使用機(jī)器人氣體保護(hù)金屬電弧焊增材制造可用于工業(yè)應(yīng)用的金屬部件
時(shí)間：2020-03-23 09:18 來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng) 作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次
中國(guó)3D打印網(wǎng)3月23日訊，氣體保護(hù)金屬電弧焊（GMAW）增材制造是一種更實(shí)惠的金屬3D打印技術(shù)，具有較高的沉積速率，可用于制造中型和大型組件。來(lái)自越南Le Quy Don技術(shù)大學(xué)的一組研究 人員發(fā)表了一篇論文，標(biāo)題為“基于氣體金屬電弧焊的金屬零件增材制造的初步研究”，主要研究3D零件的機(jī)械性能和內(nèi)部質(zhì)量使用GMAW機(jī)械手打印。
基于GMAW的技術(shù)具有更高的沉積速率，因此比氣體鎢極電弧焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）方法更適合于制造大尺寸的金屬零件。確保GMAW印刷零件的內(nèi)部質(zhì)量很高是很重要的，這就是為什么有必要更好地了解其微觀結(jié)構(gòu)的原因-特別是當(dāng)該零件在承重條件下使用時(shí)。由于該技術(shù)成本較低，因此在越南一直使用該技術(shù)，因此制造商應(yīng)該了解該方法，以取得良好的效果。“因此，本研究的目的是研究通過(guò)基于GMAW的增材制造工藝制造的薄壁零件的內(nèi)部質(zhì)量。這項(xiàng)研究獲得的結(jié)果使我們能夠證明根據(jù)AM原理使用GMAW機(jī)器人制造或修理/再制造金屬零件的可行性。
圖1.（a）基于GMAW的增材制造系統(tǒng)的示意圖，（b）建造的薄壁樣品，（c）切割樣品的位置，＆（d）五個(gè)區(qū)域，用于觀察顯微組織并測(cè)量切割表面的硬度標(biāo)本。
一個(gè)工業(yè)GMAW機(jī)器人使用電弧增材制造（WAAM）工藝，在低碳鋼基板上用低碳鋼銅焊絲制造了薄壁部件。 6軸機(jī)器人使用焊炬從基材上沉積層，您可以在下表中查看焊接工藝參數(shù)。
“ GMAW割炬與工件之間的距離為12毫米。沉積是在室溫下進(jìn)行的，無(wú)需預(yù)熱基材。” Le解釋說(shuō)。 “一旦完成了焊接層的沉積，焊炬將縮回至用于沉積下一層的起點(diǎn)，停留時(shí)間為60秒。在兩個(gè)連續(xù)層之間使用的停留時(shí)間旨在冷卻工件并將累積的熱量傳遞到環(huán)境中。”使用線切割放電加工（EDM）機(jī)從薄壁樣品中切割出兩組拉伸樣品，以便作者可以使用數(shù)字顯微硬度測(cè)試儀來(lái)測(cè)量建筑材料的硬度，并仔細(xì)觀察其硬度。用光學(xué)顯微鏡觀察微結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其拉伸性能。
圖2。拉伸試樣的尺寸。
Le寫(xiě)道：“在切割這些標(biāo)本之前，先對(duì)內(nèi)置薄壁的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行機(jī)械加工以獲得有效寬度的內(nèi)置薄壁材料。”
圖3.在五個(gè)區(qū)域中觀察到的建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)：（a）上部區(qū)域，（b）中間區(qū)域，（c）下部區(qū)域，（d）熱影響區(qū)域（HAZ）和（e）基底區(qū)域。
在五個(gè)不同區(qū)域觀察到了樣品的微觀結(jié)構(gòu)。上部區(qū)域具有三種類型的鐵素體晶粒，并且熱和高冷卻速率的變化很大，具有垂直于基體分布的“具有主要奧氏體枝晶的層狀結(jié)構(gòu)”。中間區(qū)域有兩種晶粒，主要特征是“鐵素體的顆粒結(jié)構(gòu)，在晶界處有少量的珠光體”。下部區(qū)域的冷卻速度比上部區(qū)域慢的顯微組織是由“均勻的鐵素體晶粒組成的，其中分布著薄的薄片并與薄的珠光體條共存”。這些晶粒比中間區(qū)域的晶粒細(xì)，因?yàn)榇颂幍臒釠_擊值較高。在熱影響區(qū)（HAZ）中，微觀結(jié)構(gòu)從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而基底區(qū)具有鐵素體/珍珠巖帶狀微觀結(jié)構(gòu)–與中間區(qū)“相的均勻分布”完全相反。
上表顯示了五個(gè)區(qū)域中的硬度（HV）測(cè)量。上部區(qū)域的HV最高，而中間區(qū)域的HV最低，并且HAZ的值略低于基底區(qū)域。樣品在拉伸機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，Le還得出了工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線。
基于GMAW的技術(shù)具有更高的沉積速率，因此比氣體鎢極電弧焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）方法更適合于制造大尺寸的金屬零件。確保GMAW印刷零件的內(nèi)部質(zhì)量很高是很重要的，這就是為什么有必要更好地了解其微觀結(jié)構(gòu)的原因-特別是當(dāng)該零件在承重條件下使用時(shí)。由于該技術(shù)成本較低，因此在越南一直使用該技術(shù)，因此制造商應(yīng)該了解該方法，以取得良好的效果。“因此，本研究的目的是研究通過(guò)基于GMAW的增材制造工藝制造的薄壁零件的內(nèi)部質(zhì)量。這項(xiàng)研究獲得的結(jié)果使我們能夠證明根據(jù)AM原理使用GMAW機(jī)器人制造或修理/再制造金屬零件的可行性。
