【《机器人辅助电弧增材制造系统国内外研究状况文献综述》3100字】

机器人辅助电弧增材制造系统国内外研究状况文献综述电弧增材制造技术WAAM技术最早于1925年被提出，在控制技术的进步下于大型复杂构件的制造上展现出特有的优势，因此国内外大量研究机构对于该项技术进行了多种研究REF_Ref72296818\r\h[6]。WAAM技术根据电极的不同可以分为熔化极惰性气体保护（MeltInertGas,MIG）技术与变极性钨极氩弧（VariablePolarityTungstenInertGas,VP-TIG）技术。黄健康等研究并建立了MIG制造过程中的温度场曲线，赵孝祥等探索了MIG技术参数对构件成形尺寸的影响REF_Ref72302150\r\h[7]，刘一博等研究了MIG技术参数对成形构件宽高比的影响，CranfieldUniversity的研究人员研究总结了填充丝材送丝速率对MIG成形形貌的影响规律REF_Ref72296882\r\h[8]。相较于MIG技术，VP-TIG技术因为具有热输入小的优势而吸引了许多研究者对该项技术展开深入研究REF_Ref72302773\r\h[9]。对于传统VP-TIG技术的研究表明，该技术可以降低钨极烧损、清理氧化膜以及良好焊缝成形，但是也存在着焊接速度较慢、气孔产生倾向性高、焊缝处熔池过浅、焊接接头处存在软化严重等较多问题。国内外诸多学者针对于上述问题进行了有关研究，通过引入脉冲电流，实现了在保持传统VP-TIG优点的同时，改善了工艺性能REF_Ref71951450\r\h[10-15]。已有大量研究表明，引入了高频脉冲电流的VP-TIG技术，可以通过高频脉冲电流产生的“高频效应”较为显著地改善焊接成形效果，对于提高焊接质量有较为有效的帮助REF_Ref71953656\r\h[16]，因此超音频脉冲变极性钨极氩弧（HybridPulsedVP-TIG,HPVP-TIG）技术进入人们的视野。该技术已被诸多研究证明可以改善VP-TIG的性能，许多研究表明，VP-TIG成形效果与其电弧形态有较大关系，其电弧形态将影响到电弧的穿透力，进而对熔池流动以及凝固组织结晶乃至气孔成形均有影响REF_Ref71960431\r\h[17]。引入的超音频脉冲电流在制造过程中可以显著提高电弧压力，使电弧的熔透能力得到显著的提升与改善REF_Ref71961260\r\hREF_Ref71951124\r\h[15]。杨舟等以TC4钛合金为实验对象，研究得出了超高频脉冲电流能够使电弧收缩效应增强，提高电弧温度、电流密度、能量密度以及等离子流力，进而形成了更大的深宽比REF_Ref71960323\r\h[18]。平均晶粒尺寸大小在同等平均电流的条件下，会随着引入的脉冲电流占空比的减小而减小，使得晶粒得到细化，接头塑性进一步得到改善REF_Ref71961548\r\h[19]。在一定范围内，更高的电弧能量密度可以改善焊接接头的拉伸力学性能、疲劳性能和疲劳寿命REF_Ref71961110\r\h[20]，起到提升成形质量的效果。王义鹏等研究了HPVP-TIG电流参数对于力学性能的影响，以镁铝合金为实验对象，总结对比了多种电流参数对显微硬度的影响REF_Ref71960629\r\hREF_Ref71953656\r\h[16]。哈尔滨工业大学的邱灵等通过研究发现，VP-TIG的电弧力和电弧挺度在高频脉冲电流被引入后能够得到较大幅度的提升，进而加深了熔池深度，并同时降低了剩余高度REF_Ref71961990\r\h[21]。从保强等确定了HPVP-TIG可以有效降低产生气孔的倾向性，并总结了影响HPVP-TIG技术在铝合金材料上成形质量的主要参数REF_Ref71962111\r\hREF_Ref71951450\r\h[10]。