卓金管件有限公司自动化平板堆焊单层多道焊缝表面平整度研究学习体会
文献概况与研究背景
本文发表于2020年《塑性工程学报》第27卷第10期，作者来自重庆大学材料科学与工程学院及重庆杰品科技股份有限公司，基于自主研制的大型电弧熔丝增材原型设备，系统研究了自动化平板堆焊中单层多道焊缝的表面平整度问题。电弧熔丝增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）是一种基于金属熔化沉积的快速增材制造技术，其核心原理是利用电弧作为热源，将金属焊丝逐层熔化并沉积在基板上，通过多层多道的堆叠构建三维实体零件。在平板堆焊的应用场景中，焊缝表面平整度直接影响后续加工精度和产品合格率，是决定WAAM工艺实用性的关键质量指标之一。
实验设计与参数体系
本文采用了系统化的实验设计方法，分两个阶段开展研究：
第一阶段：单层单道熔丝增材实验
设计开展64组CN645ACW型焊丝的单层单道熔丝增材实验，构建了焊缝宽度和高度对应电压、送丝速度、焊接速度的BP神经网络模型。通过反向锁定特定焊缝宽度和高度对应的增材工艺参数，为后续多道实验提供了精确的参数基础。
| 实验阶段 | 实验组数 | 实验目的 |
|---|---|---|
| 第一阶段 | 64组 | 建立焊缝形状与工艺参数的映射关系 |
| 第二阶段 | 36组 | 研究焊缝形状和间距对表面平整度的影响 |
第二阶段：单层多道熔丝增材实验
开展36组不同焊缝高度、焊缝宽度和焊缝间距的单层多道电弧熔丝增材实验，建立了焊缝表面平整度的BP神经网络模型，系统分析了焊缝形状和间距对表面平整度的影响规律。
关键发现与规律总结
本文的核心发现可归纳为以下规律：
- 焊缝宽度、高度及间距与表面平整度的正相关关系：增大焊缝宽度、高度及间距，表面平整度值呈现增大趋势（即表面越不平整）。
- 小倍数焊缝间距下的变化趋势：在小倍数焊缝间距情况下，表面平整度值的增大趋势随着焊缝宽度和间距的增大而增大。
- 大倍数焊缝间距下的变化趋势：在大倍数焊缝间距情况下，增大趋势反而有所下降，表明在大间距条件下，相邻焊道之间的相互影响减弱。
- 堆积效应的主导作用：相同焊缝间距下，焊缝平整度值主要由熔丝增材的堆积效应决定，焊缝宽度和高度越大，堆积效应越明显，表面平整度越差。
| 影响因素 | 对表面平整度的影响 | 机理分析 |
|---|---|---|
| 焊缝宽度增大 | 平整度变差 | 熔池展宽，表面张力分布不均匀 |
| 焊缝高度增大 | 平整度变差 | 熔池深度增加，凝固收缩变形增大 |
| 焊缝间距增大 | 平整度变差（小间距）/改善（大间距） | 相邻焊道热影响区交互作用减弱 |
| 堆积效应 | 平整度变差 | 多层堆积导致应力累积和变形 |
BP神经网络模型的应用价值
本文采用BP（Back Propagation）神经网络建立焊缝形状和表面平整度的预测模型，这一方法在WAAM工艺优化中具有显著优势：
- 非线性映射能力：焊接工艺参数与焊缝形状之间的关系高度非线性，传统回归分析难以准确描述，而BP神经网络能够拟合复杂的非线性关系。
- 多参数耦合处理：焊接工艺涉及电压、电流、送丝速度、焊接速度、焊缝间距等多个参数的耦合效应，神经网络能够自动捕捉参数间的交互作用。
- 反向参数锁定：通过训练好的神经网络模型，可以反向锁定目标焊缝形状对应的工艺参数，实现"以终为始"的工艺设计。
然而，BP神经网络模型的应用也需要注意以下问题：
- 训练数据质量：模型的预测精度取决于训练数据的质量和数量，需要确保实验数据的代表性和准确性。
- 过拟合风险：当训练样本量不足时，模型可能过拟合，导致对未知工况的预测精度下降。
- 可解释性不足：神经网络模型的"黑箱"特性使得物理机理的深入理解存在困难，需要结合焊接冶金理论进行验证。
工程实践中的平整度控制策略
在实际的WAAM平板堆焊生产中，控制焊缝表面平整度需要从以下几个方面入手：
工艺参数优化
- 小焊道策略：采用小焊缝宽度和高度，通过增加焊道数量来构建目标尺寸，虽然效率降低，但平整度显著提升。
- 均匀间距控制：保持相邻焊道之间的间距均匀一致，避免局部堆积或间隙过大。
- 层间温度控制：控制层间温度，避免过高温度导致的熔池流动性过强和过低温度导致的熔合不良。
设备精度保障
- 运动精度：确保增材设备的X/Y/Z轴运动精度，特别是焊枪的轨迹重复精度。
- 送丝稳定性：保证送丝速度的恒定性，避免送丝波动导致的熔敷不均匀。
- 热输入稳定性：通过精确的电流和电压控制，保持热输入的稳定性。
后处理工艺
- 机械加工：通过铣削、磨削等机械加工去除表面不平部分，但需要考虑加工余量的经济性和材料利用率。
- 振动时效：通过振动时效处理消除残余应力，减少后续变形。
- 热处理：通过适当的退火处理改善组织均匀性，降低残余应力。
学习心得与反思
本文的研究对于WAAM技术的工程化应用具有重要的指导意义。表面平整度是WAAM技术从实验室走向工业应用必须解决的关键问题之一，本文通过系统实验和神经网络建模，揭示了焊缝形状和间距对平整度的影响规律，为工艺优化提供了定量依据。
从工程实践的角度看，WAAM技术要实现高表面质量的平板堆焊，需要在效率和质量之间找到最佳平衡点。小焊道策略虽然能提高平整度，但会增加焊接时间和生产成本；大焊道策略虽然提高了效率，但平整度难以保证。实际生产中需要根据具体产品的尺寸精度要求和生产节拍，选择合适的工艺方案。此外，随着WAAM技术的不断发展，多丝多枪协同焊接、在线监测与反馈控制等新技术的应用，有望进一步提升表面平整度的控制水平。