基于三维焊接熔敷的快速成形技术

1、基于三维焊接熔敷的快速成形技术周龙早 刘顺洪 丁冬平(华中科技大学材料学院 , 湖北武汉 430074 摘要 :介绍了一种新型的快速成形技术 、 分类 和优点 , ,问题及对策 , 最后指出了其未来发展趋势 。关键词 :快速成形 ; 三维焊接熔敷 ; 快速成形 (RP 已经 逐步实现商业化 1问题 。 , 这在一定程度上制约了快速成形技术的普及和应 用 。目前 , 快速成形系统的使用仅限于大型公司 、 研 究机构和大学 , 一般的用户还很少 。 材料方面 , 多数 成功实现商业化的快速成形工艺所使用的成形材料 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

2、价格昂贵 , 而且性能与最终产品的 要求相去甚远 (特别是对于金属产品 , 所以得到的 原型只能用于产品零件的设计评估和展示等 。 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 。 效率方面 , 快速成形技术的 “快速” 是相对 于传统产品设计的周期较长而言的 , 即体现在显著 缩短产品开发设计的周期上 。其实 , 目前传统的快 速成形工艺制造产品原型的时间并不算短 , 通常需 要几小时 、 几天 、 几周不等 。为了克服上述传统快速成形工艺的缺陷 , 开发 设备简

3、单 、 使用金属作为成形材料 、 制造效率高 、 零 件致密度和机械性能好的新型快速成形工艺成为全 球新的研究热点 。与此同时 , 随着成形工艺的进步 和应用的扩展 , RP 概念已逐渐从快速原型向快速 生成转变 , 成形设备也向概念模型 、 生产和专用成形 3个方向分化 。 基于上述原因 , 采用金属材料直接 成形已成为国际上快速成形技术的研究热点和一个收稿日期 :2004-03-01第一作者简介 :周龙早 , 男 ,1973年生 , 博士研究生。 重要的发展方向 。基于焊接熔敷工艺快速成形技术的研究与开 发 , 就是在上述背景之下在全球范围广泛兴起的 。 由于焊接熔敷具有效率高 、 设备简

4、单 , 加上焊接过程 在熔滴尺寸控制 、 熔滴过渡方式和频率 、 熔滴和基体 热状态等方面具有潜在的可控性等特点 , 故使得焊 接熔敷工艺成为最有希望实现高质量金属零件直接 经济 、 快速制造的方法之一 。1 焊接熔敷快速成形技术1. 1 焊接熔敷快速成形技术的机理焊接熔敷快速成形技术作为快速成形技术的一 种新工艺 , 其基本原理与传统的快速成形方法相 同 , 即按照离散 /堆积的加工原理 , 设计人员根据实 体或所提供的三维数据通过 CAD 造型软件得到零 件的曲面或实体模型 , 再将模型沿某一坐标方向按 照一定的厚度进行分层切片处理 , 得到每层截面的 一系列二维截面数据 , 然后由焊接电

5、弧将焊丝或添 加材料熔化 , 并沿着一定的路径堆积形成每一二维 薄层的几何形状 , 通过层层堆积形成零件的三维实 体 。 它与传统的焊接 材料与材料之间的连接不 同 , 制造的零件全部由焊缝组成 , 所以也叫做全焊 缝金属零件制造技术 。 成形的基本步骤如下 :(1 CAD 造型 :首先在 U G 、 Pro/E 、 AutoCAD 等商用 CAD 软件平台上将设计思想转化为零件的 CAD 实体模型或表面模型 , 然后对模型进行近似处 理 , 转化成以表面三角形逼近的 STL 格式文件输 出 。(2 文件处理 :STL 格式文件输入快速成形的 软件系统进行纠错及修复处理 , 重新生成以表面三

