熔焊成型路径间距对成型影响的研究

熔焊成型路径间距对成型影响的研究 焊接?切割(5) 熔焊成型路径间距对成型影响的研究 胡珞华,张华,张光云,李玉龙,徐健宁 (南昌大学机电工程学院,江西南昌330031) 摘要:熔焊成型中多道焊缝路径间距是影响零件成型精度的原因.本文采用TIG焊 作为热源,在焊接工艺 成型过程中路径间距对零件成型中参数固定不变的条件下,研究了单层多道熔焊 层厚,重合率,平面高度变化最大 值等方面的影响.结果表明.选择路径间距为单道焊缝熔宽的6/9时最佳. 关键词:熔焊快速成型;路径间距;成型质量 中图分类号:TG455文献标识码:A文章编号:1001.3814(2007)01-0030.03 InfluenceofPathSpaceonMoldingQualityinRapidPrototypingBasedWelding HURong-hua,{GHua,ZHGGuang-yun,LIYun-long,)(UJian-ning (SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,NanchangUniversity,Nanchang33003l,China) Abstract:Thepathspacewasoneofthereasonsthataffectedtheprecisionofpartsintherapidprototypingbased welding,UsingTIGweldingasheatsource,undertheconditionsofthefixedandunchangingtheparameterofwelding technique,pathspaceswereusedintheweldingprototypingofsingle?layerandmulti?track,Thentheinfluenceof moldingqualityonpathspacewasdiscussed,includinglayerthick,superpositionratio,thechangeofthehighnessof place,etc.Theresultshowsthatselectingthebestpathspaceis6/9ofsingle?layerfusion?widthofweldingbeam. Keywords:rapidprototypingbasedwelding;pathspace;moldingquality 焊接快速成型是近十年来兴起的一个研究领 域,与其它快速成型技术相比,其特点是能够直接 成型组织致密的金属零件【n.但在熔焊成型过程 中许多因素影响零件成型精度.本文主要采用 TIG焊作为热源.研究单层多道堆焊成型过程中 路径间距对成型质量的影响. 1熔焊成型系统 焊接成型系统基 本组成如图l所示.整 个系统分为以下三个 部分:图l焊接快速成型系统框图 (1)数据处理部分】这是快速成型的关键 部分,是整个研究的基础.该部分包括实体造型, 分层处理,堆积轨迹生成.研究中采用基于STL 文件格式的分层切片处理.得到相应的层片文件. 在此基础上考虑扫描间距等参数,对层片文件进 收稿日期:2oo7.07.30 基金项目:"973"资助项t~1(2005CCA04300);江西省自然科学基金 资助项目(0650092) 作者简介:胡珞华(1970.),女,江西新建人,博士生,主要研究方向: 机器视觉.快速成型;电话:0791.3969630; E.mail:hrh.ncu@l63.tom 行路径规划,自动生成堆积轨迹文件和数控代码. (2)数据采集控制部分实时采集焊枪的实 际位置,完成焊枪起弧,熄弧控制.并可根据当前 焊枪的位置信息,离线(或在线)采集焊缝熔宽,余 高等信息调节焊接电流,送丝速度等焊接工艺参 数,从而控制加工零件的成型质量. (3)快速成型机床部分该部分包括Xl_(A714 数控铣床,奥地利一福尼斯全数字焊机TT2200,送 丝机l?4OlO等.数控铣床采用华中数控系统 HNC22M实现四轴三联动.数控系统按数据处理 部分自动生成的数控代码控制机床工作台的,Y 方向运动,使焊枪(取代铣刀固定在轴上)沿预定 的轨迹移动,完成零件单层形状的堆积.