某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

文/郑泊洋

编辑/郑泊洋

要求开发新的智能制造技术，这些技术不仅以高度自动化为特征，而且能够以低生产成本小批量生产各种复杂的部件几何形状。传统的一次成型、成形和切割生产工艺在有限的程度上不能充分满足高度灵活、有竞争力的小批量生产的需求，因此关注增材生产技术的发展51漫画。

它们是现有传统工艺的补充技术，为用户提供了几何设计方面的全新可能性。增材制造技术基于CAD/CAM环境的使用，该环境使得计算机辅助部件建模和设计与部件生产越来越网络化。

所介绍的焊炬系统包括一个TIG热丝电源和一种新型的过程控制。它由一个TIG焊炬和一个预热装置组成，内置于一个普通的气体喷嘴中，由此可以实现高达70°的非常大的热丝进给角度，而不会使TIG焊炬倾斜(见图一b)。因此，保证了旋转对称的热输入。

TIG焊炬和热送丝系统的设计具有高冷却性能和极细的轴，送丝角度可大幅增加。TIG焊炬的轴直径为15mm，而热线系统的直径为20mm。演示器的设计也可以改变热线进入熔池的位置。此外，安装不同的气体喷嘴会影响保护气体的流动。该过程的特点是热丝的间接电阻加热(见图一b)。

为此，在热送丝系统中提供了两个连续的接触点，以实现可适应的预热电流。该过程由软件控制，该软件允许根据焊炬在工件上的位置来调节TIG电流和热丝电流。此外，用于焦耳预热的另一电路可以集成在工件侧接触喷嘴和衬底之间。

由于TIG焊炬和热丝预热的独立可调电路，输入到部件中的热量可以独立于选定的熔化速率进行控制。也可以改变热线系统内部的预热长度。TIG热丝焊过程的完全自动化使得无飞溅点火过程得以实现。

为了进一步扩大热线过程的过程边界，必须了解故障模式。为了深入了解该过程及其行为，开发了阴极聚焦热丝过程的数值模型。该模型基于平滑粒子流体动力学(SPH)方法-守恒方程的拉格朗日粒子近似法（见图2）。

使用测量的电弧压力和热量输入以及焊接熔池表面上的近似电弧剪切力，通过在表面上施加边界条件来近似估计电弧对基材的影响。模型的数学描述，包括边界条件，已在该模型考虑了熔池流动。

包括表面张力、Marangoni对流、工件上的电弧特性以及重力传热考虑了电弧热输入、对流和热扩散、黑体辐射以及热线热输入热线电流产生的热量输入仅在实心热线中考虑。图3显示应用的模型几何图形。

该过程从起点开始，以0.3米/分钟的行进速度移动到终点。总热丝速度由进丝速率和行进速度共同决定。计算中，假设送丝速度为5米/分钟和7米/分钟，热丝角度为30°。计算基于阴极聚焦GTAW工艺的应用，TIG电流为250A，热丝电流为150A。

图4显示了两种计算的送丝速率下的熔池温度分布和固体材料。在这两种情况下，填充焊丝熔化的位置位于电弧过程之后几毫米。使用5m/min的送丝速率，焊丝在焊接熔池表面熔化。如果焊丝进给速度增加到7m/min，焊丝被推入焊接熔池并在其中熔化。因此，显而易见的是，高送丝速率要求焊丝的熔化位置更靠近电弧轴线，从而有助于更加独立于方向的工艺行为。

在图4可以看出，由于大量的相对冷的填充材料，使用高的焊丝进给速率来冷却焊接熔池。这导致固化焊缝顶部的焊池尺寸较小。在这种情况下，填充焊丝会聚在固化的焊缝上，从而增加了焊丝和固体材料之间接触的可能性。

在实际过程中，这将导致进线偏转或停止，因此会出现不规则情况。值得一提的是，在计算的情况下，焊丝和固体材料的接触并不发生在工艺区域，而是发生在焊池内填充焊丝的熔化位置附近。因此，较大的填丝角度可以改善同轴材料转移，从而导致较少的缺陷。

首先，进行了工艺参数研究，其中使用阴极聚焦GTAW热丝工艺在平板上实现了具有领先热丝进给布置的100mm长焊道。随后，对珠粒进行3D显微分析，并研究工艺参数对珠粒几何形状的影响。

图5显示了在150A的热丝电流和20mm的热丝伸出量下，作为TIG电流和送丝速率的函数的焊道宽度和高度。很明显，在恒定的TIG电流下，焊丝进给速度的增加导致焊缝宽度的减小，同时焊缝高度增加。

这些结果与现有的，对这种现象的一种可能的解释是，在高送丝速率下，填充焊丝对焊接熔池的冷却作用更强。由于欧姆预热，填充焊丝实际上具有比冷焊丝工艺高得多的温度，但是仍然比现有熔池的温度低得多。

如果送丝速度增加，更多的冷的附加材料被引入熔池，导致熔融金属的平均温度降低。结果，粘度和表面张力增加，熔融材料不再在宽度方向流动，而是在高度方向聚集。这导致在焊缝侧面上具有大接触角的焊缝，这不适于金属部件的附加制造，因为一方面粘结缺陷的风险增加。

另一方面，由于较小的珠宽度，在一层中必须实现更多的珠。为了能够生产扁平且宽的焊道，熔池的平均温度必须通过增加TIG电流来直接增加，或者通过提高热丝温度来间接增加。除了增加热丝电流，还可以通过实现更大的预热部分来实现高的热丝温度。