6、角形逼近的实体模型 。 1综述 专稿 电加工与模具 2004年第 4期 (3 分层切片 :沿焊接成形的高度方向 , 每隔一定间距 , 用切片处理软件从 STL 文件中 “切出” 设定厚度的一系列片层 , 以便提取加工截面的轮廓 信息 。(4 路径规划 :对零件每一层加工截面的轮廓 信息进行处理 , 形成焊接熔敷时焊炬的运动轨迹 。(5 输入加工参数 :输入焊接熔敷工艺参数 , 包 括焊接电流 、 电弧电压 、 焊接速度等 。(6 生成焊接熔敷加工文件 :根据路径规划和 输入的加工参数生成焊接熔敷加工文件 。(7 零件加工 :控制器或成形系统控制器 , 层进行焊接熔敷 , 1. 2 成形系统所使

7、用的焊接熔敷工艺的不同来进行的 , 包括 埋 弧 自 动 焊 (SAW 、 熔 化 极 气 体 保 护 焊 (GMAW 、 非熔化极气体保护焊 (GTAW 、 等离子 焊 (PAW 、 激光焊 (LAW 、 电子束焊 (EBW 等 。 1. 3 焊接熔敷快速成形技术的优点焊接熔敷快速成形技术的主要优点是 :(1 制造成本低 :主要体现在焊接熔敷快速成 形系统采用价格低廉的通用设备 , 因此设备投资少 。 此外 , 焊接熔敷成形的零部件产生的废料很少 , 焊接 材料的 80%都得到了利用 。(2 生产效率高 :焊接熔敷快速成形零部件只 需要少量的机械加工 , 对于高硬度 、 脆性大的材料来 说就

8、更节省加工工时 。相对于传统的快速成形方 法 , 焊接熔敷工艺是最高效的材料添加方式 , 因此可 以大大地节省成形时间 。(3 制造形式灵活 :零部件的形状 、 尺寸及重量 几乎不受限制 , 既可以是任意形状的大型零部件 , 也 可以是微细零部件 。 且可通过更换焊接填充材料实 现零件的多材质复合构成 , 即零件的不同部位可由 不同成分的材料构成 。(4 零件性能好 :与整体铸锻件相比 , 焊接熔敷 成形零件具有更好的机械 、 力学性能 , 体现在成形零 件组织密实 、 冶金结合性能好 、 强度高 、 韧性好等方 面 。 这主要是因为全焊缝金属零件的化学成分均 匀 、 纯度高 , 以及由于焊接

9、过程的局部性和瞬时性 使得焊缝金属的晶粒尺寸与铸锻件相比更细小 , 因 而零件的机械和力学性能更优异 。 2 焊接熔敷快速成形技术的国内外研究现状焊接熔敷快速成形技术起源于 20世纪 60年代 末 , 联邦德国 Krupp 、 Thyssen 钢铁制造公司及瑞士 Sulzer 公司首先开始开发成形焊接工艺 , 将焊接工艺 用 于 制 造 全 由 焊 缝 金 属 成 的 大 型 压 力 容 器 23。 研究表明 , 而 , 使得最终制 19851991年期间 , 美国 公司总共投入上千万美元用于开(shape welting 技术 , 致力于开发能够用于经济制造各种接近净成形 (near 2ne

10、t shape 零部 件的 技 术 和 设 备 。 Babcock &Wilcox 公 司 使 用 GMAW 和等离子 2M IG 混合焊 , 生产出了材料为奥 氏体不锈钢或者是 Ni 基合金的大型零部件 , 并为成 形熔化技术申请了 4项专利 45。此后 , 随着 RP 技术的出现 , 将焊接工艺与 RP 的基本原理相结合 用于产品零部件的原型制造或者直接制造成为新的 研究热点 。 20世纪 90年代初期 , 美国 Rolls 2Royce 航空集团致力于三维焊接 (3D welding 技术的研 究 。 使用该技术制造昂贵的高性能合金零部件可以 避免浪费材料 , 而在传统工艺中贵重

11、材料的浪费是 不可避免的 。 Rolls 2Royce 公司 (北美 利用三维焊 接技术成功地制造了各种 Ni 基或 Ti 基材料的飞行 器零部件 。 对三维焊接技术进行研究并取得进展的 大学和研究小组还有 :英国 Nottingham 大学 , 葡萄 牙 Minho 大 学 , 澳 大 利 亚 Wollongon 大 学 , 美 国 Souther Methodist 大 学 、 Tuffts 大 学 、 K entucky 大学 , 以及德国 、 中国 、 印度 、 韩国及新加坡的研究小 组 。 英国 Nottingham 大学 J. D. Spencer 等利用 gantry 6轴焊接机

