陳昌榮，唐寶林，葉宇杰，練國富，黃旭

鋼鐵成形

立上電弧增材制造板件的成形精度影響與優(yōu)化

陳昌榮a,b，唐寶林a,b，葉宇杰c，練國富a,b，黃旭a,b

（福建理工大學(xué) a福建省智能加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b機(jī)械與汽車工程學(xué)院 c材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350118）

針對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)立焊位置成形質(zhì)量差的問題，本研究旨在探究電弧增材制造工藝參數(shù)對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)多道搭接質(zhì)量及組織的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)與優(yōu)化，從而提高多道搭接焊道表面質(zhì)量與內(nèi)部組織性能。采用響應(yīng)面Box-Behnken方法，分析焊接電流、焊接電壓和偏移量對(duì)焊接接頭成形與性能的影響規(guī)律，建立了工藝參數(shù)與焊接接頭響應(yīng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，表面平整度與焊接電壓成正比，與搭接率成反比；偏移量的增加先使總高減小，然后有所增加，而焊接電流與總高成正比；偏心率與焊接電流成正比，與搭接率成反比。以平整度大、總高大、偏心率接近于1為優(yōu)化目標(biāo)，最佳工藝參數(shù)為電流85.4 A，電壓22 V，偏移量為3 mm。與預(yù)測(cè)值相比較，實(shí)際值的平整度、總高和偏心率的誤差率分別為0.48%、4.40%和1.89%。研究還探究了單道多層焊接接頭組織性能與工藝參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了焊接熱影響重合區(qū)組織細(xì)化的現(xiàn)象。研究結(jié)果驗(yàn)證了所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的可靠性，對(duì)改善高難度懸臂結(jié)構(gòu)制造的形貌以及提高成形質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

電弧增材制造；立上位置；響應(yīng)面法；成形質(zhì)量；平整度

電弧增材制造技術(shù)(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)利用焊接電弧作為熱源，加熱熔化金屬絲材，并通過三維模型設(shè)計(jì)和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理。借助送絲系統(tǒng)、機(jī)械臂等設(shè)備，控制焊槍按照規(guī)劃軌跡運(yùn)動(dòng)，自下而上逐層熔覆，形成實(shí)體構(gòu)件。最后，通過后處理加工實(shí)現(xiàn)零件制造的過程[1-4]。WAAM具有高熱輸入、較高自由度和快速成形的特點(diǎn)，適用于制造大尺寸復(fù)雜構(gòu)件。相比其他增材技術(shù)，WAAM具有無可比擬的效率和成本優(yōu)勢(shì)[5-6]。WAAM能實(shí)現(xiàn)多功能梯度構(gòu)件的整體制造，懸臂結(jié)構(gòu)是整體構(gòu)件中較難以控制制造的一種。懸臂結(jié)構(gòu)具有部分自由懸掛、空間延伸性、減少材料支撐、良好的彎曲性和承載能力等特點(diǎn)，在軌道交通、醫(yī)療儀器、汽車工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，懸臂結(jié)構(gòu)的制造仍然面臨材料選擇和性能控制、工藝參數(shù)的精確控制與優(yōu)化，以及后處理和表面處理等問題。在懸臂結(jié)構(gòu)制造中，立上位置的成形是不可或缺的一環(huán)。因此，針對(duì)工藝參數(shù)和表面質(zhì)量問題，研究立上位置沉積工藝顯得尤為重要。

