3 电弧快速成型及发展 1 3 1 电弧快速成型概述 采用激光等高能束热源进行金属材料的快速成型，其设备复杂，价格昂贵， 且成型工艺复杂，成型件的组织致密度不高。因此，开发一种低成本、设备简单 且成型零件致密度高的用于金属材料快速成型的方法就成为研究的热点。焊接电 弧进行快速成型的技术就是在这种背景下产生的，它利用电弧热熔化金属，通过 液态金属过渡( 沉积) 实现金属材料的连续堆积制成全焊缝金属零件( 即净成型 技术) 。电弧焊设备简单、生产效率较高、工艺发展成熟；同时，由于焊接过程 中熔滴过渡、焊接电流、焊接电压、焊接速度等参量均可控，有望得到性能良好 的成品。除r p 的普通优点外，还有其自身的特点 1 3 “1 6 1 ： ( 1 ) 机械和冶金性能好与整体铸锻相比，成型零件化学成分均匀，逐层堆 焊时伴随着逐层热处理可充分淬透回火： ( 2 ) 成本大大降低可利用现有的自动化焊接柔性生产单元，节省投资，缩 短时间，真正体现“快速”的特点； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 可控性好电弧成型工艺参量多，熔滴过渡过程可加以控制； ( 4 ) 成型精度较低与其它r p 方法相比，焊道焊层尺寸较大，且常为多道 多层，因而目前只用于毛胚件的制备，需采用磨削等后续加工得到最终成型零 件； ( 5 ) 效率大大提高堆积金属量多，高效是电弧快速成型的最大优点。 1 3 2 电弧快速成型与普通焊接、表面堆焊的比较 电弧快速成型与普通材料的对焊、表面堆焊有很大的差别，分别图1 1 所示。 工件对焊及表面堆焊加工中，在焊接电弧作用下，工件局部熔化与焊丝熔化形成 的熔滴一起形成焊接熔池，冷却后形成焊缝，其工件对电弧热作用和焊缝成型具 有重要影响。在电弧快速成型中，焊丝熔化形成的熔滴占熔池成分的比例远远大 于对焊时的情况，基体材料对电弧热作用和焊缝成型的影响大大降低。由于电弧 作用区间、焊缝周围的散热条件差别大，温度场力场变化规律不同，边界条件特 殊，因此一般的焊接理论不完全适用于电弧快速成型。从使用目的来看，普通对 焊接是用来连接工件，通常需要开坡口等。堆焊是焊接的一个分支，利用熔化焊 的方法，在零件表面堆敷一层或数层具有特殊性能的材料，来提高耐磨、耐蚀、 耐热等性能，主要用于零件的表面改性或修复【1 7 】。电弧快速成型利用堆焊的原理， 目的在于直接成型零件，对尺寸精度要求高，还可以根据需要更换多种材料。 a ) 对焊b ) 表面堆焊c ) 电弧成型 图l - 1 对焊、表面堆焊与电弧成型比较 1 3 3 电弧快速成型的研究现状 目前电弧快速成型技术还处于起步阶段，主要集中在熔化极气体保护焊 ( m i g ) 电弧快速成型、钨极氩弧焊( t i g ) 电弧快速成型、以及等离子弧焊( 甜州) 电弧快速成型3 1 。 1 m i g 电弧快速成型 熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电 弧作为焊接热源来熔化焊丝和母材，形成熔池和焊缝的焊接方法。其特点在于： 具有广泛的适用性；采用焊丝作为电极，可选用高密度电流，生产效率高【l8 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 m i g 电弧快速成型过程中，平稳的熔滴过渡和低的热输入是保证成型质量的 关键。通常用于连接的m i g 技术具有熔滴大小不一致和熔滴过渡不均匀的缺陷， 精确构建切片平面则要求能够精确控制堆积焊缝的高度、宽度，并要求得到表面 光滑的焊缝外表。这就需要精确地控制焊接熔滴过渡的频率和熔滴尺寸的大小， 同时减少过量的热输入。