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焊接快速成形技术的发展现状

2017/3/24    来源:互联网    作者:徐辉丽  陈希章  徐桂芳  桑静      
关键字:焊接  快速成形  增材制造  
焊接快速成形技术是近几十年才发展起来的新型制造技术,具有高灵活性、低成本和高生产效率等优点,在军事、医疗、交通、教育等许多行业都得到了广泛应用。简单介绍了焊接快速成形技术的原理及特点,概述了以钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、激光焊、电子束焊为基础的焊接快速成形技术国内外的发展现状,指出了焊接快速成形技术在发展中存在的问题,并就关于成形精度、成形性能、成形材料的问题进行了分析。

    0 引言

    快速成型技术(Rapidprototyping, RP),也称“快速原型制造技术”,首先基于计算机辅助设计软件得到的三维离散化实体模型,并在成形机的控制下,将材料进行层层堆积,以降维手段直接生产样件或零件,与传统制造技术相反,属于增材制造技术。

    快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的一种高新制造技术,主要用于非金属材料的成型制造,近年来,随着RP技术的逐渐成熟,该技术逐渐向快速成形技术(Rapidprototyping, RP)进行过渡,以达到实现功能金属零件直接成形的目的。目前,RF技术已经引起了国内外的高度重视,且各国政府也不断加大对这项技术研究的力度和支持,并在交通、医疗、军事、教育等许多行业中都得到了广泛应用。

    根据这项技术的不同特点,研究者对它的命名也不同,如“增材制造技术”、“3D打印”、“添加层制造”、“实体自由制造”等。根据不同连接方式分类,主要有粘结、烧结、光固化和熔化堆积(焊接)这4大类,目前,研制成功的快速成形技术有光固化成型技术、分层实体制造技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、激光熔覆近成形等技术。其中,前3种技术一般只用于非金属材料,随着技术的不断发展,也可用于金属的制造,但是仍然存在着组织致密性、尺寸精确度、表面粗糙度、力学性能等方面的问题,需要后续一些处理来达到某些要求。经研究发现,基于焊接的快速成形技本在一定程度上能够直接达到这些要求,大大减少了后续处理的工作量,在用于直接制造实际生产中的机械零件中,体现出很大的优势。因此,基于焊接的快速成形技术引起了国内外许多科研机构的浓厚兴趣,并成为目前的一个研究热点。

    1 焊接快速成形技术的原理与特点

    焊接快速成形技术首先通过计算机进行三维建模或三维实体扫描得到模型,并选择在模型某一厚度方向进行分层,得到每一层的二维薄层面的数据文件,成形机再依据每层的数据文件,按照预设的成形轨迹,通过不同的焊接方法自下而上完成每一层的成形,最终逐层堆积成实体零件的制造技术。

    焊接快速成形技术具有以下特点:

    (1)高度柔性。焊接快速成形技术最突出的特点就是柔性好,成形零部件的形状不受专用工具(或型腔)的限制;焊接成形零件几乎不受尺寸、质量及复杂程度的限制,自由成形制造;此外,并不受场所限制,如果运输不便,可以在用户现场进行。

    (2)技术高度集成。焊接快速成形技术是焊接技术、数控加工技术、计算机技术与材料技等的综合集成,实现设计制造一体化。

    (3)生产成本低。焊接成形零件的废料少,焊材的利用率达到80%以上,是一种环保型制造技术;生产原型零件时,无需制造模具,节省了生产前的大量投资,尤其在制作形状复杂且只需单件或小批量生产的零件时的优势更加明显。

    (4)生产效率高。焊接快速成形技术的一个重要特点就是生产效率高。由于焊接快速成形技术建立在自动化生产柔性的基础上,从模型设计到零件加工完成时间大大缩短,且不需要模具的加工时间;此外,成形零件只需要少量的机加工。

    2 焊接快速成形国内外研究现状

    工艺和焊接快速成形系统两个方面。根据不同零件的性能及材料的特性,选择不同的焊接方法来制造零件,主要有钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体焊(GMAW)、等离子弧焊(PAW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)为热源的焊接快速成形技术。

    由于其焊接方法的不同,各成形技术的特点和适用范围也存在着一定的差异,表1简单归纳了各技术的特点并总结了当前焊接快速成形技术的研究焦点。

    表1 不同焊接快速成形技术的特点

    1

    2.1 基于GMAW/GTAW 的快速成形技术

    国外对基于GMAW/GTAW 的快速成形技术的研究可以追溯至20世纪80年代。美国BABCOCK&WILCOX公司在20世纪80年代末开发出了GMAW和等离子MIG混合焊接快速成形技术。1992年,英国Rolls-Royce公司联合克兰菲尔德大学开发出GMAW/GTAW 焊接快速成形系统,并成功应用于Trent800, Boeing777发动机零部件的生产。

    基于GMAW的快速成形技术具有结构简单、生产效率高等优点,但是同时也有热输入大、成形精度低的缺点,针对这些缺点,研究者们做了相应的研究来解决这一问题。

    KovacevicR等设计出全新的脉动送丝成形系统,实现了送丝频率和焊接同流同步,并对成形工艺进行改进,研究得到一种名为“一个脉冲一滴”的方法,通过该方法能够更好地控制熔滴的大小、过渡速率和热输入,以期实现分层制造。国内,杨世彦等也研究了脉动送丝GMAW快速成形技术,通过多组单道单层焊的实验对比,最终选用焊丝直径1.2mm,送丝速度1.95~2.10m/min,电35~40A的工艺参数,较好地成形了圆形壁件。

    1996年,Ribeiro等设计出一套基于机器人GMAW的焊接快速成形系统,并成功制造出精度较好的成形件。1998年,英国诺丁汉大学的J.D.S pencer等提出了基于机器人GMAW 三维焊接成形的方法,并对单层多道焊成形件层间粘结强度进行了分析,提出凹凸结合的“两次螺旋堆积”这种有效增强粘结强度的连接方法。国内,华中科技大学的周龙早、刘顺洪等也对基于焊接机器人的快速成形工艺的前期模型切片处理以及扫描路径规划算法进行了研究,发现复杂零件选用轮廓偏移和分区扫描相结合的规划方式得到的实体更精确,并完成了用于焊接机器人快速成形软件的编写,这种集成机器人系统之后的快速成形技术能够较灵活且精确地控制成形路径,进而提高了其成形的精度。

    同时,不少研究者们也将研究方向转至热输入小、稀释率低的基于GTAW的快速成形技术。如新加坡制造技术学院的SunZheng等就对基于GTAW的快速成形技术的成形工艺进行了研究。KovacevicR, WangHuijun等也对基于GTAW 的金属零件直接成形系统进行了研究,该研究小组采用变极性GTAW 工艺成形了4043铝合金零件,完成了基于The VP - GTAW 的Al合金零件快速成形系统的设计,该系统中实现了对过程的实时监测,通过弧长信号实时调节焊接参数,从而使得成形件精度提高。

    南昌大学的罗勇等也对TIG熔覆堆焊快速成形技术进行了研究,对CCD视觉传感系统的成像和标定方法进行了分析,这种技术能够直观反映焊接轨迹和熔池图像,有利于观察和控制成形过程,对成形过程进行研究分析。哈尔滨工业大学的刘一博等采用冷金属过渡焊接快速成形,并建立焊接机器人快速成形系统,研究了焊接电流、提升高度和焊接方法对多层柱体快速成形件的影响,结果表明,较大的焊缝宽高比的焊接参数下,快速成形试样的表面平整,尺寸精度较高。

责任编辑:张纯子
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