电弧快速成形工艺的研究现状

摘要介绍了一种新型的快速成形方法———利用焊接电弧进行成形。通过分析比较阐述了电弧成形与其他金属成形方法相比所具有的优势。回顾了迄今为止,基于电弧成形的国内外发展现状。分别选取基于非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊以及等离子弧焊的快速成形工艺进行阐述,从成形产品性能、表面状态、成形精度方面加以分析,着重阐述了工艺参数对成形效果的影响。指出了现阶段成形工艺所存在的问题。最后对电弧成形的研究方向进行了预测。
关键词: 快速成形电弧焊工艺研究现状0前言
快速成形(Rap id Prototyp ing 简称RP)技术是20世纪80年代中后期发展起来的一种观念全新的现代
制造技术。它应用“离散- 堆积”原理,用逐点或逐层的成形方法制造物理模型、模具和零件。与传统方法相比,快速成形具有以下特点:
(1)缩短产品设计周期,提高竞争力;
(2)降低产品开发成本;
(3)明显增加产品设计可修改周期,加快设计反馈频率。
快速成形由于其具有巨大的发展潜力,被誉为制造业的一场革命[ 1 ] 。快速成形技术从问世以来,出现了十几 种不同的方法,目前,研究较多的金属直接成形方法有:光固化成形( SLA) 、熔丝沉积成形( FDM) 、选择性激光烧结( SLS) 、薄材叠层制作(LOM) 。然而,这些成形系统的应用还多限于大型公司、研究机构和大学,一般的用户还很少。这是由于迄今为止,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、蜡和尼龙等非金属材料。这些专用材料不但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、力学和冶金性能不好、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[ 2 ] 。鉴于此种情况,一种低成本、高质量的金属材料直接快速成形工艺的研究成为了国内外的一个研究热点。利用焊接电弧进行快速成形就是在此种背景下产·12· 焊接2006 (7)生的。电弧焊设备简单、生产效率较高;同时,由于其焊接过程中熔滴过渡、电流、电压和焊接速度等焊接参量均可控,有望得到性能较好的成品。
1国内外发展现状
迄今为止,国内学者对于电弧快速成形的研究比较少,仍然处于起步阶段;国外则有部分学者分别对于
应用熔化极气体保护焊( GMAW ) 、非熔化极气体保护焊(GTAW)及等离子弧焊( PAW)等方法进行快速成形做了初步的研究。
1. 1采用GTAW进行快速成形
非熔化极气体保护焊是利用非熔化的材料做电极,外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法。其优
点在于电弧和熔池可见性好,操作方便;没有熔渣或熔渣很少,无需焊后清理等[ 3 ] 。国外学者H. Wang和R. Kovacevic应用变极性非熔化极气体保护焊对铝进行快速成形[ 4 ] 。随后, J. H.Ouyang, H. Wang和R. Kovaceivic则采用变极性钨极氩弧焊对5356铝合金进行快速成形,并对焊接过程控制以及焊后铝合金的微观组织结构进行了研究[ 5 ] 。HuijunWang, Wenhui J iang等人以4043铝合金为研究对象,采用变极性钨极氩弧焊进行快速成形。探讨了焊接电流、电弧长度、焊接速度、送丝速度对熔敷层金
属尺寸的影响。同时对焊后铝合金的宏观状态、微观组织以及表面粗糙度进行了分析[ 6 ] 。大量的试验结果表明,快速成形的效果,主要取决于三方面的因素: 基体的预热; 电弧长度的监视与控制;热输入的控制。其中,热输入的控制主要由电弧电压(电弧长度) 、焊接电流、焊接速度和送丝速度决定。焊后试件的熔敷层高度与焊接电流、焊接速度成反比,与送丝速度成正比;熔敷层宽度与焊接电流成正比,与焊接速度、填丝速度成反比。焊接成形的形状主要由焊接热输入决定。试验表明[ 6 ] ,第一层的焊接所需要的能量最大,以后各层逐层递减,直至达到热平衡(材料吸热与向外界散热相等) ,之后各层则以固定不便的热输入进行焊接。同时,在对焊接热过程进行控制的条件下,将会得到良好的表面成形;与无热输入控制相比,表面粗糙度值明显降低,如图1 所示。另外,在对熔池形状的各影响参数中,焊接电弧的长度起重要作用。焊后合金的微观结构中,后期焊接的各层中晶粒较为细小,而前期焊接的部分则呈现出晶粒粗大的组织形态。成品的侧边缘处有等轴晶出现。试验表明,焊后冷却速度对微观结构有很大的影响,快冷条件下得到的晶粒较好。采用非熔化极气体保护焊对金属或合金进行快速成形,通过对焊接参数的调节可以得到较好的成形形状及表面。但是,焊后晶体的微观组织不均匀,各处硬速成形工艺中一个很重要的问题———应力问题,在迄今为止的研究中较少涉及。
1. 2采用GMAW进行快速成形
熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为焊接热源来熔化焊丝和母材,形成熔池和焊缝的焊接方法。其特点在于:具有广泛的适用性;采用焊丝作为电极,可选用高密度电流,生产效率高[ 3 ] 。Yuming Zhang, Yiwei Chen, Pengjiu Li, Alan T.Male对熔化极气体保护焊的快速成形进行了初步的研究。建立了试件的数学模型,对试件的分层切片方法进行了研究,并对成形精度进行了研究[ 7 ] 。研究表明,采用熔化极气体保护焊可以对金属进行较好的成形,成形的质量与焊接路径密切相关。利用电弧进行环状成形时的结果如图2所示。其中图2a是常规焊接的结果．可见,选取好的焊接路径是保证成形精度的重要因素。利用控制焊接电流及焊接速度可以控制成形的形状。