电弧增材制造技术(WAAM)是根据三维数字模型由点-线-面-体逐渐堆叠出金属零件的先进数字化制造技术，它利用电弧作为热源，熔化添加材料堆积成形金属零件[1]．这种方法近年来得到了快速的发展．我国确立了循环经济的国家发展战略，再制造是循环经济的重要支撑产业之一[2]．再制造中最有价值的方法是修复报废零件．修复是以报废零件为毛坯，以高新表面工程技术为手段，恢复零件尺寸精度和性能的过程[3-4]，能高效再利用零件首次制造过程中的附加值[5]．目前用于再制造修复技术的主要有激光熔覆[6-7]、焊接[8-9]、喷涂[10-11]等，多用于修复磨损、腐蚀失效的表面或局部破损和开裂的零件，对较大破损形状的零件修复研究较少．修复零件的难点在于报废零件材料的多样性，退役零件须修复的部位、形状和要求都具有个性化特性，修复件数量少，但却对修复成本和时间要求严格，所以修复零件具有更大的挑战．将增材制造技术引入再制造领域，容易实现对退役零件的个性化修复，使报废零件重新恢复到原设计的形状、尺寸精度和性能状态[12-13]．多数研究将电弧增材系统应用于零件的修复研究[14]，研究修复设备、工艺、材料和修复性能[12,15-16]，修复对象以模具为主[9]．本研究介绍自主研发的具有自动规划路径机器人承载弧焊电源的柔性增材再制造修复系统，研究用该系统对发动机缸盖进行修复的技术路线和工艺．1 实验1.1　实验设备1.1.1　柔性增材再制造修复系统开发的柔性增材系统可根据模型形貌特征选择合适的工艺策略，自动生成机器人离线编程文件，驱动机器人系统进行三维加工，并可同步调节CMT（冷金属过渡）电源的电压、电流等各项参数．该系统硬件由机器人、弧焊电源、控制系统和辅助装备组成，实物如图1所示．机器人选择开放性较好的KUKA机器人KR5R1400，该机器人由机械本体、控制柜、示教盒三部分组成，具体参数如下：机器人末端负载为5 kg，最大工作范围为10.13245/j.hust.230414.F001图1弧焊机器人增材制造系统实物1 401 mm，工作空间为9.97 m3 ，绝对定位精度为±0.6 mm，重复定位精度为±0.04 mm．弧焊电源由焊接电源、送丝机和焊矩组成，主控部分由工控机组成，辅助装备包括保护气体供气装置、焊枪清理机构、冷却水装置等．焊接电源选择具有CMT Advanced的弧焊电源系统TPS 4000 CMT，该系统焊接电源由交流380 V供电；焊接电流范围为3~400 A，低电流焊接时也比较稳定；室温下电流为365 A焊接时可以到达100%的暂载率，额定电流400 A焊接时也可到达75%的暂载率．该系统电源的特点是可以焊接钢铁、铝及其合金、铜及其合金、铸铁等多种材料；同时，CMT电源具有低焊接热输入量，与修复的需要正好契合[17]．1.1.2　三维扫描设备型号及参数使用惟景三维科技有限公司的扫描仪，其型号为：Powerscan Pro-1.3M，单幅测量时间为0.4 s，其最大误差为0.008 mm．1.1.3　拉伸与硬度设备拉伸实验设备型号为WEW-600B液压万能试验机；显微硬度计型号HV-1000．1.2　修复零件和材料a．待修复零件：6G72型汽车发动机缸盖，由于发生交通事故，缸盖的单边受损，清理破裂边后，缺损边的最大尺为296 mm×60 mm×5.5 mm，如图2所示．修复件是个结构复杂的箱体零件，下表面与缸体安装在一起，受热和燃料燃烧的脉动冲击力．10.13245/j.hust.230414.F002图2受损的发动机缸盖b．缸盖由铝合金压铸成形，材料型号为6061．