基于机器人堆焊增材制造工艺与方法研究
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基 于机 器人堆焊增材制 造工艺 与方法研究
Ａ ｓｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ ａｄｄｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ａｎｕｆ ａｃｔ ｕｒ ｉ ｎｇ。 Ｓ ｍ ｅｔ ｈｏｄ ａｎｄ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉ ｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗ ｅｌ ｄｉ ｎｇ ｒ ｏｂｏｔ
焊 缝 间 的 空 间位 置 及 时 间 顺序 。 目前 国 内 外许 多 学 者 对 堆 焊 成 形 的 路 径 规 划 进 行 了研 究 。例 如 ， 美 国 肯 塔 基 大 学 的 张 裕 明 等 人 采 用 了对 切 片 的 轮
廓 线 进 行 环状 扫 描 ， 而 对 内 部 的 填 充 则 采 用 往 复 “ ｚ”字形 扫描 的方 式 ，消 除 了 由于焊 接 过程 中的 起 弧 和 断弧 处 造 成 的焊 接 缺 陷 和 不 连 续性 ， 使 一 层 内 的熔 焊 堆 积 一 次 性 完 成 ∞ ｌ 。英 国 诺 丁 汉 大 学Ｊ Ｄ Ｓ ｐ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ 等 人 开发 出一 种 “ 两次 螺 旋 堆 积 ” 的路
在机 器人指令 中加入 填弧坑动 作以及使 焊接路 径适 当重叠可 以很好的解 决弧坑塌 陷问题 ；堆 焊成形的零件 可以用 电解加工的方法作为后处理 工艺 ， 得到表 面光洁的零件。 关键 词 ：机器人 ；堆焊成形 ；增材 制造 中图分类号 ：Ｔ Ｐ２ ４ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ （ 上） 一 Ｏ １ ４ ５ — ０ ３
张
禹 ，王世 龙 ，罗 震 ，敖 三 三
ＺＨＡＮＧ Ｙｕ ，Ｗ ＡＮＧ Ｓｈ ｉ － ｌ ｏ ｎ ｇ ，Ｌ ＵＯ Ｚｈ ｅ ｎ ，ＡＯ Ｓ ａｎ — ｓ ａ ｎ
（ １ ． 南京航空航天大学 材料科学与技术学 院，南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ；２ ． 首都 航天机械公司 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ； ３ ． 天津 大学 材料科 学与工程学院 ，天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ） 摘 要 ：堆焊快速成形作为 一种低成 本条件下制备组织致密的金属 零件 的增材制造方法 ，受到了业界的 广泛 关注。然 而弧坑 塌陷与表 面粗糙 等问题 限制了堆 焊快速成 型的应用 。本文对 基于机器人 堆焊 增材制造 进行研 究 ，探 索解决弧 坑塌陷 的工艺措 施 ，并提 出一整 套制备表 面光洁零件 的 堆焊 成形工 艺 ，最终 制得 了低 碳钢与 铝合金堆 焊成形 制品 。结 果表明 ：通过 降低热输入 量 ，
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ （Ｅ ） ． ４ ４
０ Hale Waihona Puke Baidu言
为 了适 应 当今 制 造 业 市 场 １ ３趋 激 烈 的 竞 争 环 境 ，企 业 要 在 最 短 的 时 间 内设 计 、加 工 与 制 造 出 来 符 合 消 费 者 个 性 要 求 的 产 品 。增 材 制 造 作 为 一 种 “自下 而 上 ”的 制 造 方 法 ，能 满 足 制 造 业 对 于 零件 的 快 速 设 计 制 造 与 加 工 过 程 柔 性 化 的 要 求 ， 因此近 年 来受 到 了业界 的广泛 关注 。 相 比于其 他几 种增 材制 造技 术 如Ｓ Ｌ Ｓ、 Ｆ ＤＭ 、ＬＯＭ 等 ，堆 焊 成 形 具 有 在 低 成 本 下 生 产 组 织 致 密且 力 学 性 能 好 的 特 点 ｕ ，因 此 该技 术有 望 发 展 为 面 向 民用 市 场 大 批 量 生 产 的增 材 制 造 技 术 。但 是 ， 目前 基 于 堆 焊 的 增 材 制 造 技 术 研 究 还 不 够 深 入 ，成 形 零 件 距 能 达 到 实 际 应 用 的 要 求 还 有较 大 差距 ，其 中主 要体 现 在 如 下 两 点 ：１ ）由于 堆 焊 工 艺 中弧 坑 塌 陷造 成 的 成 形 尺 寸 不 精 确 。２ ） 成 形 零件 表面 粗糙 无法 满 足使 用 要求 。
