基于机器人CO2气体保护焊的直接堆焊成形研究——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文由西安交通大学焊接研究所李振岗等人发表于《焊接技术》2007年第36卷第2期，研究了基于机器人CO2气体保护焊的直接堆焊成形技术，探讨了焊接热输入对堆焊焊缝熔宽及余高的影响规律，分析了直接堆焊形成零件的可能性和影响因素，并对堆焊零件的残余应力进行了测试与分析。该研究将增材制造的思想引入焊接领域，探索了通过焊接直接成形零件的技术路径，具有前瞻性的工程意义。

直接堆焊成形的基本原理

直接堆焊成形是一种利用焊接热源逐层逐道熔敷材料，直接形成具有特定几何形状的零件的制造工艺。与传统制造方法相比，该技术具有以下特点：

焊接热输入对成形质量的影响

文献重点研究了焊接热输入对平板堆焊成形焊缝的熔宽及余高的影响规律。焊接热输入是影响堆焊成形质量的核心工艺参数，其影响机制如下：

熔宽与热输入的关系

焊接热输入增大时，熔池体积增大，液态金属流动性增强，熔宽随之增大。但热输入过大时，熔池过宽，可能导致：

• 熔池边缘温度过低，形成冷裂纹；
• 熔池金属过度氧化，形成气孔；
• 稀释率增大，影响堆焊层成分控制。

余高与热输入的关系

焊接热输入增大时，熔池中的液态金属在重力作用下向两侧流动，余高减小。热输入过小时，余高增大，可能导致：

• 余高过大，层间结合不良；
• 表面成形质量差，影响后续成形精度；
• 应力集中，降低零件疲劳性能。

工艺参数优化

残余应力分析与控制

文献对堆焊零件的残余应力进行了测试与分析。焊接残余应力是堆焊成形零件面临的主要质量挑战之一，其来源包括：

1. 热应力：焊接过程中局部加热和冷却产生的温度梯度应力；
2. 相变应力：堆焊金属凝固和相变过程中的体积变化应力；
3. 约束应力：零件几何形状对焊接变形的约束产生的应力。

残余应力的影响

• 疲劳性能：残余拉应力降低零件的疲劳寿命；
• 尺寸精度：残余应力释放导致零件变形，影响尺寸精度；
• 服役可靠性：残余应力与工作应力叠加可能引发脆性断裂。

残余应力控制方法

直接堆焊成形的工程应用前景

适用领域

基于机器人CO2气体保护焊的直接堆焊成形技术在以下领域具有应用潜力：

1. 模具修复与制造：模具的局部修复和整体制造，特别是大型复杂模具；
2. 备件制造：小批量、多品种的备件制造，如阀门、泵体等；
3. 管道修复：管道局部损伤的修复，如腐蚀减薄、裂纹修复等；
4. 功能梯度材料：通过改变焊接参数和材料，制造具有梯度性能的功能零件。

技术挑战

该技术在工程应用中仍面临以下挑战：

1. 成形精度控制：焊接过程中熔池行为的精确控制是保证成形精度的关键；
2. 表面质量：堆焊成形零件的表面粗糙度通常高于切削加工件，需要后处理；
3. 内部缺陷：气孔、裂纹等焊接缺陷可能影响零件的力学性能；
4. 工艺稳定性：多层多道堆焊过程中，工艺参数的稳定性需要保证；
5. 残余应力：焊接残余应力对零件性能的影响需要有效控制。

与增材制造技术的关联

直接堆焊成形技术可以视为焊接领域的增材制造技术，与现代增材制造（AM）技术具有相似的理念。与金属3D打印相比，基于焊接的增材制造具有以下特点：

• 设备成本较低：利用现有焊接设备即可实现；
• 沉积速率较高：适合大型零件的快速制造；
• 材料选择灵活：可使用多种焊接材料；
• 精度相对较低：成形精度不如3D打印；
• 表面质量较差：需要后处理。

关键思考与启示

1. 焊接与增材制造的融合：焊接技术是增材制造的重要分支，将增材制造的理念引入焊接领域，可以拓展焊接技术的应用范围。
2. 机器人焊接的精度优势：机器人焊接具有高精度、高重复性的特点，是实现直接堆焊成形的技术基础。
3. 工艺-结构一体化设计：直接堆焊成形要求在设计阶段就考虑焊接工艺的特点，实现工艺与结构的一体化设计。
4. 在线监测与反馈控制：要实现高质量的直接堆焊成形，需要建立在线监测系统，实时反馈熔池状态并调整工艺参数。

总结

该文献探索了基于机器人CO2气体保护焊的直接堆焊成形技术，揭示了焊接热输入对成形质量的影响规律，并对残余应力问题进行了分析。该技术将焊接与增材制造的理念相结合，为复杂零件的制造提供了新的技术路径。尽管在成形精度、表面质量和内部缺陷控制等方面仍面临挑战，但随着焊接技术、机器人技术和在线监测技术的进步，直接堆焊成形技术有望在模具制造、管道修复、备件生产等领域得到更广泛的应用。