齐铂金等以2219-T87高强铝合金为实验对象，通过对比常规VP-TIG和HPVP-TIG工艺，研究了电流换向速率对气孔产生倾向性以及力学性能的作用。实验结果表明，采用常规VP-TIG技术内部存在着大量较大尺寸的气孔缺陷，而采用了HPVP-TIG技术则难以通过肉眼观察到明显的气孔缺陷。采用常规VP-TIG技术的横断面和拉伸断口处存在许多大气孔，而采用了HPVP-TIG技术的横断面和拉伸断口处没能找到同等尺寸规模的气孔REF_Ref72307280\r\h[22]。北京航空航天大学的高效增材制造课题组探究了HPVP-TIG工艺对显微组织和接头处拉伸性能的影响变化。结果表明，接头处力学性能发生变化、显微组织细化，接头处的抗拉强度以及断后伸长率明显改善，接头处断口的主要特征发送改变。提高脉冲电流频率、降低脉冲电流占空比，可以在一定范围内显著地加强电流脉冲作用的效果REF_Ref71962788\r\h[23]。在引入超音频脉冲电流后，中心区的组织相较于未引入可以发现出现显著的细化，且熔合区的宽度明显减小REF_Ref71962778\r\hREF_Ref71951117\r\h[12]。针对铝合金材料电弧加工存在的问题，从保强等的研究结果表明，采用HPVP-TIG技术进行加工，可以明显改善甚至消除气孔，并且能够显著降低气孔的尺寸大小，因而有效改善了力学性能，从而获得更加满意的成形质量REF_Ref71962773\r\h[24]。综合上述学者所做研究成果能够发现，在VP-TIG技术基础上引入了超音频脉冲电流的HPVP-TIG技术能够得到更为满意的增材制造成形效果，并可以显著减少并削除气孔等缺陷，从而更易于得到更加优质的制造效果REF_Ref71962766\r\h[25]。由此可以看出，HPVP-TIG技术在VP-TIG技术的优势基础上有更为出色的成形效果，是一种更加高效高质量的增材制造技术，电弧挺度、材料成形、组织晶粒和接头性能等方面均因高频脉冲电流的引入而有显著的提升与改善效果REF_Ref71951450\r\h[10]。机器人辅助电弧增材制造系统当前很多研究机构都构建了机器人辅助增材制造系统，国内部分研究院所与其用于搭建平台所用工业机器人品牌如表1.1所示，国内外部分科研机构搭建的机器人平台如图1.1所示。表1.1国内部分研究院所使用的工业机器人品牌研究院所工业机器人品牌西安交通大学、北京工业大学、中国船舶重工集团公司第七二五研究所、南京理工大学、哈尔滨工业大学KUKA上海工程技术大学、南京理工大学、南京航空航天大学ABB华中科技大学、广东技术师范大学、华南理工大学FANUC上海交通大学、天津大学、南京理工大学YASKAWA(a)北京航空航天大学(b)西安交通大学(c)大连理工大学(d)北京工业大学(e)上海交通大学(f)南昌航空大学(g)UniversityofStrathclyd(h)TechnischeUniversitätBraunschweig(i)UniversitätHannover(j)UniversityofWollongong图1.1国内外部分科研机构搭建的机器人平台由表1.1可知，目前研究机构主要选用占有该领域绝对市场份额的ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA的产品为主，与之相关的研究也基本围绕上述四大厂商的产品。这些品牌都配套有离线编程软件，这些配套的开发软件可与三维建模软件一起，于搭建的虚拟环境中进行模拟仿真的离线编程研究，能够实现对于复杂构件制造轨迹的设计REF_Ref72284734\r\h[5]。但现有的大部分研究仅针对于工业机器人的路径规划编程，而鲜少研究以代码方式在制造过程中实时修改参数REF_Ref71949269\r\h[26]。