过 程 引 入 其 他 加 工 方 法 使 零 件 表 面 光 滑 。研 究人 员设 计 了 一 种 由弧焊 机 器 人 、数 控铣 床 、抛 丸 机 以 及 支撑 材 料 堆 积 系 统 组 成 的 复 合 四 工位 的快 速 成 形 系统 。 在其 工 作 过 程 中 ，弧 焊 机 器 人 每 完 成
条焊 道 ，其 多 余 的 部 分 将 会被 铣 削掉 并 进 行 抛 丸 去 应 力 ， 在堆 积 支 撑 材料 之 后进 行 下 一 层 的堆
一
焊 。 此方 法 的 优 点在 于 零 件 成形 精 度 高 ，表 面 质 量 好 同时 生产效 率 高 。
在 本 文 的 实 验研 究 中 ，作 者 提 出 了一 整 套 堆 焊 成 形 的工 艺 ，基 于 机 器 人 堆 焊 制 得 了一 个 成 品 零 件 。 在 堆 焊 成 形 方 面 ，优 化 了堆 焊 成 形 的路 径 规 划 方 法 ，解 决 了弧 坑 塌 陷 的 问 题 ，并 堆 焊 出单 壁墙 体 零 件 ，验 证 了该 方 法 的 成 形 效 果 ；在 成形 后零 件 的后处理 方面 ，本 次实 验采 取 了电解 加工 的 方式 对零 件进 行 精密修 形 ，以解决 由于堆 焊 成形 的 零件表 面过 于粗 糙难 以满 足使用 要求 的问题 。
解 决 堆 焊 成 形 的弧 坑 塌 陷 问 题 ，主 要 是 通 过 优 化 成 形 路 径 予 以 解 决 的 。其 中 ， 堆 焊 成 形 路 径 描 述 了 焊接 过程 中 的 焊 道 起弧 、 停 弧 的 位 置 以 及
径 规 划 方 式 ，消 除 了焊 接 中焊 缝 重 熔 对 零 件 轮 廓 的破 坏 。 对 于 零 件 表 面 粗 糙 的 问题 ， 则需 要 在加 工 的
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基 于机 器人堆焊增材制 造工艺 与方法研究
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焊 缝 间 的 空 间位 置 及 时 间 顺序 。 目前 国 内 外许 多 学 者 对 堆 焊 成 形 的 路 径 规 划 进 行 了研 究 。例 如 ， 美 国 肯 塔 基 大 学 的 张 裕 明 等 人 采 用 了对 切 片 的 轮
廓 线 进 行 环状 扫 描 ， 而 对 内 部 的 填 充 则 采 用 往 复 “ ｚ”字形 扫描 的方 式 ，消 除 了 由于焊 接 过程 中的 起 弧 和 断弧 处 造 成 的焊 接 缺 陷 和 不 连 续性 ， 使 一 层 内 的熔 焊 堆 积 一 次 性 完 成 ∞ ｌ 。英 国 诺 丁 汉 大 学Ｊ Ｄ Ｓ ｐ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ 等 人 开发 出一 种 “ 两次 螺 旋 堆 积 ” 的路
在机 器人指令 中加入 填弧坑动 作以及使 焊接路 径适 当重叠可 以很好的解 决弧坑塌 陷问题 ；堆 焊成形的零件 可以用 电解加工的方法作为后处理 工艺 ， 得到表 面光洁的零件。 关键 词 ：机器人 ；堆焊成形 ；增材 制造 中图分类号 ：Ｔ Ｐ２ ４ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ （ 上） 一 Ｏ １ ４ ５ — ０ ３
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禹 ，王世 龙 ，罗 震 ，敖 三 三