c．焊丝：选用ER5356焊丝，其直径为1.2 mm．d．保护氩气：纯度为99.99%，流量为22 L/min．1.3　工艺路径规划修复就是将报废零件缺损或者磨损部分的形状和尺寸精度恢复到最初新零件状态的过程，也是把性能重新恢复起来的过程．利用增材技术进行修复，首先要重建修复部位的数据模型，然后优化工艺，再开展修复工作．1.3.1　建立修复形状的三维模型本研究使用面结构光三维扫描仪，扫描缺损缸盖，建立待修复缸盖的三维电子模型；然后再扫描同样的新缸盖，得到新缸盖的模型；用新件模型去剪切修复缺损部位模型，即得到须要修复形状的模型．图3为全新缸盖电子模型减去缺损缸盖电子模型后得到的缺损部位模型．模型进行封闭处理，最后得到可以使用的缺损模型．10.13245/j.hust.230414.F003图3缺损形状的模型1.3.2　工艺路径规划软件为实现满足电弧增材制造工艺要求的自动路径规划，开发了PowerRP-WAAM工艺路径规划软件(见图4)，该软件输入STL模型文件后，可根据模型形貌特征选择合适的工艺策略，自动生成机器人离线编程文件，驱动机器人系统进行三维加工，并可同步调节CMT电源的电压、电流等各项参数．10.13245/j.hust.230414.F004图4PowerRP-WAAM软件1.3.3　加工工艺路径策略选择修复零件要求生长出来的形体不光自己强度高，还要与报废零件的结合强度高，这与生长、扫描方向有很大的关系．本研究的缺损形状是一个下小上宽的梯形面，其最大尺寸为296 mm×60 mm×5.5 mm．考虑到焊接修复层与底和两个侧边的结合强度要尽可能的高，不能让最后生长边与一侧边结合，而必须是敞口边为最后的生长边，即高度生长方向是从底边向顶边的方向．平面扫描路径有如下三种方向．a．短边为扫描方向．由于缸盖是薄壁件，壁厚仅为5.5mm，引燃电弧很快就要熄灭电弧，这么短的扫描路线，焊缝成形很差，因此扫描方向上的精度很低，强度也低．b．45°扫描方向．沿45°方向扫描的路线长度也只有7.78 mm，虽然扫描长度增加了2.28 mm，但依然存在路径a的问题．c．长边为扫描方向．长度的最短边为204 mm，而引弧和熄弧点都与两侧边接触，方便控制生长体与零件的结合强度，也可以更精确地控制修复精度．壁厚只有5.5 mm，可以通过控制电流的大小使单道焊缝的宽度达到壁厚的尺寸．通过对比，在PowerRP中选择c路径，即选择长边为扫描方向．为确保加工精度，PowerRP软件具备焊道搭界区自适应调整的功能，解决了焊接模型宽度尺寸不能被焊接搭接量整除的问题．根据被焊件宽度方向尺寸对焊接搭接量进行实时微调，以实现焊接模型宽度尺寸能被焊接搭接量整除，由此可确保类似薄壁区域的尺寸精度．1.4　工艺参数优化选用的试样铝板母材型号为6061，试样尺寸长×宽×高为250 mm×250 mm×2 mm．CMT电源可实现一元化调节参数，选定材料，给定送丝速度就确定了焊接电流．实验在不同电流下的焊道宽度，以满足单道焊接达成缸盖壁厚的要求．图5是在不同的焊接电流下，测量焊道宽度(第1，2层位打底层，不测量)曲线图．从图中可以看出：随着层数的增加，焊道宽度也增加，但4层以后，曲线变缓，增加较少．特别是焊接电流为81 A和90 A两种工况下，4层以后焊道宽度增加量控制在0.5 mm以内，满足焊接精度要求．10.13245/j.hust.230414.F005图5焊接参数与成形件焊道宽度变化曲线由图5可知：当焊接电流为81 A时，5层以后焊道宽度基本上稳定在7 mm、层厚为2.2 mm，此时的焊接速度为530 mm/min．