12、器人和 GMAW 工艺实现零件的三维焊接成形 , 机器人和焊接工艺参数由 Siemens RCM 可编程数字机器人控制器控制 , 通过简单的温度控制装置对焊接的热输入量进行控制 , 从而降低 了成形零件的表面粗糙度值 , 此外还做了零件的显 微组织分析 、 表面粗糙度和残余应力的测量 6。葡 萄牙 Minho 大学 , 澳大利亚 Wollongong 大学的 Fer 2nando Riberio 博士和 John Norrish 教授利用机器人熔化焊接工艺实现了零件的三维焊接熔敷成形 , 其 切片软件用 Autolisp 语言开发 , 零件三维造型之后 输入切片软件进行切片处理并生成机器人路径

13、 , 同 时输入焊接工艺参数 , 然后机器人路径代码和焊接2 电加工与模具 2004年第 4期 综述 专稿工艺参数通过 RS -232-C 串口下载到机器人控制 器 , 控制焊接熔敷工艺的进行 78。美国 Souther Methodist 大学 R. K ovacevic 教授的研究小组对基 于三维焊接熔敷的快速成形技术进行了深入研究 。 由 Radovan K ovacevic 领导的 Souther Methodist 大 学先进制造研究中心开发了用于制造金属零件的基 于焊接工艺 (包括 LAW 、 GMAW 、 GTAW 等 和数控 技术相结合的实体自由成形技术 。 该研究首次尝试 通

14、过控制快速成形焊接熔敷工艺中的熔深和热输 入 , 以期实现分层制造 910。 Heather E. Beardsley, 此外 , 11。 H. Wang 等 极 钨 极 气 体 保 护 焊 (VP GTAW 实现 5356铝合金材料的焊接熔敷快速 成形 , 其主要创新之处在于通过 CCD 视觉传感器实 现对焊接电弧弧长的监测和控制 , 保证焊接工艺过 程的稳定性 , 从而提高成形零件的精度 12。美国 Tufts 大学 Charalabos C. Doumanidis 与 Y ong 2Min Kwak 使用 GMAW 焊接工艺实现金属零件快速成 形 , 同时采用以等离子弧加热的所谓扫描焊接

15、 (scan welding 的方法进行焊后局部在线热处理 , 提高焊 接成形零件的质量 1314。 Fourligkas Nikolaos 研究 了一种基于机器人等离子弧焊接熔敷的快速成形技 术 , 并且研究了熔敷过程中的热流和质量过渡机理 , 用于控制成形零件的质量 , 此外还研究了利用热扫 描焊对成形零件进行在线局部热处理以提高零件的 冶金性能和机械性能 15。美国肯塔基大学的 Zhang Yuming 与国内哈尔 滨工业大学的王其隆教授合作 , 采用一种特殊的焊 接工 艺 可 控 惯 量 的 熔 滴 过 渡 MA G 焊 (con 2 trolled inertial droplet

16、transfer MA G welding ,CID T 2 MA GW , 进行焊接熔敷快速成形制造 1617。文献 16对焊接熔敷成形过程中的 CAD 建模 、 文件处 理 、 分层切片 、 加工矢量路径规划 、 进行了较详细的 研究 , 此外着重研究了焊接过程的热量和质量流动 机理及其控制措施 , 对焊接电弧的引弧 、 熄弧进行控 制 , 以获得最佳焊接熔敷成形效果 。1998年 8月 , 在美国得克萨斯州奥斯汀召开的 第九届实体自由建造论坛上 (9th Solid Freeform Fabrication Symposium , 韩国 、 印度和德国的两个 研究小组提出了利用焊接熔敷工

