機器人輔助電弧增材制造的成形情況綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u6478機器人輔助電弧增材制造的成形情況綜述 1162671.1引文 1296051.2單層單道成形過程 1303571.2.1直壁與半圓壁結(jié)構(gòu) 153741.2.2十字接頭結(jié)構(gòu) 2300201.2.3本節(jié)小結(jié) 3200651.3多層多道成形特征 340771.3.1直壁與半圓壁結(jié)構(gòu) 3298391.3.2十字接頭結(jié)構(gòu) 5233031.3.3本節(jié)小結(jié) 6引文在對工業(yè)機器人與焊接電源的交互通訊和實時控制完成設計后，本章將以鋁合金為研究對象，進行直壁、半圓壁和十字接頭三種典型結(jié)構(gòu)特征的增材制造，并觀察分析各典型特征單層單道成形與多層多道成形情況，為接下來對于機器人輔助電弧增材制造成形控制的歸納總結(jié)做好準備。單層單道成形過程單層單道成形過程是機器人輔助電弧增材制造成形的動態(tài)變化過程，通過觀察分析每道成形的效果與特征，提煉總結(jié)在成形的動態(tài)過程中有哪些因素會對成形造成影響。直壁與半圓壁結(jié)構(gòu)在進行正式的增材制造過程之前，為了能夠確保首次成形的成功進行，首先對基板進行了預處理。焊槍對于增材制造區(qū)域進行電弧加熱，該預處理是為了預熱成形區(qū)域，確保首次熔覆的線材可以有效地和基板熔合，確保成形的牢固；同時電弧的陽極破碎作用可以有效地破碎基板表面的氧化膜，確保后續(xù)增材制造工作的有效展開。首次預熱處理完成后，可以發(fā)現(xiàn)處理痕跡以焊槍運動軌跡為中心線出現(xiàn)了“分層”現(xiàn)象：更加靠近運動軌跡中心的區(qū)域和外圍區(qū)域有較為明顯的分界線，可以明顯分辨出HPVP-TIG輸出的電弧核心區(qū)域與邊緣區(qū)域的位置。有關研究表明電弧核心區(qū)域有著更高的能量密度、電流密度以及電弧溫度，可以更加有效地增強電弧的穿透能力，從而提高焊接的質(zhì)量與效果。除此之外，可以注意到起弧處基板平面與穩(wěn)定成形階段的平面處理區(qū)域面積大致相同，而且處理后平面保持平整光滑；但是在最后的熄弧處卻發(fā)現(xiàn)熱處理區(qū)域明顯變大，且熱處理中心處存在凹坑。其原因推測為在預熱移動過程中，移動前一刻處的預熱也會傳遞至下一刻基板處，形成“二次預熱”，因而在停止熄弧處該處基板已經(jīng)在之前的預熱中得到了加熱，積累了更多的熱量，因此熱處理區(qū)域明顯變大，且由于更高的熱量使得熄弧處中心基板熔化產(chǎn)生凹坑。后續(xù)進行正式的增材制造過程中，可以注意到每一次成形過程可以被分為起弧-送絲-移動-停止-停絲-熄弧六個步驟。在六個步驟里機器人控制的焊機停頓時間不同，且送絲狀況也有所差異。在起弧階段，待焊槍成功起弧后，沒有立刻進行送絲，而是首先對基板進行了加熱，待起弧處基板形成熔池后再開始送絲，并在送絲一段時間后才開始移動，接下來是送絲持續(xù)與焊槍移動的穩(wěn)定成形階段，在最后準備熄弧處，焊槍在該處的停頓等待時間明顯長于起弧處，停頓等待的同時依舊保持送絲，之后停止送絲，最后熄弧?？梢宰⒁獾降氖?，起弧處成形結(jié)構(gòu)橫向尺寸與中間穩(wěn)定成形處相差無幾，而熄弧處橫向尺寸明顯大于前兩者。造成這樣的原因同樣是因為熄弧處受到先前成形部分的“二次加熱”，積累的熱量在此處使得熔池加大，造成更多金屬熔化，層高變低。在每一次成形過程中，均可以注意到焊槍電弧形態(tài)有明顯的分界，中心區(qū)域電弧更為明亮且邊緣較為平滑，而邊緣處電弧亮度明顯暗于中心區(qū)域且更加發(fā)散，據(jù)分析推測電弧形態(tài)的分層可能就是觀察到的首次預熱處理完成后處理痕跡以焊槍運動軌跡為中心線出現(xiàn)了“分層”現(xiàn)象的主要原因。十字接頭結(jié)構(gòu)十字接頭的單層單道的成形過程與直壁和半圓壁成形過程較為相似，首先對基板進行預熱處理，同時清除成形區(qū)域表面的氧化膜，便于后續(xù)增材制造的正式展開。同樣可以注意到處理痕跡由于電弧核心區(qū)域和邊緣區(qū)域的原因出現(xiàn)了明顯的分界，而且熄弧處預熱處理的區(qū)域明顯更大。十字接頭的成形可以被分為多次直壁成形，但是由于成形需要經(jīng)過已經(jīng)完成成形的區(qū)域，而在完成第一部直壁成形后分成兩次直壁成形完成第二部成形，會導致十字接頭處反復受熱，容易導致該處熔化塌陷，最終造成增材制造成形失敗，所以采用一次直壁成形完成第二部成形。