轴上下移 动带动焊枪运动,实现层高的变动. 2单层多道堆焊路径间距选择研究 2.1路径间距对成型质量影响 熔焊成型零件是全焊缝组成,而焊缝的特点 是由于熔滴的流动使其中间高两边较低,因此熔 焊成型中相邻焊缝间的路径间距是影响零件成型 精度的原因之一. 在熔焊成型过程中,如果两道焊缝之间间距过 大.一种情况是焊道及焊道之间出现完全未熔合, 加工工艺2007年第36卷第l9期 焊接?切割(5) 相邻的焊缝间形成空洞缺陷,影响成型质量;另一 种情况是两道焊缝之间出现部分熔合.即相邻的两 条焊缝之间虽然有物理接触,但粘结得不牢固.这 种虚接触不容易被发现[41,但对成型零件的强度影 响很大.反之,如果熔焊成型中两道焊缝间距过小. 后一道焊缝完全与前一道焊缝重合.一方面影响堆 积效率,另一方面使堆积层厚增加.零件成型时阶 梯效应明显,成型效果差.因此选择合理的路径间 距是保证零件成型质量的一个前提条件. 2.2试验条件 试验中采用TIG焊焊接工艺.直流正接,焊接 电压由电弧长度决定,保持焊接电弧长约5toni.焊 接工艺参数选取:送丝速度和焊接速度分别为100 cm/min和150cm/min,焊接电流为120A. 焊接底板材料为A3钢, 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 :400mmx70mrnx 3mln.焊丝材料为直径0.8mln的H08Mll2S. 铈钨极直径2.4mln.保护气体为99.99%的氩气, 气体流量为15L/min. 单层多道熔焊成型试验中焊缝长度为70mln, 分别选取路径间距为无重叠,单层单道焊缝熔宽 的8/9,7/9,6/9,5/9,4/9六种情况进行堆积试 验,每次试验焊接7道焊缝.对各种路径间距的样 件进行切割.在放大倍数为7的显微镜下观察分 析焊缝截面,并进行标定.根据标定可知,图像中 每7个像素对应为0.1mln. 2.3试验结果及分析 2.3.1无重叠 当两条焊缝间无重叠时,其截面图如图2(a) 所示,图2(b)为采用软件对其截面处理后的图像. 结果显示:焊缝最高点所在的像素值为336,焊缝 最低点所在像素值为287,与熔焊底板在同一高 (a)截面图(放大7倍)(b)处理后焊缝截面图 图2无重叠的单层多道焊接 度.最高点到最低点之间差为49个像素点,约 O.70mil1.相邻焊缝最高点之间的距离为200像 素点,约2.86mln. 2-3.2路径间距为熔宽的8/9 当两条焊缝间距为熔宽的8/9时.其截面图 如图3(a)所示,图3(b)为采用软件对其截面处理 后的截面图.结果显示:焊缝最高点所在的像素值 为339,焊缝最低点所在像素值为324,熔焊底板 所在像素值为283.焊缝余高为56个像素点.约 0.80mln:最高点到最低点之间差为24个像素 点,约为0.34mln;相邻焊缝最高点之间的距离为 198像素点,约2.83mln.为了清晰反映两焊缝间 重叠关系,图3(a)是采用5%硝酸进行腐蚀处理, 从截面图中熔合线可看出两条焊缝间的重叠部分 非常少;从图3(b)的结果也可知,相邻焊缝最高 点之间距离约为无重叠时的99%. l?324l\ 2s3 (a)截面图(放大7倍)Co)处理后焊缝截面图 图3路径间距为熔宽的8,9的单层多道焊接 2-3.3路径间距为熔宽的7/9 当两条焊缝间距为熔宽的7/9时.其截面图 如图4(a)所示,图4(b)为采用软件对其截面处理 后的截面图.结果显示:焊缝最高点所在的像素值 为350.焊缝最低点所在像素值为335.熔焊底板 所在像素值为286.焊缝余高为64个像素点,约 0.91mln:最高点到最低点之间差为l5个像素 点,约为0.21mln;相邻焊缝最高点之间的距离为 156像素点,约2.23mln.图4(a)是采用5%硝酸进 行腐蚀处理,从截面图中熔合线可看出两条焊缝 间的重叠部分比较少;从图4(b)的结果也可知,相 邻焊缝最高点之间距离约为无重叠时的78%. (a)截面图(放大7倍)Co)处理后焊缝截面图 图4路径间距为熔宽的7/9的单层多道焊接 2.3.4路径间距为熔宽的6/9 当两条焊缝间距为熔宽的6/9时,其截面图 如图5(a)所示,图5(b)为采用软件对其截面处理 后的截面图.