17、艺与铣削法相结合 的混合制造新概念 1819。韩国的研究小组提出焊 接和 5轴数控铣削联合用于金属零件直接快速成 形 。 印度工学院和德国 Fraunhofer 制造技术和自动 化学院的研究者组成的研究小组提出焊接和 2 1/2轴数控铣削联合用于金属零件直接快速成形 , 其中具有复杂形状的层面由倾斜的铣刀铣削而成 。,22, 而且由于焊接过程 ,。3 焊接熔敷快速成形技术目前存在的主要 问题及对策目前 , 焊接熔敷快速成形技术存在的主要问题 是成形零件的精度 、 机械和冶金性能与实际应用的 要求还有相当大的差距 , 因此必须加大对该技术的 研究力度 , 促使其尽快成熟 。 此外 , 由于焊接过

18、程的 多参数非线性耦合的高度复杂性 , 在焊接熔敷快速 成形的数值模拟方面也遇到了相当大的难度 , 目前 对于焊接电弧形成 、 熔滴过渡 、 熔池形状 、 焊缝金属 组织和性能变化 、 焊接变形及焊接残余应力的变化 等方面的研究工作尚少见 。 以下就焊接熔敷快速成 形零件的精度 、 机械和冶金性能 、 数值模拟方面的有 关问题及对策进行初步分析 。3. 1 成形零件的精度问题焊接熔敷快速成形零件的精度包括几何尺寸精 度和表面粗糙度两方面的内容。 精度是衡量成形零 件质量的主要标准 。目前 , 焊接熔敷快速成形零件 的精度普遍不高是由焊接工艺过程的特点决定的 , 即焊接熔池形状以及焊接过程稳定性

19、的可控性不 够 。 焊接熔敷快速成形技术中由于材料的堆积是以 高温液态熔滴金属过渡的方式进行 , 增加了精确控 制材料数量及能量的难度 , 材料堆积时液态金属熔 池的存在 , 使零件边缘形状及零件精度的控制变得 困难 ; 同时 , 材料的堆积过程也是一个复杂的冶金过 程 , 伴随零件内部组织转变 、 焊接变形及残余应力等 问题 , 以上的因素都影响零件的性能及几何精度 。 因此 , 提高焊接熔敷快速成形零件精度的对策应该 从以下几方面考虑 。3. 1. 1 叠层堆积材料数量的精确控制焊接熔敷快速成形中叠层堆积材料由熔化的焊 3综述 专稿 电加工与模具 2004年第 4期 接材料和部分基体两部分

20、构成 。因此 , 欲精确控制 叠层堆积材料的数量 , 就必须控制焊接材料和基体 的熔化 。 因为焊接材料通过高温熔化的金属熔滴过 渡到焊接熔池 , 所以首先要实行熔滴控制 , 即熔滴金 属的尺寸 、 温度 、 过渡频率 、 过渡方式的控制 。通过 控制熔滴的大小 、 过渡频率就可以直接控制熔入焊 接熔池的材料数量 , 这主要通过控制焊接工艺参数 实现对金属熔滴的长大 、 分离 、 过渡等过程的控制 。 文献 11对焊接熔敷快速成形中的熔滴控制进行了 研究 , 结果表明通过熔滴控制可以成形较高精度的 零件 。 但是 , 相关的研究还很不够 , 方面的进一步研究 。 3. 1. 2 , 为了 实现

21、工艺控制 , 。对于相 同的熔敷速度 , 量不同 。 因此 , 通过控制焊接工艺参数 , 选择最佳的 熔滴过渡模式 , 使得输入熔滴和基体的热量合适 , 获 得最佳的熔敷堆积效果是重要的研究内容 。 3. 1. 3 焊接熔池形状的控制 焊接熔池形状对焊道形状的影响较大 , 应该通 过控制基体的热量输入 , 保持焊接熔池形状的稳定 , 以便获得稳定的焊接熔敷质量 。 3. 1. 4 焊接变形及残余应力对精度的影响焊接过程受热的非均匀性导致的热应力与变 形 , 将严重影响成形零件的几何精度和表面粗糙度 。 因此 , 对焊接熔敷成形过程的热应力 、 变形以及残余 应力的产生机理及其分布特征进行系统研