根据修复要求，焊道宽度要比原壁厚多1.5 mm左右，符合后续表面处理的要求，因此正合适．最终确定最佳工艺参数：电流为81 A，焊接速度为530 mm/min．1.5　试验结果与测试1.5.1　硬度测试将焊接试样采用线切割的方法截取横截面，并将横截面进行打磨和抛光．采用显微硬度计测试横截面上各点的显微硬度，分别选取测试母材、母材和焊层交界处，以及各焊层处左、中、右各点进行测试．硬度测量结果列于表1，从表1可知：硬度最低点在母材和焊缝交界处，比母材的硬度低，这是由于热影响区造成的．最高硬度在表面层．各层的硬度都在母材的附近，其均值为82.8 HV，达到母材硬度的95.2%，可以满足零件使用要求．10.13245/j.hust.230414.T001表1各层各点显微硬度值硬度测试点位置左中右均值母材硬度85.690.784.887.0母材焊缝交界处69.670.768.669.3第一层80.378.881.380.1第二层75.376.974.875.7第三层81.083.782.782.5第四层91.789.489.490.2第五层89.492.889.690.6第六层83.381.581.382.0第七层78.880.378.279.1第八层87.483.687.986.3第九层93.791.891.092.2HV1.5.2　母材对接强度测试根据试验标准，选择对接焊缝．试样为两块尺寸为150 mm×50 mm×2 mm的6061材料，对接间隙为1.0，1.5，2.0 mm．焊接前用100#的砂纸将对接处的铝合金表面氧化膜去除，打磨至光亮，然后使用无水乙醇清洗，去除油污等杂质．接头无坡口，对接间隙分别为1.0，1.5，2.0 mm，采用单面焊接，双面成形．在室温的条件下，用万能试验机进行拉伸实验，加载速率设置为0.4 mm/min．拉伸试验结果如下：对接间矩1.0 mm焊缝的抗拉强度为200 MPa，对接间矩1.5 mm焊缝的抗拉强度为183 MPa，对接间矩2.0 mm焊缝的抗拉强度为140 MPa．由上述数据可看出，随着接头间隙的增加，其抗拉强度会有所减小．分析原因如下：间距越大，试样焊接接头处未焊合现象多，当间距为2.0 mm时，焊道有较为明显未焊合的情况，所以其强度会减小．观察拉断的试样，断裂的位置是焊缝金属旁边1 mm处的位置，该处正好是焊接的热影响区，晶粒较为粗大，力学性能是整个试样最薄弱的地方．1.5.3　增材体强度测试首先采用最佳工艺参数堆焊出尺寸为140 mm×27 mm×34 mm的金属，铣削加工顶面和拉伸试样的侧面轮廓，再利用电火花线切割，切成2.0 mm厚的试样．拉伸试样的尺寸如图6所示．10.13245/j.hust.230414.F006图6拉伸试样的尺寸(mm)将其在拉伸实验机上进行拉伸试验，三次测试结果如下：最大为200 MPa，最小为165 MPa，三个试样的平均强度为177 MPa．1.6　破损缸盖修复试验1.6.1　提高表面光洁度待修复壁与铅锤面有27.3°的角度，若以该面处于倾斜位置修复，则由于增材制造的台阶效应，侧面是一个阶梯形状，上下层错位尺寸为2.52 mm．为了消除表面台阶效应，提高修复面的光洁度，将缸盖的修复侧抬高，使待修复边呈铅锤位置，这样就避免了台阶效应．1.6.2　修复基点与坐标的选择为了减小修复后零件的误差，应该使修复形状像从待修复零件上生长出来一样，为此，必须在待修复件和修复形状上建立坐标，当开始修复时，使两坐标的原点重合，相应的坐标轴也重合．