為了避免焊槍碰撞到已完成的增材制造部分，造成焊槍受損以及成形失敗，需要在第二部成形時在到達此處前升高焊槍，越過已完成成形部分后再降低至預定高度繼續(xù)進行成形制造。同樣的，十字接頭的成形在終點處也有明顯的橫向尺寸過大的情況，而且綜合對比直壁、半圓壁和十字接頭三者的成形過程可以發(fā)現(xiàn)，成形終點常常出現(xiàn)層高過低的狀況，需要視情況在成形終點處酌情進行補焊，以補充該處的高度。本節(jié)小結(jié)從上述三種典型結(jié)構(gòu)在單層單道的成形過程可以發(fā)現(xiàn)，機器人輔助電弧增材制造在成形結(jié)束的熄弧階段容易出現(xiàn)橫向尺寸過大的情況，在需要經(jīng)過已完成成形制造區(qū)域時，工業(yè)機器人對于成形軌跡的控制十分重要。本節(jié)通過描述分析機器人輔助電弧增材制造過程中不同典型結(jié)構(gòu)特征的單層單道成形情況，總結(jié)在此過程中出現(xiàn)的成形特點，為接下來分析多層多道的成形特征做好鋪墊，并有利于總結(jié)分析成形特征的規(guī)律和原因。多層多道成形特征本節(jié)相較于上一節(jié)更加關注于在進行了多層成形制造后不同典型結(jié)構(gòu)特所呈現(xiàn)出的成形特點，是對于單層單道成形的總體表現(xiàn)。通過描述分析增材制造完成后各結(jié)構(gòu)特征所呈現(xiàn)的成形特點，結(jié)合上一節(jié)的局部成形規(guī)律，可以系統(tǒng)、全面地了解成形規(guī)律，為后續(xù)章節(jié)對于機器人在電弧增材制造過程中所起到的效果與影響做出鋪墊，由此掌握影響機器人輔助電弧增材制造成形的可能因素及變化規(guī)律。直壁與半圓壁結(jié)構(gòu)按照焊機焊接工藝參數(shù)與直壁增材制造實驗參數(shù)共進行了兩次機器人輔助電弧增材制造，得到的直壁構(gòu)件如圖4.1所示。從圖4.1(a)與(d)可以確定，直壁構(gòu)件的成形外觀較好；由圖4.1(b)可以看出，兩次直壁構(gòu)件的增材制造其成形終點處橫向尺寸明顯大于其他部位，但由圖4.1(a)可以注意到焊接起點處橫向尺寸并未因其所在位置而出現(xiàn)明顯變化；同時從圖4.1(c)可以看到，其中一次直壁增材制造實驗中出現(xiàn)了塌陷情況；除此之外，通過圖4.1(e)與(f)觀察對比可知，成形起點高度明顯高于終點高度，由圖4.1(d)可以確定直壁高度整體由起點向終點降低。(a)俯視視圖(b)焊接終點(c)焊接塌陷(d)側(cè)視視圖(e)焊接起點(f)焊接終點圖4.1機器人輔助電弧增材制造直壁構(gòu)件圖半圓壁構(gòu)件同樣存在與直壁構(gòu)件相似的成形特征，半圓壁構(gòu)件如圖4.2所示。半圓壁構(gòu)件整體成形外觀較為良好，可以注意到成形終點有較為明顯的膨大，說明此處成形徑向尺寸明顯增大，這與直壁構(gòu)件的成形特征相吻合，可以推測增材制造在熄弧階段需要針對性地調(diào)整有關工藝參數(shù)，確保最終成形不會出現(xiàn)明顯的膨大現(xiàn)象。同樣的對于半圓壁構(gòu)件的成形也遇到了成形塌陷問題，這說明不匹配的工藝參數(shù)以及機器人控制會對構(gòu)件成形有明顯的干擾和影響。(a)焊接視圖(b)測量視圖圖4.2機器人輔助電弧增材制造半圓壁構(gòu)件圖綜合上述情況可以得知，機器人輔助電弧增材制造的成形特征有：1、構(gòu)件沉積層高隨著焊接的進行逐漸減小，在焊接終點處層高明顯降低；2、焊接終點處構(gòu)件橫向尺寸明顯大于其他位置；3、構(gòu)件在焊接過程中可能出現(xiàn)塌陷。十字接頭結(jié)構(gòu)十字接頭構(gòu)件除了同樣會出現(xiàn)上節(jié)文章中提到的直壁和半圓壁構(gòu)件所呈現(xiàn)出的成形終點處高度明顯降低的成形特征以外，最為特別的就是在其十字交叉處所呈現(xiàn)出的成形特點。由圖4.3不難看出，在十字交匯處構(gòu)件的橫向尺寸出現(xiàn)了明顯的減小，且第二道焊接在該處高度有一定的變化。最初推測十字交叉處的頸縮是由于焊槍上抬造成的結(jié)果，但是發(fā)現(xiàn)第一部成形在該處也出現(xiàn)了明顯的頸縮，據(jù)此推測是由于此處已完成的成形結(jié)構(gòu)受到二次加熱而熔化，與新熔覆其上的焊滴融合，在表面張力的影響下出現(xiàn)頸縮。因此可以發(fā)現(xiàn)，機器人對于增材制造的路徑規(guī)劃會對構(gòu)件成形產(chǎn)生關鍵性的影響，尤其是對于會發(fā)生路徑重