为达到这一目的，国内外很多研究机构已做了大量的工 作，目前m i g 焊中熔滴过渡的控制方法主要有以下两种： ( 1 ) 一脉一滴法由美国的k o v a c e v i cr 及其研究小组得到，通过采用一 种特殊的焊接电源控制电流波形来控制熔滴的长大和过渡时间，在熔滴下移时加 大电流提高电磁压力促进过渡，通过缩短基值电流时间来减少过量热输入等即可 方便精确的控制熔滴的大小和过渡速率，试验结果表明：该方法能量消耗少，飞溅 减小，熔深的可控性也得到提耐1 9 2 0 】。 ( 2 ) 脉动送丝法由美国s a n d i n gs 等通过改变脉动送丝和焊接电流的大小 来实现，试验最终得出：脉动送丝附加的机械力使熔滴的尺寸减小，熔滴过渡速 率增加，极大改善了m i g 的熔滴过渡。其中脉动的频率起了关键性的作用，可通 过改变脉动送丝的参数，如加速度、减速度、前出量、回缩量、频率等来改善焊 缝的外形，焊缝表面质量也得到了很大提高。最佳的成型效果出现在脉动频率为 8 5 h z 时【2 。 此外，美国肯塔基大学的z h a n gy u m n g 与王其隆教授合作，采用可控惯量的 熔滴过渡m a g 焊进行熔敷快速成型【2 引，对c a d 建模、文件处理、分层切片、 加工矢量路径规划进行了详细的研究，着重研究了成型过程的热量和质量流动机 理及控制措施，获得最佳的成型效果。h e a t h e re b e a r d s i e y 在其博士论文工作 中对基于三维焊接熔敷成型技术中的熔滴形成和熔敷机理进行了研究，并对焊接 熔深作了有限元数值模拟计算【2 3 1 。 对熔化极气体保护焊的熔滴过渡行为进行的研究结果表明，一脉一滴过渡形 式下的成型效果最好【躺5 1 。熔化极气体保护电弧快速成型的研究仍停留在初步 阶段，对于成型试件的熔滴过渡行为、性能、表面粗糙度等的研究还较少。 2 t i g 电弧快速成型 非熔化极气体保护焊是利用非熔化的材料做电极，外加气体作为保护介质的 一种电弧焊方法。其优点在于电弧和熔池可见性好，操作方便；没有熔渣或熔渣 很少，无需焊后清理掣1 8 】。 国外学者h w a n g 和r k o v a c e v i c 应用变极性非熔化极气体保护焊对铝合金 进行快速成型【2 6 1 。随后，o u y a n gj h ；w a n gh ；k o v a c e i v i cr 则采用变极性钨极氩 弧焊对5 3 5 6 铝合金进行快速成型，并对焊接过程控制以及焊后铝合金的微观组 织结构进行了研究【2 7 】。h u o u nw a n g ， w e n h u ij i a n g 等人以4 0 4 3 铝合金为研究 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对象，采用变极性钨极氩弧焊进行快速成型，探讨了焊接电流、电弧长度、焊接 速度、送丝速度对熔敷层金属尺寸的影响；同时对焊后铝合金的宏观状态、微观 组织以及表面租糙度进行了分析脚j 。 大量的试验结果表明快速成型的效果，主要取决于三方面的因素；基体的 预热；电弧长度的监视与控制；热输入的控制。其中，热输入的控制主要由电弧 电压( 电弧长度) 、焊接电流、焊接速度和送丝速度决定。成型试件的熔敷层高度 与焊接电流、焊接速度成反比，与送丝速度成正比；熔敷层宽度与焊接电流成正 比，与焊接速度、送丝速度成反比。 焊接成型的形状主要由焊接热输入决定。试验表明哪l ，在对熔池形状的各影 响参数中，焊接电弧的长度起重要作用。焊后合金的微观结构中，后期焊接的各 层中晶粒较为细小而前期焊接的部分则呈现出晶粒粗大的组织形态，如图i - 2 所示。成品的侧边缘处有等轴晶出现。试验表明，焊后冷却速度对微观结构有很 大的影响，快冷条件下得到的晶粒较好。第一层成型所需要的能量最大，以后各 层逐层递减，直至达到热平衡( 材料吸热与向外界散热相等) ，之后各层则以固定 不变的热输入进行焊接。