在立焊位置，液態(tài)熔池在重力作用下出現(xiàn)下趟傾向，容易產(chǎn)生焊瘤，導(dǎo)致焊縫成形較差，從而影響接頭質(zhì)量。王后孝等[7]、楊宗輝[8]、韓永全等[9]利用變極性穿孔等離子弧焊具有的能量集中、電弧挺度大、焊后變形小、氣孔與夾渣物少等特點(diǎn)，作為鋁合金立焊的理想焊接工藝，通過改進(jìn)起弧系統(tǒng)的控制與檢測(cè)，得到了到主焊接階段的穩(wěn)定過渡，從而保證了立焊穩(wěn)定性與焊接質(zhì)量。Cretteur等[10]、Fujinaga[11]、Sugihashi等[12]利用激光焊具有的穩(wěn)定熔池、功率密度高、熱影響區(qū)窄、焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)，用于全位置焊接，研究了立焊位置的鎖孔行為與焊道內(nèi)部夾渣，通過避免金屬能量擴(kuò)散來穩(wěn)定熔池，有利于減少焊接氣孔，得到較大熔深，具有更廣的工藝適應(yīng)性。Chen等[13]研究了激光-MAG復(fù)合焊接過程中不同焊接位置液滴的轉(zhuǎn)移，通過激光光源的高速視頻攝影，分析了液滴直徑、轉(zhuǎn)移模式和轉(zhuǎn)移頻率。結(jié)果表明：液滴的撞擊位置主要受電磁力和重力的影響，垂直位置的熔滴撞擊在熔池駝峰上，揭示了立上位置整個(gè)焊接過程。Park等[14]通過高速成像研究了重力對(duì)脈沖GMAW中不同焊接位置熔池行為的影響，發(fā)現(xiàn)重力對(duì)焊接過程的影響決定了焊縫的不同形成，熔池行為對(duì)不同焊接位置的影響改變了焊縫金屬中的微觀結(jié)構(gòu)。孟凡軍等[15]建立了GMAW堆焊三維成形的單層多道搭接模型，計(jì)算了堆焊高度，修正了理論間隔與理論厚度，為三維焊接成形的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。江祥勝等[16]基于GMAW堆焊成形研究焊道搭接量模型，分析了焊道搭接量對(duì)表面平整度的影響，結(jié)果表明：在焊接電流115 A、送絲速度50 mm/s、焊接速度6 mm/s工藝參數(shù)下成形質(zhì)量穩(wěn)定。彭雪等[17]基于等離子電弧增材研究成形體表面平整度，加入路徑規(guī)劃和余高2個(gè)因素，結(jié)果表明：降低焊道余高，選擇合適的搭接率和路徑規(guī)劃方式可在一定程度上改善表面成形的平整度。張弛等[18]在平焊位置進(jìn)行單層多道增材，通過三維重構(gòu)和平面擬合等方法，以送絲速度和相鄰焊縫中心間距為變量，定量計(jì)算了單層多道增材表面的平整度，得出結(jié)論：當(dāng)送絲速度提高、熱輸入量增大時(shí)，焊道相對(duì)不穩(wěn)定，整體平整度較差。

綜上所述，目前的研究顯示，立焊工藝具有其特殊性，需要根據(jù)不同的材料來匹配適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。目前的研究主要集中在單道熔滴的觀察上。一些研究通過使用高速攝像機(jī)觀察立焊過程，發(fā)現(xiàn)重力是影響熔滴過渡的主要因素，熔池行為和作用力導(dǎo)致了不同焊縫形態(tài)和微觀性能的形成。然而，大部分研究都集中在立上位置單道單層的觀察和優(yōu)化上，對(duì)立上單道多層的工藝參數(shù)優(yōu)化和控制的研究還相對(duì)較少。此外，關(guān)于立焊工藝參數(shù)、焊道形貌評(píng)價(jià)和微觀組織之間建立聯(lián)系的報(bào)道也比較有限。因此，在立焊技術(shù)領(lǐng)域，還有許多方面需要進(jìn)一步研究和探索，包括立上單道多層的工藝參數(shù)優(yōu)化與控制、焊道形貌評(píng)價(jià)與微觀組織之間的關(guān)系等。這些研究將有助于深入理解立焊過程的特點(diǎn)和機(jī)制，并為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供更好的指導(dǎo)和優(yōu)化方法。

本文選擇熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）作為立焊的焊接方式，具有工件受熱面積小、熱量較為集中的特點(diǎn)。為了解決立焊因重力流淌嚴(yán)重這一問題，使用短路過渡方法進(jìn)行立焊。短路過渡具有電弧穩(wěn)定、飛濺較小、熔滴過渡頻率高、焊縫成形良好等優(yōu)點(diǎn)，適用于全位置焊接[19-20]。采用響應(yīng)面Box?Behnken方法，分析焊接電流、焊接電壓、偏移量對(duì)焊接接頭成形與焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，建立焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭響應(yīng)指標(biāo)（平整度、總高、偏心率）數(shù)學(xué)模型，為改善高難度懸臂制造的形貌及提高成形質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

選用具有良好焊接性能的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B作為焊接基板，尺寸為150 mm×150 mm×6 mm。選用導(dǎo)電性能良好的低合金鍍銅材料H08Mn2Si作為焊絲，直徑為1.2 mm。Q235B鋼板與焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