结果显示:焊缝最高点所在的像素值 为357.焊缝最低点所在像素值为344,熔焊底板 所在像素值为284.焊缝余高为73个像素点,约 加工工艺》2007年第36卷第l9期31 焊接?切割(5) . 2+344 ?284 (a)截面图(放大7倍)(b)处理后焊缝截面图 图5路径间距为熔宽的6/9的单层多道焊接 1.04mm;最高点到最低点之间差为13个像素点. 约为0.19mm;相邻焊缝最高点之间的距离为136 像素点,约1.94mrfl.图5(a)是采用5%硝酸进行 腐蚀处理.从截面图中熔合线可看出两条焊缝间 的重叠部分较合适;从图5(b)的结果也可知,相邻 焊缝最高点之间距离约为无重叠时的68%. 2.3.5路径间距为熔宽的5/9 当两条焊缝间距为熔宽的5/9时.其截面图 如图6(a)所示,图6(b)为采用软件对其截面处理 后的截面图.结果显示:焊缝最高点所在的像素值 为361.焊缝最低点所在像素值为348,熔焊底板 所在像素值为284.焊缝余高为77个像素点,约 1.10mm;最高点到最低点之间差为13个像素点. 约为0.19mm;相邻焊缝最高点之间的距离为121 像素点.约1.73film.图6(a1是采用5%硝酸进行 腐蚀处理.从截面图中熔合线可看出第二道焊缝 基本与第一道重合.其他焊缝间的重叠部分较多: 从图6(b1的结果也可知.相邻焊缝最高点之间距 离约为无重叠时的61%. 348+\ +284 (a)截面图(放大7倍)(b)处理后焊缝截面图 图6路径间距为熔宽的5/9的单层多道焊接 2.3.6路径间距为熔宽的4/9 当两条焊缝间距为熔宽的4/9时,其截面图如 图7(a)所示,图7(b)为采用软件对其截面处理后的 截面图.结果显示:焊缝最高点所在的像素值为 392.焊缝最低点所在像素值为368.熔焊底板所在 像素值为282.焊缝余高为1l0个像素点.约1.57 mm;最高点到最低点之间差为24个像素点.约为 0.34mm;相邻焊缝最高点之间基本重叠.图7(a)是 采用5%硝酸进行腐蚀处理.从截面图中熔合线可 看出两条焊缝间的重叠部分太多,层厚过大. 根据路径间距为熔宽的4/9时试验中两道焊 缝间重叠太多.因此路径间距为熔宽的3/9,2/9, /J}368\ 282+ (a)截面图(放大7倍)(b)处理后焊缝截面图 图7路径间距为熔宽的4/9的单层多道焊接 1/9等情况不再进行试验分析. 将上述试验结果归纳起来如表1所示.可见: (1)路径间距为熔宽的8/9和7/9时.由于两道焊 缝间重叠太少,会影响零件强度;(2)路径间距为 熔宽的4/9时.焊缝间重叠太大.会影响成型效 率.另一方面,层厚太高,易产生阶梯效应;(3)路 径间距为熔宽的6/9和5/9时成型效果相对较 好,其中路径间距为熔宽的6/9时.从层厚,平面 上高度变化,重合性均最好. 表1路径间距对熔焊成型影响 路径层厚截面上最大相邻焊缝最高重叠率 间距/mlTl高度差/mlTl点间距/mlTl(%) 无重合0.700.702.86O 熔宽的8/9O.8O0.342.83l 熔宽的7/90.9lO.2l2.2322 熔宽的6/91.04O.191.9432 熔宽的5/91.1OO.191.7340 熔宽的4/91.570.34<l-33>53 在此基础上.按照上述步骤改变焊接工艺参 数,在保证焊接速度和送丝速度不变的情况下,将 焊接电流由120A改为130A.进行不同路径间距 对熔焊成型影响堆积试验.试验结果与上面的结 果一致.即路径间距为熔宽的6/9时,从层厚,平 面上高度变化,重合性均最好. 3结论 通过单层多道熔焊成型试验,研究不同路径 间距对零件成型中平面最大高度变化差,层厚,重 合率方面的影响.结果表明选择路径间距为单道 焊缝熔宽的6/9时最佳. 参考文献: …丁冬平.基于焊接机器人的熔焊成形系统及成形规律研究 【D】.武汉:华中科技大学,2005.62.66. 【2】胡珞华,张华,徐健宁.熔焊快速成型堆积轨迹研究【J】.材料科 学与工艺,2006,(增刊):162-165. 【3】胡珞华,张华,鄢国平.熔焊成型中截面填充算法及软件实现 【J】.微计算机信息,2007,(3):303-304,292. 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