同时，在对成型热过程进行控制的条件下，将会得到良 好的表面成型；与无热输入控制相比，表面粗糙度明显降低，如图l - 3 所示。 采用非熔化极气体保护焊对金属或合金进行快速成型，通过对焊接参数的调 节可以得到较好的成型形状及表面。但是，焊后晶体的微观组织不均匀，各处硬 度不等，并出现较大的差异，使其性能受到影响。 黼 蝴层的徽观组织结构 ( c ) 区域- 中上部组织高放大倍数下微观结构 区域a 中沉淀的徽观组织结构袖区域 中下部组织高放大倍箍下微观结构 图i 24 # 4 3 铝台盘顶层的截现组飙结构 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 时存在热输入控制条件下表面状态嘞无热输入控制条件下表面状态 圈l 一34 0 4 3 铝合金快速成型表面状态 3 p a w 电弧快速成型 等离子弧是利用等离子枪将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电高 度、高能量密度及高焰流速速度的电弧。其特点在于等离子弧的能量密度和等离 子流力较大，焊接效率高。 a t m a l e ，y wc h e n ，pjl i 和y m z h a n g 对于等离子孤焊接条件下 试件的性能、熔池的控制进行了分析2 螂l ，并采用等离子弧作为热源对不同的 金属进行快速成型的研究p l 】。研究表明，非转移弧等离子弧焊可以满足快速成型 的基本要求，同时与激光热源相比，具有一定的优势。等离子成型过程中，可采 用c 0 2 气体做前后冷却。影响成型速度的关键是控制为焊接热输入，即控制焊 接电流、等离子气流的流速、喷嘴尺寸、等离子喷嘴的摆动幅度以及喷嘴距工件 的距离。其中，电流的大小、喷嘴与工件的距离、焊接速度的太小和金属的热导 率决定了焊后金属变形的方向及程度。热传导率高的金属在焊后呈现出较小的变 形。因此，高热导率、低熔点的金属成为了等离子快速成型的首选材料。此外， 焊后试件中心处的硬度出现高峰，向两侧逐渐递减至恒定不变。 迄今为止，等离子弧金属快速成型的研究仍停留在工艺参数的作用方面，且 尚未取得较为理想的数据而焊后试件的性能研究、成型精度、焊后应力问题还 有特解决。 除此之外，dm c s a n t o s 等人建立了快速成型的三维模型d 2 ：c h a r a i a b o s d o u m a n i d l s 等人对于焊接热过程进行了讨论咖；d t p h a m 等人则对各种快速成 型方法进行了比较 蚓。 电弧快速成型工艺以其独特的优势而备受人们关注，发展很快。然而，成型 过程中的逐层堆积以及电弧焊接中多参数的工艺调节也为电弧成型带来了一些 问息“q ，主要体现在以下方面r ( 1 ) 成型糟度问题成型零件的精度是街量威型质量的主要标准，包括几 天津大学硕士学位论文第一章绪论 何尺寸精度和表面粗糙度两方面。电弧焊可调参数多，焊接过程稳定性较低。叠 层堆积材料的数量，焊接热输入，熔池形状的精确控制较为复杂，同时伴随焊接 变形和残余应力的影响，导致电弧快速成型精度仍不能满足要求。 ( 2 ) 成型性能问题成型零件的性能是生产追寻的最终目标。由于焊接过 程的复杂性使焊缝的组织及性能转变过程相当复杂，电弧快速成型是通过叠层堆 焊进行的，所以热循环过程比一般的焊接过程复杂得多，零件的组织及性能变化 更加复杂，增加了控制的难度。 1 4 课题来源及意义 电弧快速成型技术是将电弧焊中的熔敷堆焊技术与零件的快速制造相结合， 但由于零件快速成型的特殊性，一般的焊接技术、焊接控制不能很好地满足零件 电弧快速成型的制造要求，它对熔敷堆焊提出了特殊的要求。尽管国内外在电弧 快速成型方面已进行了较多研究并取得一定进展，但与实际应用的要求还有很大 差距，目前仍处于基础理论与初步实验研究阶段，尤其是国内在该领域的研究尚 处于起步阶段，有许多基础性问题有待进行深入的研究，主要体现在成型的效率、 成型件的精度和性能三方面。