GMAW焊接系統(tǒng)主要由FANUC的M-10iA工業(yè)機(jī)器人、LINCOLN的INVERTEC CV350-R焊機(jī)以及Autodrive TM 4r90送絲機(jī)組成，如圖1所示。在焊接過程中，使用80%Ar+20%CO2氣體作為保護(hù)氣體。采用美國VRI生產(chǎn)的高速攝像機(jī)(Phantom)進(jìn)行電弧和熔滴形態(tài)的數(shù)據(jù)采集，采集頻率為2.0 kHz，自動(dòng)曝光。

1.3 試驗(yàn)方法

響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）是一種綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法。它通過多元二次回歸方程構(gòu)建自變量和目標(biāo)響應(yīng)之間的函數(shù)關(guān)系，以方差分析確定影響顯著的因素，并運(yùn)用回歸分析尋找最優(yōu)工藝參數(shù)[21-23]。試驗(yàn)采用響應(yīng)面法中的Box-Behnken設(shè)計(jì)研究工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響規(guī)律，建立了3因素、3水平的試驗(yàn)方案矩陣。3個(gè)因素分別為焊接電流（）、焊接電壓（）、偏移量（）。以0、±1對(duì)因素水平進(jìn)行編碼，最高水平為+1，最低水平為?1，零水平為0，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

1.4 試驗(yàn)方案

焊前，將試件用角磨機(jī)進(jìn)行打磨處理，去除表面氧化皮等雜質(zhì)，然后用丙酮擦拭，去除鋼板表面的油污，以避免影響焊接質(zhì)量?；逋ㄟ^夾具牢靠地固定在焊接工作臺(tái)上，以免由于熱應(yīng)力造成的翹曲。在每次焊接試驗(yàn)過程中，焊炬中心始終垂直于試件表面。立焊單層多道示意圖，如圖2，連續(xù)搭接4條焊道，每道間隔為240 s，焊接速度為20 cm/min，送絲速度為300 cm/min。在穩(wěn)定試驗(yàn)環(huán)境情況下，保證焊絲伸出長度不變10 mm、焊槍距離基板距離恒定1 mm。

表1 低合金高強(qiáng)鋼Q235B及焊絲的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of low alloy high strength steel Q235B and welding wire wt.%

圖1 GMAW焊接系統(tǒng)示意圖

表2 工藝參數(shù)與水平設(shè)計(jì)

Tab.2 Process parameters and horizontal design

圖2 立焊單道多層焊接示意圖

焊接結(jié)束后，垂直于焊接方向加工接頭金相試樣，對(duì)試樣進(jìn)行逐級(jí)粗磨、精磨和拋光，然后使用濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕8～10 s。

利用Digimizer軟件測(cè)出熔寬、熔高h、每兩焊道中心距離P、熔覆面積m，焊道面積c，焊接接頭尺寸測(cè)量指標(biāo)，如圖3所示。響應(yīng)值選擇表面平整度（），表面平整度的定義如式（1）[24]所示。當(dāng)焊道接頭峰谷起伏之間的高度差越大，值就越小，即焊縫的表面平整度越差；總高是每條焊道熔高總和，用來度量單層厚度，總高越大、熔深越大、熔合越好、焊接效果越好；偏心率用來表征焊道中心線偏移程度與焊接結(jié)合性，數(shù)值越接近于1表示實(shí)際焊道中心距與設(shè)置偏移量越接近，焊縫質(zhì)量越穩(wěn)定，定義見式（2）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

圖3 焊接接頭尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量

式中：c是焊道面積；為焊道寬度；max=MAX (1,2,3,4)；1、2、3是相鄰焊道中心距。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Tab.3 Test design and results

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

由表4中平整度的方差分析可知，模型的值（value）小于0.000 1，同時(shí)失擬項(xiàng)（Lack of Fit）大于0.05。該模型有效信號(hào)與噪聲比值（Adeq Precision）為15.183 5，其數(shù)值遠(yuǎn)大于一般檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（取值為4），證明選擇的模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度較高。模型系數(shù)為0.944 5，證明模型與數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。調(diào)整2值和預(yù)測(cè)2值分別為0.911 3和0.818 8，兩數(shù)值之差小于0.2，因此，選擇的模型能夠準(zhǔn)確地揭示工藝參數(shù)與平整度的關(guān)系。

根據(jù)顯著性分析可知，焊接電壓、焊接電流、偏移量對(duì)平整度影響顯著，同時(shí)還存在焊接電壓和焊接電流的交互項(xiàng)、焊接電壓與偏移量、偏移量的平方項(xiàng)對(duì)平整度影響顯著。

