深度解析基于机器人堆焊增材制造工艺与方法研究

亚洲工业网讯 为了适应当今制造业市场日趋激烈的竞争环境，企业要在最短的时间内设计、加工与制造出来符合消费者个性要求的产品。增材制造作为一种“自下而上”的制造方法，能满足制造业对于零件的快速设计制造与加工过程柔性化的要求，因此近年来受到了业界的广泛关注。 相比于其他几种增材制造技术如SLS、FDM、LOM等，堆焊成形具有在低成本下生产组织致密且力学性能好的特点，因此该技术有望发展为面向民用市场大批量生产的增材制造技术。

但是，目前基于堆焊的增材制造技术研究还不够深入，成形零件距能达到实际应用的要求还有较大差距，其中主要体现在如下两点：

1) 由于堆焊工艺中弧坑塌陷造成的成形尺寸不精确。

2) 成形零件表面粗糙无法满足使用要求。

解决堆焊成形的弧坑塌陷问题，主要是通过优化成形路径予以解决的。其中，堆焊成形路径描述了焊接过程中的焊道起弧、停弧的位置以及焊缝间的空间位置及时间顺序。目前国内外许多学者对堆焊成形的路径规划进行了研究。例如，美国肯塔基大学的张裕明等人采用了对切片的轮廓线进行环状扫描，而对内部的填充则采用往复“Z”字形扫描的方式，消除了由于焊接过程中的起弧和断弧处造成的焊接缺陷和不连续性，使一层内的熔焊堆积一次性完成。英国诺丁汉大学J D Spencer等人开发出一种“两次螺旋堆积”的路 径规划方式，消除了焊接中焊缝重熔对零件轮廓的破坏。 对于零件表面粗糙的问题，则需要在加工的过程引入其他加工方法使零件表面光滑。

研究人员设计了一种由弧焊机器人、数控铣床、抛丸机以及支撑材料堆积系统组成的复合四工位的快速成形系统。在其工作过程中，弧焊机器人每完成一条焊道，其多余的部分将会被铣削掉并进行抛丸去应力，在堆积支撑材料之后进行下一层的堆焊。此方法的优点在于零件成形精度高，表面质量好同时生产效率高。 在本文的实验研究中，作者提出了一整套堆焊成形的工艺，基于机器人堆焊制得了一个成品零件。在堆焊成形方面，优化了堆焊成形的路径规划方法，解决了弧坑塌陷的问题，并堆焊出单壁墙体零件，验证了该方法的成形效果；在成形后零件的后处理方面，本次实验采取了电解加工的方式对零件进行精密修形，以解决由于堆焊成形的零件表面过于粗糙难以满足使用要求的问题。

1 实验条件与过程

1.1 实验条件

本次实验的堆焊成形系统如图1所示，其中主要设备的型号分别为MOTOMAN HP6弧焊机器人、NX100机器人控制器以及TPS400型数字化焊机及其专用机器人接口ROB5000。除此之外，实验设备还包括一台自制电解加工设备对零件进行后处理。实验材料为直径1.2mm的H08Mn2Si焊丝、直径1.2mm的5356铝合金焊丝、保护气、Ar气、20%氯化电解液、Q235钢板/管以及6061-T6铝合金板/管。 󰀔 󰀕󰀖󰀗 󰀘

1.2 实验方法

首先进行焊接工艺参数对成形的影响规律实验研究，分别得出适合低碳钢和铝合金堆焊成形的工艺参数。然后在合适的工艺参数下分别对预定的低碳钢和铝合金零件进行堆焊成形，对比不同路径规划对成形效果的影响。最终用电解加工的方式对零件进行精密修形，得到表面光滑的零件。