电弧快速成型的过程是以高温液态熔滴金属过渡的 方式进行，直接影响到电弧的稳定性和成型质量，为保证快速成型的精度和性能 就需要对堆积材料的数量和能量加以控制，由此首要和关键的问题是对熔滴过渡 的研究，分析其物理过程，确定合理的熔滴过渡方式。通过对熔滴过渡形式、过 渡速率和尺寸等的控制，即可控制熔入熔池的材料数量和能量，直接有效的方法 主要是通过控制焊接工艺参数来实现对熔滴的长大、分离和过渡等过程的控制。 研究结果己表明对熔滴过渡加以控制后可成型较高精度和性能的零件。与t i g 、 p a w 相比，m i g 的成型效率要高得多，且工艺设备简单、可控性好、实际应用 前景很广泛。但由于m i g 是利用焊丝与工件的电弧热来熔化焊丝导致熔滴过渡 过程复杂，可控性差。提出合理的熔滴过渡形式优化原则可为提高快速成型从毛 胚半成品到最终零部件加工的精度和性能提供理论。 熔化金属过程中，熔滴的过渡速率、过渡形式和熔滴的几何尺寸都对成型效 率、成型零件的精度和性能有影响。有必要研究各种工艺方法，工艺参数对熔滴 过渡行为的影响，以及熔滴过渡行为对成型形状尺寸和微观组织的影响，在此基 础上，将电弧快速成型应用于一些简单零件的成型上，以改善成型零件的精度与 性能，提高成型的效率，最终实现对r p 的控制。由此可见，开展有关m i g 电 弧成型过程中焊接工艺参数，熔滴过渡形式等对成型精度和性能的影响的研究， 在理论和实际应用上均具有重要意义。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 课题主要研究内容 由于电弧成型工艺会影响熔滴的过渡行为，进而对成型的精度和性能产生影 响。p m i g 焊是从能量输入的角度控制熔滴过渡的一种有效方法，非常适于铝合 金的焊接成型。其电流调节范围宽，能在平均电流小于临界电流的条件下实现喷 射过渡，可精确控制热输入，改善成型精度和性能。随着高性能电子设备和数字 控制器的发展，对焊接电流和电压控制的准确度和柔性的提高，并可调节多脉冲 参数获得复杂电流波形改善焊接结果。 借鉴国内外对铝合金p m i g 电弧成型工艺和熔滴过渡已取得的研究结论和 经验，始终抓住电弧成型工艺熔滴过渡一成型的尺寸和性能这紧密联系的三个 方面，就熔滴过渡过程中过渡方式、过渡速率和熔滴大小等方面进行分析。研究 内容主要包括以下几方面：研究铝合金p m i g 电弧成型工艺对熔滴过渡行为 的影响规律：研究熔滴过渡行为对成型的尺寸和性能的影响规律。利用 p m i g 电弧成型具有一定形状的简单零件，并就效率与其它成型方法进行比较。 通过调节脉冲工艺参数( 主要针对脉冲电流波形) 来改变熔滴过渡行为的研 究，得到在不同脉冲条件下各脉冲参数对熔滴过渡行为的影响规律，实现电弧成 型工艺参数的优化配置，由此得出电弧快速成型的合理熔滴过渡形式，为实现电 弧成型，满足成型精度和性能的要求提供理论依据和控制途径。 天津大学硕士学位论文 第二章电弧快速成型系统及成型方案 第二章电弧快速成型系统及成型方案 2 1 电弧快速成型系统 电弧快速成型采用p m i g 电弧作为热源，它是一种熔化极气体保护焊工艺。 按照p m i g 焊的工艺要求和课题研究的需要，本试验系统( 如图2 1 示) 主要包括用 于成型试验的电焊机、机器人焊接系统，用于熔滴过渡行为分析的高速摄像系统， 分别如图2 2 ，2 3 所示。 w e l d i n gt a b l e 图2 1电弧快速成型系统 1 焊机系统 f r o n i u s 逆变全数字化焊机t p s 4 0 0 0 ，带有微处理器，可集中处理所有焊接数 据、数字化控制和监测整个焊接过程，快速对焊接过程做出反应，精确度高，焊 接特性好。 