同理，對(duì)總高、偏心率進(jìn)行方差分析（表5～6）可知，模型同樣滿足上述要求。由顯著性分析可知，焊接電流、偏移量對(duì)總高、偏心率影響顯著，此外還存在焊接電流和偏移量的交互項(xiàng)對(duì)總高、偏心率影響顯著，偏移量的平方項(xiàng)對(duì)總高影響顯著。

表4 平整度方差分析

Tab.4 Flatness variance analysis

表5 總高方差分析

Tab.5 Total height variance analysis

表6 偏心率方差分析

Tab.6 Eccentricity variance analysis

通過選定的模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析可得，平整度（）、總高（）、偏心率（）模型，如式（3）～（5）所示。

2.2 平整度分析

圖4a為表面平整度殘差的正態(tài)分布圖。由圖4a可知，殘差的正態(tài)概率分布幾乎在同一條直線上，說明模型擬合性好。圖4b為表面平整度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值較吻合，因此所選模型具有較高的預(yù)測(cè)精度。圖5為3個(gè)因素對(duì)表面平整度的影響規(guī)律圖。平整度與焊接電流成反比，原因是：當(dāng)焊接電流減少時(shí)，焊接峰值電流隨之減少，電流幅度更穩(wěn)定，電弧波動(dòng)減少，從而產(chǎn)生更加穩(wěn)定的熔池，平整度更好；平整度與焊接電壓成正比，原因是：當(dāng)焊接電壓增加時(shí)，熔滴過渡頻率穩(wěn)定，熔池不會(huì)因滯后產(chǎn)生高低不平，因此平整度增加；隨偏移量的增加平整度先增大后減小，原因是：當(dāng)偏移量增加時(shí)，隨著兩焊道中心距拉開，當(dāng)中心距大于對(duì)半熔寬時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生有明顯波谷的搭接焊道，則會(huì)使平整度降低。其中偏移量對(duì)表面平整度的影響最為顯著。

由表4可知，平整度還受到交互作用的影響。圖6為平整度模型下焊接電流和焊接電壓交互作用的曲面圖和等高線圖。圖7為平整度模型下焊接電壓和偏移量交互作用的曲面圖和等高線圖。當(dāng)焊接電壓較小時(shí)，平整度隨電流的增大而減小，原因是：電弧壓力較小，電流的增加使熔化的焊絲量增多，熔池凝固后的焊縫余高增大，導(dǎo)致平整度降低；當(dāng)電壓增大后，電弧壓力隨之增大，熔池在其作用下成形為更平坦的形貌，使平整度得到提升。同理，當(dāng)焊接電壓較小時(shí)，電弧壓力較小，對(duì)熔池的流淌起不到促進(jìn)作用，熔池需要更多的流淌空間，焊道的寬高比較小，在偏移量約為3.5 mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)焊接電壓增大后，焊道的寬高比變大，熔池流淌效果更好，在偏移量較小時(shí)平整度達(dá)到最大值。

圖4 平整度模型指標(biāo)

圖5 各因素對(duì)平整度的影響關(guān)系

圖6 I和U交互影響

圖7 U和O交互影響

2.3 總高分析

圖8為總高模型殘差分布圖和預(yù)測(cè)值與實(shí)際值分布圖。模型殘差及預(yù)測(cè)實(shí)際兩者誤差均較小，表明該模型的預(yù)測(cè)精度較高，能夠準(zhǔn)確反映模型輸入與輸出的關(guān)系。從圖9可以看出電流和偏移量對(duì)總高的影響規(guī)律，偏移量影響最為顯著，偏移量的增加使總高先減小后有所增加，原因是：當(dāng)偏移量增加時(shí)，熔池搭接位置發(fā)生偏移，熔池更好地平鋪開來，總高因此減少。焊接電流與總高成正比，原因是：當(dāng)焊接電流較小時(shí)，焊絲的熔化量較少，形成的焊道體積較小，偏移量的增加使整體的高度迅速下降；當(dāng)焊接電流增加后，焊絲熔化量增加，在同樣的偏移量下，高度下降變得較為平緩，熔滴滴入溶出速度加快，熔滴在同一位置的累積更多，總高變大。

如圖10所示，為總高模型下焊接電流和偏移量交互作用的曲面圖和等高線圖。隨著焊接電流的增大與偏移量減少，總高明顯增大。原因是：當(dāng)焊接電流與偏移量共同作用時(shí)，焊接電流增大，焊絲熔化速度加快，更多熔滴快速融入熔池冷卻形成焊接面積，而焊接速度已經(jīng)固定，故第一焊道的熔高增大；另一方面，多道焊接其他焊道存在熱積累，焊道內(nèi)部殘余的熱量會(huì)使再次焊接的熔滴更好地結(jié)合，使每條焊道的熔高差距不大，最后穩(wěn)定輸出的總高增加。