北京航空航天大学赵罡团队搭建了MIG+KUKA机器人的自动化系统，对大型铝合金构件电弧增材路径规划及制造工艺进行了研究；西安交通大学卢秉恒院士搭建了MIG+KUKA机器人的自动化系统，系统地对金属材料WAAM中的各项技术进行了研究；大连理工大学刘黎明团队搭建了日本OTC+OTC机器人的自动化系统，对激光和电弧复合增材制造工艺进行了研究；南京航空航天大学刘仁培团队搭建了MIG+KUKA/ABB机器人系统，对模具钢的MIG技术进行了研究；上海交通大学许燕玲课题组搭建了MIG+FANUC机器人系统，对MIG增材制造过程的视觉监控及反馈调节进行了研究；西华大学刘渝课题组搭建了MIG+KUKA机器人系统，对电弧增材离线编程技术进行了研究；南京理工大学王克鸿团队搭建了TIG和CMT+YASAKAWA机器人和ABB机器人的自动化系统，对多种材料以及多种WAAM技术进行了研究。参考文献莫非,李佳蒙.浅析CMT技术在铝合金电弧增材制造中的应用[J].现代制造技术与装备,2019(08):107+113.卢秉恒,李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化,2013,42(4):1-4．仲雪伟,周佳伟,王东丽.工业机器人技术的发展与应用[J].南方农机,2021,52(04):127-128.马明亮,刘苏杭,郭纯,王树军,刘茵琪.电弧增材制造技术的研究进展[J].铸造技术,2021,42(03):231-233.林泓延,姚屏,李道良,梁道赞,周亢.机器人电弧增材制造技术研究现状与趋势[J].自动化与信息工程,2019,40(06):8-19.江宏亮,姚巨坤,殷凤良.丝材电弧增材制造技术的研究现状与应用[J].热加工工艺,2018,47(18):25-29.张江帅.铝合金电弧增材制造技术研究现状及进展[J].中国化工贸易,2018,010(008):61-62.耿海滨,熊江涛,黄丹,李京龙,朱志华.丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势[J].焊接,2015(11):17-21+69.徐辉丽,陈希章,徐桂芳,桑静.焊接快速成形技术的发展现状[J].材料导报,2015,29(11):114-118.从保强,苏勇,齐铂金,祁泽武,王强,杨明轩.铝合金脉冲电弧焊接技术进展[J].航空制造技术,2016(11):41-46.耿正,张广军,邓元召,等.铝合金变极性TIG焊工艺特点[J].焊接学报,1997,18(4):232-237.从保强,齐铂金,周兴国,等.铝合金超快变换复合脉冲方波VPTIG焊接技术[J].焊接学报,2009,30(2):25-29.柏久阳,林三宝,杨春利,等.铝合金TIG焊变极性参数对阴极清理及钨极烧损的影响[J].焊接,2015(5):9-12,68.韩永全,张世全,庞世刚,等.铝合金变极性TIG焊接电弧行为[J].焊接学报,2015,36(9):51-59.从保强,王义朋,齐铂金,钟豪,胡鑫.铝合金超音频双脉冲调制VPTIG深熔焊接技术[J].航空制造技术,2018,61(08):38-42+47.王义朋,齐铂金,从保强,王强,周阳.Al-Mg合金超高频脉冲VP-GTAW电流参数优化[J].稀有金属材料与工程,2018,47(11):3522-3527.杨明轩,杨舟,从保强,王强,齐铂金.超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为[J].北京航空航天大学学报,2015,41(04):589-593.杨舟,齐铂金,从保强,杨明轩.脉冲电流频率对TC4钛合金焊缝成形的影响[J].焊接学报,2013,34(12):37-40+3.杨舟,齐铂金,从保强,杨明轩,高明健.低占空比下脉冲电流频率对Ti-6Al-4V焊缝组织性能的影响[