22、究 , 采取 适当的反馈机制控制焊接工艺参数实现对焊接变形 和残余应力分布进行控制 , 或者利用在线局部焊后 热处理方法消除焊接变形和残余应力 , 提高成形零 件的几何精度和降低表面粗糙度值 。 3. 2 成形零件的性能问题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 , 焊接熔敷快速成形是通过叠层堆 焊进行的 , 所以热循环过程比一般焊接过程复杂得 多 , 零件的组织及性能变化更加复杂 , 增加了控制的 难度 。 为了获得冶金结合致密 、 具有优异机械性能 的零件 , 除了合理选择焊接工艺参数之外 , 可以利 用焊后热处理或在线局部热处理的方法改善零件的 组织结构和机械性能 。

23、文献 1415采用热扫描焊 接方法对焊接熔敷成形零件进行在线局部热处理 , 大大提高了零件的组织及性能 。 3. 3 数值模拟问题焊接熔敷成形过程是多参数耦合作用的复杂过 程 , 受焊接方法 、 焊接工艺参数和成形零件的几何形 状及尺寸等因素的影响 。因此 , 除了必须解决一般 快速成形技术的共性问题外 , 还必须解决如何通过 控制焊接工艺参数有效地控制零件的几何尺寸 、 显 微组织转变 、 题 。 , 。 采用计算机数值 。目前 , 在焊 , 仅有一些关于焊接熔深预测的有限元热分析研究 。 必须利用数值模拟的方法建立焊接熔敷成形过程的 模型 , 从理论上系统研究解决焊接工艺参数与零件 几何形

24、状 、 显微组织转变 、 应力与变形等关系的基础 问题 。4 焊接熔敷快速成形技术的未来发展趋势焊接熔敷快速成形技术是最有希望实现直接进 行金属零件制造的快速成形技术之一 , 具有低成本 、 高效率的优点 。 但是 , 其发展尚且处于起步阶段 , 还 有相当多的问题亟待进一步研究 。今后 , 焊接熔敷 快速成形技术除了几何建模 、 分层切片 、 路径规划等 快速成形技术的共性问题的研究之外 , 还必须在焊 接工艺方法 、 熔滴控制 、 热输入控制 、 零件的显微组 织和性能控制等方面做进一步研究 , 提高成形零件 的质量 , 使焊接熔敷快速成形技术向实用性和商业 化方向迈进 。 对此 , 有以

25、下几个方面尚待进一步发 展完善 :(1 针对焊接熔敷快速成形的特点设计专用软 件 , 实现分层切片 、 焊接熔敷路径规划算法的优化及 成形过程的计算机仿真 。(2 针对焊接熔敷成形的特点 , 找出能够保证 焊缝尺寸稳定 、 形状规范 、 表面状况良好的焊接熔敷 工艺参数组合 , 配合软件的合理设计以提高熔敷堆 积的精度和表面质量 , 减少甚至消除后续加工 。(3 使用焊接机器人取代数控工作台来扩大焊 接熔敷成形的包络范围 , 并用于大尺寸零件的成形 。(4 通过实验手段及数学分析 , 实现在成形过 程中实时调整熔滴大小 、 焊接电流 、 送丝速度 、 焊接 速度 、 焊丝直径等各个焊接工艺参数

26、的优化配置 , 并 建立焊接参数专家数据库 。4 电加工与模具 2004年第 4期 综述 专稿(5 采用新的工艺方法 , 实现熔滴金属过渡的 有效控制 (例如采用 “一脉一滴” 的技术 , 提高成形 零件的尺寸精度 。(6 在焊接熔敷堆积的过程中 , 增加对各个焊 接参数的监控 , 提高过程参数的采集与整个系统控 制的整合力度 , 实现更高程度的闭环控制 , 为提高零 件的精度提供保证 。(7 对于焊接熔敷堆积过程中如何采取抛丸 、 超声等多种方法消除残余应力 , 并与整个系统整合 , 将是今后研究的方向 。(8能合金零件方面 , 需要对软件 、(9的温度 、 ,堆积过程温度场 、 , 为后续

27、实 验提供参考 。参考文献 :1 Ashley S. Prototyping with advanced tools. Mech. Eng. , 1994 (6 :48552 Kassmaul K , Schoch F W , Lucknow H. High quality large com 2 ponets shape welded by a SAW process. Welding Journal , 1983 (9 :17243 McAninch M D , Conrardy C C. Shape melting 2a unique near 2net shape manufactur