圖8 總高模型指標(biāo)

圖9 I與O對(duì)總高的影響關(guān)系

圖10 I和O交互影響

2.4 偏心率分析

圖11a為偏心率的殘差正態(tài)分布圖。由圖11a可知，殘差分布在直線附近，顯示模型的殘差符合正態(tài)分布，模型的誤差由隨機(jī)誤差引起。圖11b為偏心率的模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比圖。數(shù)據(jù)點(diǎn)比較靠近=的直線，說明兩者的偏差較小，模型的預(yù)測(cè)精度高。圖12為因素對(duì)偏心率的影響圖。由圖12可知，偏心率只受焊接電流和偏移量的影響。偏心率隨電流的增大而增大，隨偏移量的增大而降低。圖13為2個(gè)因素對(duì)偏心率的交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖。當(dāng)電流較?。?0 A）時(shí)，偏心率幾乎不受偏移量的影響。原因是：電流減少時(shí)，熔滴尺寸減小，熔池流淌變得緩慢，焊道成形質(zhì)量穩(wěn)定，位置與設(shè)定路線吻合，對(duì)下一道焊接影響減小，偏移量的變化對(duì)偏心率影響弱化，這時(shí)偏心率主要受寬高比的影響。當(dāng)電流增大到100 A時(shí)，偏心率隨偏移量的減少而急劇增大。原因是：當(dāng)電流增大時(shí)，熔池流淌性變好，隨著流淌加劇，當(dāng)重力突破表面張力時(shí)，焊道成形不受控制，勢(shì)必影響下一道焊道位置，這時(shí)偏移量減少，非但沒有對(duì)偏移的焊道進(jìn)行補(bǔ)償，反而使焊道堆積，偏離原來位置，使偏心率快速增加。

圖11 偏心率模型指標(biāo)

圖12 I與O對(duì)偏心率的影響關(guān)系

圖13 I和O交互影響

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及模型驗(yàn)證

為了獲得平整度大、總高大、無偏心（偏心率接近于1）的焊接接頭，并檢驗(yàn)所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的合理性和準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化與模型驗(yàn)證。在實(shí)際焊接堆疊過程制造中對(duì)第一層焊接接頭的平整度有一定需求，故平整度的權(quán)重設(shè)置為5，總高的權(quán)重設(shè)置為4，偏心率的權(quán)重設(shè)置為3，優(yōu)化條件與目標(biāo)如表7所示。

表7 優(yōu)化條件及目標(biāo)

對(duì)3個(gè)響應(yīng)值目標(biāo)范圍內(nèi)的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，結(jié)果如表8所示。根據(jù)信度確定最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接電流85.4 A，焊接電壓22 V，偏移量為3 mm。依據(jù)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到焊接接頭。經(jīng)過測(cè)量尺寸并計(jì)算可得，表面平整度、總高、偏心率的相對(duì)誤差分別為0.48%、4.40%、1.89%，均在5%以內(nèi)，說明所建立的響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)精度高。

通過光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織，結(jié)果如圖14所示。焊道金相大致可以分為基板以上與基板以下2種狀態(tài)。基板以上由于與外界接觸，故熱量散發(fā)較快，組織呈現(xiàn)均勻塊狀珠光體；基板以下因?yàn)闊崃坷鄯e且不易傳播，晶粒受熱變大，出現(xiàn)條狀鐵素體a。在50倍放大倍率下，可見發(fā)白的共析鐵素體b。焊道與熱影響區(qū)結(jié)合處有明顯的熔合線e，搭接焊道與熱影響區(qū)分界處還存在氣孔c，熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)梯度細(xì)化e，在高倍率放大下剛遠(yuǎn)離焊道的熱影響區(qū)呈現(xiàn)塊狀鐵素體f。在搭接時(shí)有一處特別的位置，就是兩焊道熱影響重合區(qū)g，因?yàn)闊崃慷逊e在這一三角區(qū)域，在高倍率放大下，出現(xiàn)粒狀貝氏體h。焊接截面元素的晶粒形態(tài)和晶粒大小按區(qū)域呈現(xiàn)不同分布形式，符合Q235焊接接頭的微觀組織[25]。