c o m f o r t ”控制面板，可调节并显示焊接过程参数变化；配套f r o n i u s 送丝机v r 4 0 0 0 。该焊机系统功能强大，为一元化控制，能提供4 0 0 a 电流，可以 很好地实现p m i g 弧焊。 在f r o n i u s 控制器r c u5 0 0 0 i 控制器上，可以改变t p s 4 0 0 0 全数字化控制的逆 变电源内的焊接专家程序，实现对脉冲工艺参数的独立调节，调节范围大，非常 适于本课题对脉冲工艺参数的研究。 2 机器人焊接系统 型号为m o t o m a nh p 6 n x l 0 0 ，包括机器人、控制柜和示教编程器三部分。 天律大学硕士学位论文第二章电弧快速成型系统及成型方案 通过机器人编程器示教、再现可实现焊枪和变位机的独立运动，满足行走轨迹要 求。机器人手臂有六个坐标轴，可在三维空间内任意运动：变位机有两个坐标轴， 可在固定位鬻上旋转或翻转。 md 曲f r o n i u s 全教字化逆变焊机 圈2 - 2 b ) m o t o m a n 焊接机器 焊接系统 3 高速摄像系统 该系统主要用于记录熔滴过渡过程。脉冲电弧焊的熔滴过渡受到电、热和力 的综合作用，是高速运动和高速瞬变的复杂过程呈现周期性特征。虽然高速摄 像的清晰度和分辨率不及高速摄影，但具有简单、实时、立即重放等特点，可满 足本试验对熔滴过渡行为的研究。通过高速摄像照片可对熔滴过渡行为进行观 察，记录和分析，直接观察熔满形成、长大和过渡的全过程，获得熔滴过渡形式、 大小和速率的信息。 本试验所用到的高速摄像系统由4 部分组成，其光路如图2 - 3 所示： ( 1 ) 光源部分背光光源使用的是输出波长为6 3 3 n m ，输出功率1 5 - - 2 0 r o w 的f i n - 8 0 0 单模氮氖激光器，减小弧光对熔滴观察的干扰； ( 2 ) 扩束部分由显徽目镜( 透镜1 ) 和凸透镜( 透镜2 ) 组成的扩束镜； ( 3 ) 成像部分包括成像物镜( 透镜3 ) 、小孔光阑、红色滤光片，毛玻璃成 像物镜等； ( 4 ) 摄像部分选用k o d a k 公司的f a s t c a m s u p e r1 0 k c ，该仪器以面阵 c c d 器件的电扫描技术为核心，记录的电弧形态和熔漓过渡形态可直接显示在监 视器上，最高摄影频率为1 0 0 0 0 帧，秒，分辨率为5 1 2 4 蚰像素。可以通过s c s i 卡 与计算机进行通讯，所拍摄的图像可以下载到计算机的硬盘中以便于永久性的保 存和分析。高速摄像图像文件传递到计算机后可利用a c d s e e 软件的图片播放 功e 进行重复播放。试验时由焊接过程信号测试分析系统中的数据采集卡输出高 速摄像同步控制脉冲可实现高速摄像与信号采集的同步 天津大学硕士学位论文第二章电弧快速成型系统及成型方案 图2 - 3 高速摄像光路系统 此外还有焊接辅助装置：水冷机、焊接夹具、采集系统( 同步采集高速摄像 2 s 时间间隔内的电流电压信号) 等。试验研究中，首先用焊接夹具将经过机械 处理的铝板固定在机器人焊接系统的工作台上，保证铝板在水平面上以确保焊接 过程中焊枪与基板高度不变，减小弧长变化对成型的干扰。在f r o n i u s 逆变数字 化焊机上预设焊接工艺参数，如焊接电流，焊接电压，送丝速度等，由于焊机是 一元化设置模式，因而一旦设定好焊接电流，焊接电压和送丝速度也就确定。通 过与焊机配套的控制器可根据研究需要对电流波形的各参数进行分别设置，实现 脉冲工艺参数的独立控制。 通过n x l 0 0 示教编程器示教编程制定成型轨迹，试运行确定程序无误后， 进行再现也就是正式的电弧成型。成型轨迹有两种方式实现：一是焊枪固定，工 作台运动；二是工作台固定，焊枪运动。焊枪和工作台都可在三维空间内任意运 动。