取待修复零件(见图2)的底边与左斜边的交线、壁厚方向的中点为坐标原点，缺口底边为x坐标，壁的高度方向为z坐标，壁厚为y坐标．对应的修复模型(见图3)也规定底边与左斜边的交线和厚度方向中点为坐标原点，3个坐标轴的取向与零件一样．对设定坐标的模型进行切片．在修复开始前，使焊丝准确定位零件的坐标原点，焊枪运动方向为x方向，采用单向扫描进行修复，即焊完一层，焊枪回到起点一侧．1.6.3　修复零件根据试验的最佳修复工艺和参数，即焊接电流为81 A，焊接速度为530 mm/min，氩气流量为18~20 L/min，单道堆积修复，沿长度方向扫描，切片层厚为1.8 mm，冷却到室温再焊接下一道．图7是修复后的缸盖．10.13245/j.hust.230414.F007图7发动机缸盖修复后照片2 结果与分析2.1　缸盖的性能要求及分析对国内乘用车发动机缸盖的技术要求调查得知：缸盖只有材料的成分要求，并没有具体的性能规定．以材料本身的性能作为修复件评判的依据．缸盖母材的拉伸强度为215 MPa．在缸盖焊接修复过程中，焊缝紧贴母材，间距为零，根据母材对接拉伸试验可知焊缝接头处的拉伸强度可达200 MPa．堆焊金属的拉伸试验值为177 MPa，低于母材对接处拉伸强度，是修复件原材料强度的82.3%．由于该修复侧壁上不安装其他零件，因此该强度可以满足修复缸盖的使用要求．修复部分的硬度均值为82.8，母材的硬度值为87，比母材稍低，所以修复部分的硬度可以满足修复缸盖的使用要求．图7中修复壁表面光洁、平整，能满足缸盖修复壁没有配合和安装其他零件的要求．2.2　修复精度分析扫描得到修复缸盖的三维模型如图8所示．以缸盖的安装面和冷却液孔为定位，对比新旧缸盖模型，得到修复的精度．10.13245/j.hust.230414.F008图8修复缸盖扫描模型将新缸盖和修复缸盖的模型导入Geomagic Studio软件中，将定位面和孔中心对准，就可以得到两个模型的结构差别数据．再将两个模型导入到Geomagic Qualify软件中，将两模型的三维特征面对齐，即底平面和其上的冷却液孔对齐，对比两模型，得到修复后缸盖模型的修补误差，从其中取一些点的误差，分析如下．a．破损缸盖毛坯上的变形．高度方向20个测量点的平均误差为-0.155 2 mm，宽度方向(缸盖的外壁)17个测量点的平均误差为-0.025 6 mm．这部分是原零件的结构，其变形是由于热传导和焊接应力导致，可以看出修复工艺对零件原机体部分的变形影响很小．b．修复壁部分的变形：修复壁外侧5个平面测量点的平均误差为0.857 62 mm，小于1 mm；修复壁内侧9个测量点的平均误差为1.925 5 mm，其中焊缝起点和终点的4个点的平均误差为3.836 925 mm，修复壁内侧平面其余5个测量点的平均误差为0.396 36 mm；从修复壁外侧来看，虽然误差值较大，但除去焊缝的起点和收弧点造成的较大误差，修复平面的误差还是比较小的．由于本缸盖修复壁只起到保持封闭空间和缸盖的完整性的要求，不再安装其他零件，只满足外观要求和一定的强度即可，表面修复精度要求不高，因此本修复件可以满足缸盖的使用要求．3 结论a．修复形状的模型通过扫描缺损零件和新零件，对比两模型得到．b．通过优化工艺参数，修复部分的强度达到缸盖原材料的82.3%，硬度基本相同，满足零件使用要求．c．铅锤设置零件的修复壁，缺口长度为扫描方向，修复了较大破损的缸盖．d．修复件机体误差很小，修复壁外平面的精度误差在1.0 mm以内，满足使用要求．