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37、 :37537622 徐国成 , 孙大谦 , 王春生 , 等 . 焊接净成型快速零件制造关键 技术及发展应用 . 汽车工艺与材料 , 1999(8 :68征 订 电加工与模具 主要报道特种加工和模具制 造领域的设计研究成果、 工艺应用技术、 使用维 修经验、 产品开发信息和行业发展动态等。 电加工与模具 为双月刊 ,请读者在全国各地邮局订阅 , 也可直接向本刊编 辑部邮购。 每期定价 6元 , 全年 6期共 36元。 邮发代号 :28-36地 址 :苏州市人民路 1547号邮 编 :215005电 话 :(0512 67274541传 真 :(0512 67778215 5综述 专稿 电加工与

38、模具 2004年第 4期 MAIN TOPICS , ABSTRACTS & KEY WO RDS Abstract : In t his paper t he mechanisms , category and ad2 vantages of a new rapid prototyping technology based on t hree2 dimensional welding deposition are introduced. The overseas and domestic researches of rapid prototyping technology based

39、 CAD tical and professional courseware was developed efficiently , Windows 98 operating system , industrial PC , PMAC21 four axes controller and servo2motor. Compared wit h t he traditional control system , it owns much better man2machine interaction air pressure , on t he material removal rate , wo

40、rkpiece surface roughness , and t he tool electrode wear ratio. The experimental Design and realization of the non2traditional machining CAI course ware based on multimedia Cao Guohui , et al. ( 6 Abstract : This paper discusses t he whole development pro2 which includes t he teacher version and t h

41、e student version. s s The courseware collected t he main content of every practical teaching , such as teaching demonstrations , layout of teaching reached t he basic requirement of publishing and issuing. Key words : non2traditional machining ; CA I ; OOP ; inte2 gration Development of a numerical

42、 control system for the ultrasonic vibration assisted EDM machine tool Zhang Weixing ( 9 Abstract : A numerical control system for t he ultrasonic vi2 bration assisted EDM machine tool was developed , based on Study on the ultrasonic vibration assisted EDM with com2 pressed air medium Zhang Jianhua

43、,et al. ( 13 Abstract : The new technology of ultrasonic vibration as2 sisted EDM wit h compressed air medium is presented simply. Experiments were conducted to investigate t he effects of work2 Rapid prototyping technology based on three2dimensional weld2 ing deposition Zhou Longzao , et al. ( 1 re

44、sults are useful for t he application of t his new technology. Key words : ultrasonic vibration ; EDM ; compressed air medium Design of single chip machine NC system base on USB Gong Kai , et al. ( 17 Abstract : USB ( Universal Serial Bus is a new kind of se2 Key words : USB ; SCM ; NC system Abstra

45、ct : Based on mat hematical presentation and contour Key words : WEDM ; intricate ruled surface ; algorit hm for Xiao Dexian , et al. ( 27 Key words : rotary ultrasonic machining ; ductile2mode ma2 on t hree2dimensional welding deposition are reviewed. The cur2 rent main problems and t he strategies

46、 of t his technology are pre2 sented. At last t he future prospects of t his technology are giv2 en. Key words : RP ; t hree2dimensional welding deposition ; and integration. The design based on modules makes it easier for t he users to operate. This system owns much better flexibil2 ity. Key words

47、: ultrasonic vibration ; EDM ; NC system ing parameters , including pulse voltage , pulse duration , peak discharge current , ultrasonic vibration amplitude , compressed cess of non2traditional machining courseware in detail. Using t he t hinking in Object Oriented Programming ( OOP , t he prac2 pla

48、n , questions & answers , guides of experiments and so on. Discovers an integrated way of courseware development , rial bus. Because of its merits , such as high speed 、 real time tion , USB can take t he place of common serial port and parallel mainly discusses t he framework and application technology of port in high speed and short distance transfer fields. This article ration and t he composing of SCM DC system base on USB. force and accordingly decrease t he diameter of t he abrasive par2 ticles. In addition , any incre