然而，由于预热长度与可用的自由线长度相关，预热长度的增加导致工艺稳定性的降低。因此，增加热丝电流是增加热丝温度和减小填充丝与熔池之间温差的最佳方式。然而，这会导致太多的热量通过电弧被引入到热焊丝中，使得焊丝在到达熔池之前就被熔化，从而破坏了期望的熔化桥。结果，热丝工艺的再现性也显著降低。

如图6所示很明显，通过使用具有低和高送丝速率的选定参数组，无论行进方向如何，都有可能产生平滑的焊道表面51漫画。相比之下，中等送丝速率，送丝方向与应用方向成90°偏移，会导致工艺崩溃。由于在较低的性能范围内仅调整送丝速率，通过供应更多冷的附加材料来冷却焊池导致焊池尺寸的减小。

结果，焊丝被熔化在焊接熔池的边缘，导致不规则。此时，需要进一步增加TIG电流，以产生规则的焊缝。基于这些结果，金相研究仅限于以低和高送丝速率(3.5米/分钟和8.0米/分钟)生产的样品。沿着黄色标记的平面截取横截面(见图6)，并确定了穿透轮廓以及接触角。

在低送丝速率下，无论应用方向如何，均可确定均匀的穿透深度(见图7)。相比之下，尽管TIG电流显著增加，但在高送丝速率下可以看到横向对熔深的明显影响。如果行进轴线和焊丝进入轴线匹配，则可以检测到非常深且不均匀的穿透。如果横向轴线和焊线轴线偏移90°,则可获得均匀、平坦的穿透轮廓。

对这种现象的一种可能的解释是，由于较高的电弧压力使熔融材料移动到侧面，所以焊丝没有浸入到熔池中那么多。通过较高的送丝速率，焊丝撞击熔池的底部，因此送丝停止很短时间，从而被熔化掉。

当焊丝从侧面进给时，焊丝在熔池内的距离更大，因此在焊丝碰到熔池底部之前熔化是可能的。如果期望高送丝速率，则必须进一步增加TIG电流，以产生均匀的熔透轮廓，从而保证方向独立性。

然而，这意味着不能充分满足对基底材料的低热输入的要求。与穿透相比，小接触角约为。50到大约。使得在多层沉积期间可靠的结合成为可能。这主要是由TIG过程中相对较高的热量输入造成的。

为了评估已开发的TIG热丝技术的潜力，进行了参数研究以确定工艺限制。图8显示了在250A的TIG电流下，使用70°的热丝角度时，热丝电流和送丝速率与焊道几何形状的关系。使用3D显微镜在200A和250A的TIG电流下比较生成的焊珠的外观。

研究表明，即使热丝电流和送丝速率发生显著变化，焊珠宽度也仅略有变化。送丝速度的增加导致焊道宽度略微减小，而热丝电流的增加导致焊道宽度略微增大。同时，通过增加TIG电流可以产生更大的焊缝宽度。相反，送丝速度的增加会导致焊珠高度的显著增加(见图8)。

如果热丝电流增加，由于粘度和表面张力降低，焊珠高度略有下降。因此，也实现了较低的接触角。图8说明了这种关系。基于参数研究，研究了施加方向对胎圈几何形状的影响。

图9根据横动方向显示胎圈几何形状和外观。显而易见，开发的TIG热丝技术使得无论应用方向如何，都有可能产生非常均匀的焊珠，因为焊珠宽度和焊珠高度都会有微小的变化51漫画。通过增加热丝电流，送丝速率从6米/分钟增加到8米/分钟导致焊道宽度增加。

同时，焊道高度从3.5毫米增加到4.0毫米。因此，焊道的体积从22.6毫米增加2至33.2毫米2(+30%)，除了外部接头分析，沿黄色平面的横截面准备用于内部接缝分析，用于确定渗透剖面和接触角(见图10)。

根据图。10很明显，使用开发的TIG热丝技术可以显著降低熔深。渗透率可以从大约。1.75毫米至1.15毫米和3.00毫米至1.75毫米使用相同的送丝速率。这种现象的原因是显著降低的TIG电流，因此即使在高送丝速率下，也只有少量的热量被引入基材。这导致熔体温度下降，从而导致粘度和表面张力增加，从而产生明显更大的接触角(见图10)。

因此，增加了多层沉积过程中粘结错误的可能性。由于材料和能量输入的分离以及通过单独可控电路控制热量输入的可能性，有可能调整焊道的几何形状。所开发的工艺还显示出高度的工艺稳定性和重现性。

选择参数的方式可以在传统的阴极聚焦TIG热丝工艺和改进的具有间接欧姆预热的TIG热丝工艺之间进行对比研究。借助新的TIG热丝技术，可实现高达15米/分钟的极高送丝速度。然而，从送丝速度大约。13米/分钟时，会出现进料问题，使得工艺稳定性显著降低。

在本研究的范围内，证明了新型TIG热丝系统适用于基于焊丝和电弧的增材制造。其特点是焊丝熔化速度和热量输入的解耦。因此，即使在高熔化速率下，也可以将较少的热量引入到部件中，这降低了残余应力和变形。目的是提高附加制造的部件结构在尺寸精度方面的质量。为了能够经济地小批量生产复杂的部件，从而支持将基于电弧的添加剂生产转化为工业实践，这是非常重要的。