圖1.（a）基于GMAW的增材制造系統(tǒng)的示意圖，（b）建造的薄壁樣品，（c）切割樣品的位置，＆（d）五個(gè)區(qū)域，用于觀察顯微組織并測(cè)量切割表面的硬度標(biāo)本。
一個(gè)工業(yè)GMAW機(jī)器人使用電弧增材制造（WAAM）工藝，在低碳鋼基板上用低碳鋼銅焊絲制造了薄壁部件。 6軸機(jī)器人使用焊炬從基材上沉積層，您可以在下表中查看焊接工藝參數(shù)。
“ GMAW割炬與工件之間的距離為12毫米。沉積是在室溫下進(jìn)行的，無(wú)需預(yù)熱基材。” Le解釋說(shuō)。 “一旦完成了焊接層的沉積，焊炬將縮回至用于沉積下一層的起點(diǎn)，停留時(shí)間為60秒。在兩個(gè)連續(xù)層之間使用的停留時(shí)間旨在冷卻工件并將累積的熱量傳遞到環(huán)境中。”使用線切割放電加工（EDM）機(jī)從薄壁樣品中切割出兩組拉伸樣品，以便作者可以使用數(shù)字顯微硬度測(cè)試儀來(lái)測(cè)量建筑材料的硬度，并仔細(xì)觀察其硬度。用光學(xué)顯微鏡觀察微結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其拉伸性能。
圖2。拉伸試樣的尺寸。
Le寫(xiě)道：“在切割這些標(biāo)本之前，先對(duì)內(nèi)置薄壁的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行機(jī)械加工以獲得有效寬度的內(nèi)置薄壁材料。”
圖3.在五個(gè)區(qū)域中觀察到的建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)：（a）上部區(qū)域，（b）中間區(qū)域，（c）下部區(qū)域，（d）熱影響區(qū)域（HAZ）和（e）基底區(qū)域。
在五個(gè)不同區(qū)域觀察到了樣品的微觀結(jié)構(gòu)。上部區(qū)域具有三種類型的鐵素體晶粒，并且熱和高冷卻速率的變化很大，具有垂直于基體分布的“具有主要奧氏體枝晶的層狀結(jié)構(gòu)”。中間區(qū)域有兩種晶粒，主要特征是“鐵素體的顆粒結(jié)構(gòu)，在晶界處有少量的珠光體”。下部區(qū)域的冷卻速度比上部區(qū)域慢的顯微組織是由“均勻的鐵素體晶粒組成的，其中分布著薄的薄片并與薄的珠光體條共存”。這些晶粒比中間區(qū)域的晶粒細(xì)，因?yàn)榇颂幍臒釠_擊值較高。在熱影響區(qū)（HAZ）中，微觀結(jié)構(gòu)從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而基底區(qū)具有鐵素體/珍珠巖帶狀微觀結(jié)構(gòu)–與中間區(qū)“相的均勻分布”完全相反。
上表顯示了五個(gè)區(qū)域中的硬度（HV）測(cè)量。上部區(qū)域的HV最高，而中間區(qū)域的HV最低，并且HAZ的值略低于基底區(qū)域。樣品在拉伸機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，Le還得出了工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線。
圖4。用兩個(gè)試樣TSv1和TSh1進(jìn)行拉伸試驗(yàn)：（a）將試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，（b）拉伸試驗(yàn)后破碎的試樣，以及（d）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
“硬度（范圍在164±3.46 HV至192±3.81 HV之間），屈服強(qiáng)度（0.2％的YS偏移在340±2至349.67±1.53范圍內(nèi)）和極限拉伸強(qiáng)度（UTS在429±1至477±范圍內(nèi)） 2）基于GMAW的增材制造部件可與鍛造低碳鋼相比。”他解釋說(shuō)。“由于建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，垂直和水平樣品之間在YS和UTS方面也存在顯著差異。而且，通過(guò)基于GMAW的AM工藝制造的薄壁部件的機(jī)械性能與通過(guò)傳統(tǒng)工藝（例如鍛造和機(jī)加工）制造的零件的機(jī)械性能相當(dāng)。”
中國(guó)3D打印網(wǎng)點(diǎn)評(píng)： 這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，基于GMAW的機(jī)器人AM制造的金屬部件“對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有足夠的機(jī)械性能”。使用GMAW機(jī)器人對(duì)3D打印零件進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用是可行的。
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