表8 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

Tab.8 Optimization results and verification

圖14 驗(yàn)證試驗(yàn)的焊接接頭與金相分布圖

4 結(jié)論

基于響應(yīng)面Box-Behnken方法，分析了工藝參數(shù)（焊接電流、焊接電壓、偏移量）對(duì)焊接接頭成形與性能的影響規(guī)律，構(gòu)建了焊接工藝參數(shù)與焊接接頭響應(yīng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)打底焊及懸臂增材制造工藝有一定的參考價(jià)值，主要結(jié)論如下：

1）焊接電流、焊接電壓、偏移量對(duì)表面平整度影響顯著，焊接電流、偏移量對(duì)總高與偏心率影響顯著。因?yàn)槠屏吭黾?，兩焊道中心距拉開，中心距大于1/2熔寬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有明顯波谷的搭接焊道，平整度降低；偏移量增加，熔池搭接位置發(fā)生偏移，熔池平鋪開來，總高減少；偏移量增加，對(duì)實(shí)際焊道位置進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少誤差，偏心率減小。

2）平整度隨焊接電流的增大而減少，隨焊接電壓的增大而增加，隨偏移量的增加先增大后減少；總高隨焊接電流增大而增大，隨偏移量增大先減少后增大；偏心率隨焊接電流增大而增大，隨偏移量增大而減少。

3）焊接電壓較小時(shí)，平整度隨電流的增大而減小；焊接電壓增大后，在偏移量較小時(shí)平整度達(dá)到最大值。隨著焊接電流的增大與偏移量減少，總高明顯增大。當(dāng)電流增大到100 A時(shí)，偏心率隨偏移量的減少而急劇增大。

4）以平整度大、總高大、無偏心進(jìn)行工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差分別為0.48%、4.40%、1.89%，說明構(gòu)建的響應(yīng)面模型具有良好的預(yù)測(cè)精度。

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Effect and Optimization of Forming Accuracy in Wire Arc Additive Manufacturing of Sheet Metal at Vertical Position

CHEN Changronga,b, TANG Baolina,b, YE Yujiec, LIAN Guofua,b, HUANG Xua,b

(a. Fujian Key Laboratory of Intelligent Machining Technology and Equipment, b. School of Mechanical and Automotive Engineering, c. School of Materials Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Aiming at the problem of poor forming quality of the cantilever microstructure in the vertical welding position, the work aims to explore the effect of arc additive manufacturing process parameters on the quality and microstructure of multi-pass lap of the cantilever microstructure, and achieve the prediction and optimization of the cantilever microstructure process parameters, thus optimizing and improving the surface quality and internal microstructure properties of multi-pass lap welds. Based on the response surface Box?Behnken method, the effect of welding current, welding voltage, and offset on the formation and performance of welded joints was analyzed, and a mathematical model of process parameters and welded joint response indicators was constructed. The test results showed that the surface flatness was directly proportional to the welding voltage and inversely proportional to the lap rate. The increase in offset caused the total height to firstly decrease and then increase, and the welding current was proportional to the total height. The eccentricity was directly proportional to the current and inversely proportional to the lap rate. Taking large flatness, total height, and eccentricity close to 1 as the optimization goals, the optimal process parameters were current of 85.4 A, voltage of 22 V, and offset of 3 mm. Through the comparison between the predicted values and the actual values, the error rates of flatness, total height, and eccentricity were 0.48%, 4.40%, and 1.89% respectively. The relationship between the microstructure properties and process parameters of single-pass multi-layer welded joints was also explored, and the phenomenon of microstructure refinement in the lap area affected by welding heat was obtained. The research results show the reliability of the constructed mathematical model, which has important guiding significance for improving the morphology and forming quality of difficult cantilever manufacturing.

arc additive manufacturing; vertical position; response surface method; forming quality; flatness

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.008

TG444+.77

A

1674-6457(2024)01-0066-11

2023-11-07

2023-11-07

福建省科技重大專項(xiàng)專題項(xiàng)目（2020HZ03018）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020J01873）；高校產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目（2023N5015）

The Major Science and Technology Special Project of Fujian Province (2020HZ03018); The Natural Science Foundation of Fujian Province (2020J01873); Fujian Industry-University Cooperation Project (2023N5015)

陳昌榮, 唐寶林, 葉宇杰, 等. 立上電弧增材制造板件的成形精度影響與優(yōu)化[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 66-76.

CHEN Changrong, TANG Baolin, YE Yujie, et al. Effect and Optimization of Forming Accuracy in Wire Arc Additive Manufacturing of Sheet Metal at Vertical Position[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 66-76.