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（ １ ． 南京航空航天大学 材料科学与技术学 院，南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ；２ ． 首都 航天机械公司 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ； ３ ． 天津 大学 材料科 学与工程学院 ，天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ） 摘 要 ：堆焊快速成形作为 一种低成 本条件下制备组织致密的金属 零件 的增材制造方法 ，受到了业界的 广泛 关注。然 而弧坑 塌陷与表 面粗糙 等问题 限制了堆 焊快速成 型的应用 。本文对 基于机器人 堆焊 增材制造 进行研 究 ，探 索解决弧 坑塌陷 的工艺措 施 ，并提 出一整 套制备表 面光洁零件 的 堆焊 成形工 艺 ，最终 制得 了低 碳钢与 铝合金堆 焊成形 制品 。结 果表明 ：通过 降低热输入 量 ，
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ （Ｅ ） ． ４ ４
０ Hale Waihona Puke Baidu言
为 了适 应 当今 制 造 业 市 场 １ ３趋 激 烈 的 竞 争 环 境 ，企 业 要 在 最 短 的 时 间 内设 计 、加 工 与 制 造 出 来 符 合 消 费 者 个 性 要 求 的 产 品 。增 材 制 造 作 为 一 种 “自下 而 上 ”的 制 造 方 法 ，能 满 足 制 造 业 对 于 零件 的 快 速 设 计 制 造 与 加 工 过 程 柔 性 化 的 要 求 ， 因此近 年 来受 到 了业界 的广泛 关注 。 相 比于其 他几 种增 材制 造技 术 如Ｓ Ｌ Ｓ、 Ｆ ＤＭ 、ＬＯＭ 等 ，堆 焊 成 形 具 有 在 低 成 本 下 生 产 组 织 致 密且 力 学 性 能 好 的 特 点 ｕ ，因 此 该技 术有 望 发 展 为 面 向 民用 市 场 大 批 量 生 产 的增 材 制 造 技 术 。但 是 ， 目前 基 于 堆 焊 的 增 材 制 造 技 术 研 究 还 不 够 深 入 ，成 形 零 件 距 能 达 到 实 际 应 用 的 要 求 还 有较 大 差距 ，其 中主 要体 现 在 如 下 两 点 ：１ ）由于 堆 焊 工 艺 中弧 坑 塌 陷造 成 的 成 形 尺 寸 不 精 确 。２ ） 成 形 零件 表面 粗糙 无法 满 足使 用 要求 。
过 程 引 入 其 他 加 工 方 法 使 零 件 表 面 光 滑 。研 究人 员设 计 了 一 种 由弧焊 机 器 人 、数 控铣 床 、抛 丸 机 以 及 支撑 材 料 堆 积 系 统 组 成 的 复 合 四 工位 的快 速 成 形 系统 。 在其 工 作 过 程 中 ，弧 焊 机 器 人 每 完 成
条焊 道 ，其 多 余 的 部 分 将 会被 铣 削掉 并 进 行 抛 丸 去 应 力 ， 在堆 积 支 撑 材料 之 后进 行 下 一 层 的堆
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焊 。 此方 法 的 优 点在 于 零 件 成形 精 度 高 ，表 面 质 量 好 同时 生产效 率 高 。
在 本 文 的 实 验研 究 中 ，作 者 提 出 了一 整 套 堆 焊 成 形 的工 艺 ，基 于 机 器 人 堆 焊 制 得 了一 个 成 品 零 件 。 在 堆 焊 成 形 方 面 ，优 化 了堆 焊 成 形 的路 径 规 划 方 法 ，解 决 了弧 坑 塌 陷 的 问 题 ，并 堆 焊 出单 壁墙 体 零 件 ，验 证 了该 方 法 的 成 形 效 果 ；在 成形 后零 件 的后处理 方面 ，本 次实 验采 取 了电解 加工 的 方式 对零 件进 行 精密修 形 ，以解决 由于堆 焊 成形 的 零件表 面过 于粗 糙难 以满 足使用 要求 的问题 。
解 决 堆 焊 成 形 的弧 坑 塌 陷 问 题 ，主 要 是 通 过 优 化 成 形 路 径 予 以 解 决 的 。其 中 ， 堆 焊 成 形 路 径 描 述 了 焊接 过程 中 的 焊 道 起弧 、 停 弧 的 位 置 以 及
径 规 划 方 式 ，消 除 了焊 接 中焊 缝 重 熔 对 零 件 轮 廓 的破 坏 。 对 于 零 件 表 面 粗 糙 的 问题 ， 则需 要 在加 工 的