试验中焊枪的位置和倾斜角度可进行任意设置。 考虑到实验室空间有限，用一个平面镜将激光背光反射到透镜1 上，然后对 各光路元件逐个调节，保证扩束部分、成像部分和摄像部分组成的光路在一条直 线上，选择1 ：l 的放大率，2 0 0 0 帧秒的摄像频率( 不低于熔滴过渡频率的l o 倍) 。 将高速摄像的光路调正，采集系统正确连线后，成型过程中同步观察、记录熔滴 过渡行为和采集电信号，将图片和数据记录在计算机上便于后续处理。 2 2 试验材料 本课题选用a i m g 系合金5 l8 3 焊丝作为快速成型的金属成型材料，a 1 s i 系合金6 0 6 1 平板作为基体。5 1 8 3 是目前应用较为广泛的a i m g 系焊丝之一，适 于制造零件，与基材6 0 61 焊接结合性也很好。 5 1 8 3 是一种热处理不可强化的防锈铝合金，m g 含量高，耐蚀性优良，焊接 性能和切削加工性好，密度为2 6 4 9 c m 3 ，固相线和液相线温度分别为5 7 4 、 6 3 8 。c 1 3 酬。其化学成分如表2 一l ，基本性能如表2 2 。 6 0 6 1 铝合金具有与超硬铝相媲美的强度以及良好的高温塑性，是常用的结 构用材，其化学成分如表2 1 所示。 天津大学硕士学位论文第二章电弧快速成型系统及成型方案 表2 - 1 5 18 3 ，6 0 6 1a i 的化学成分( 质量分数：) 其它元素 s if ec u m n m g c rz na l 单个总和 5 1 8 3 余 0 4 00 4 0o 1 0o 5 1 o4 3 5 20 0 5 旬2 50 2 5翊0 5翊1 5 且 重 6 0 6 10 4 - 4 ) 8 0o 7o 1 5 0 4o 1 50 8 1 20 0 4 一田3 50 2 5 余 o d p p ( 1 32 m s ) 综上，保持其它脉冲参数不变的条件下，改变峰值电流或峰值时间，即是对 峰值能量进行调节，平均电流也相应改变，具体为当峰值电流和峰值时间增大时， 峰值能量增大，单个脉冲周期的能量增大但脉冲的个数不变，在相同时间内总 能量增大，平均电流增大。峰值电流和峰值时间对熔滴过渡形式和过渡熔滴的大 小的影响比较显著，而对熔滴过渡速率的影响比较小。 3 3 4 熔滴过渡电流对熔滴过渡行为的影响 熔滴过渡电流是双阶梯脉冲电流波形中第二个高点的电流，在峰值电流的下 降阶段起重要作用，可保证熔漓的最佳分离。其数值必须大于基值电流，否则可 能导致电弧的中断。熔滴过渡电流大将提高脉冲能量和熔滴过渡时的能量 反之 则会降低。 为研究熔滴过渡电流对熔滴过渡行为的影响，设计了l o 组试验r 从5 0 a ( 基 值电流值) 逐渐增大到3 8 0 a ( 峰值电流值) ，其变化情况如表2 - 3 项所示。 分析熔渣过渡的高速摄像照片得到t 当蝽蒲过渡屯流从5 0 a 到3 8 0 a 范围内增加 天津大学硕士学位论文第三章脉冲工艺参数对熔滴过渡行为的髟响 时，熔滴过渡形式均为一脉一滴。图3 - 】2 、3 - 1 3 、3 - 1 4 分别为0 4 0 1 ( 驴5 0 a ) 、 0 4 0 7 ( 1 e - = 2 4 0 a ) 、0 4 0 8 ( i d = 2 8 0 a ) 组的熔滴过渡高速摄像照片。 在保持熔滴过渡时间不变的条件下，熔滴过渡电流较小时，焊丝在峰值期间 熔化形成熔滴，长大到一定程度时，当电流从峰值电流鞋降变为熔浦过渡电流时， 在电弧力的作用下完成熔滴过渡。倘若熔滴过渡电流进一步增大，逐渐接近并等 于峰值电流，这时它相对基值电流比较大焊丝继续熔化，液态金属量不断累积， 在峰值电流降至熔滴过渡电流的时刻即开始过渡，此时电流下降的斜率相同，只 是从峰值电流降为熔滴过渡电流的时间不同熔滴过渡电流越大u 该段时间越 短这样作用在焊丝根部的附加电磁压力的作用时闻越短，它