仿竹結(jié)構(gòu)薄壁管設(shè)計(jì)與TIG增材成形范文

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摘要：通過(guò)對(duì)竹結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，設(shè)計(jì)出仿竹結(jié)構(gòu)橫向抗壓薄壁管結(jié)構(gòu)；并在保持力學(xué)性能的前提下進(jìn)行該結(jié)構(gòu)管簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在將起弧收弧缺陷控制到最小的基礎(chǔ)之上進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃；通過(guò)tig焊接窄道工藝試驗(yàn)，得出該竹結(jié)構(gòu)管薄壁所需的焊接工藝參數(shù)。最終通過(guò)TIG機(jī)器人電弧增材制造獲得仿竹結(jié)構(gòu)異型薄壁管。

關(guān)鍵詞：仿竹結(jié)構(gòu)；路徑規(guī)劃；窄道工藝；增材制造

竹子是自然界中的一種具有良好力學(xué)性能的典型生物體[1]。竹子收縮量極其小，但其卻具有很高的彈性和韌性，并且其強(qiáng)度、彈性模量以及靜曲強(qiáng)度是普通木材的兩倍[2]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，竹子的順紋抗壓強(qiáng)度為74.2MPa，抗拉強(qiáng)度為201.7MPa，是相同尺寸鋼材的1/2。若按照單位質(zhì)量來(lái)衡量這些數(shù)據(jù)的話(huà)，其抗拉強(qiáng)度為鋼材的25倍。其中力學(xué)性能較好的竹子的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到530MPa，該數(shù)據(jù)相當(dāng)于最好的鋁合金材料，而竹子的密度為1.2g/cm3,與此同時(shí)，其細(xì)長(zhǎng)比為1/250～1/150，這是一般結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的一個(gè)數(shù)據(jù)[3-6]。竹結(jié)構(gòu)之所以具有高抗沖擊、高抗壓、高韌性等力學(xué)性能，關(guān)鍵在于毛竹薄壁中微結(jié)構(gòu)的分布特點(diǎn)及性能特征。毛竹截面中的菱形狀的維管束結(jié)構(gòu)呈向圓心方向變大變稀疏的規(guī)律分布。這種規(guī)律使得毛竹在受到外力的沖擊時(shí)能對(duì)沖擊載荷進(jìn)行分解，將載荷由表面進(jìn)入后逐層進(jìn)行遞減，從而達(dá)到良好的抗沖擊效果。其關(guān)鍵在于所受載荷的分解與吸收。通過(guò)對(duì)毛竹宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的分析與測(cè)試，可以將其特點(diǎn)運(yùn)用于裝甲中管型零件的輕量化設(shè)計(jì)。目前，只能采用軋制和無(wú)縫焊接的形式來(lái)獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的異形管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以一次成形。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形管，普通的機(jī)械加工手段及鑄造、軋制，無(wú)法做到一次成形，需要通過(guò)多次焊接、嵌套才能獲得，工序復(fù)雜。高效率、低成本地完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)是電弧增材技術(shù)的一大特征[7]。現(xiàn)采用電弧增材的方法，通過(guò)層層結(jié)合，不斷疊加的方法成型復(fù)導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以一次成形，工序更加簡(jiǎn)單，獲得的零件性能更加優(yōu)異，是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)異形管和其他輕量化裝甲結(jié)構(gòu)的有效途徑。

1TIG增材竹結(jié)構(gòu)管設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃

竹子的微結(jié)構(gòu)對(duì)外加載荷分解情況如圖1所示。當(dāng)竹結(jié)構(gòu)表面受到外力作用時(shí)，該外加載荷在進(jìn)入竹薄壁結(jié)構(gòu)后，在維管束間隙會(huì)出現(xiàn)外密內(nèi)疏的分布特點(diǎn)，當(dāng)遇到一個(gè)維管束結(jié)構(gòu)時(shí)便會(huì)被分解為兩個(gè)力，使得外加載荷被削弱，經(jīng)過(guò)多次力的分解，最終到達(dá)竹子內(nèi)壁的區(qū)域。由于竹子內(nèi)部是一個(gè)環(huán)形區(qū)域，力會(huì)在該區(qū)域匯合，并形成方向相反的相互作用力，從而相互抵消。這樣的分布特點(diǎn)使得竹結(jié)構(gòu)具有良好的高強(qiáng)度高抗壓能力。針對(duì)竹壁內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，根據(jù)其對(duì)外加載荷層層分解的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出如圖2所示的仿生結(jié)構(gòu)截面1，由于目前的TIG電弧增材尚未到達(dá)能增材如此精細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，故根據(jù)竹纖維的特點(diǎn)，對(duì)改仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)得到如圖3所示的仿生結(jié)構(gòu)截面2、3、4。現(xiàn)通過(guò)路徑規(guī)劃和安川機(jī)器人自動(dòng)焊機(jī)對(duì)竹結(jié)構(gòu)截面4所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行TIG增材成形，獲得一個(gè)直徑為100mm、高100mm的仿竹結(jié)構(gòu)管，如圖4所示。仿竹結(jié)構(gòu)管的增材路徑規(guī)劃方式如圖5所示。焊槍先沿著外圓方向行走，然后再沿著水平方向兩個(gè)W路徑各走一道，最后沿著垂直方向走4道短焊道，焊接一層完成以后通過(guò)變位機(jī)將該層整體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，并且改變其外圓行走方向，到達(dá)第三層時(shí)按第二層的做法逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，再改變外圓行走方向，通過(guò)以3層為一個(gè)循環(huán)，可以將起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)相互重合，從而減小由起弧收弧塌陷所帶來(lái)的平整度問(wèn)題以及焊后缺陷問(wèn)題。

2TIG增材竹結(jié)構(gòu)薄壁窄道工藝試驗(yàn)

針對(duì)薄壁管的設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊道進(jìn)行最窄化處理，使得增材所用的焊道寬度達(dá)到最窄，從而獲得薄壁管。增材所用基板為300mm×500mm×12mm304不銹鋼板，所用焊絲為直徑1.2mm316L氬保焊絲。控制TIG焊接電流在90～150A范圍內(nèi)，以10A的變化幅度來(lái)調(diào)節(jié)；堆敷速度選擇從20cm/min以5mm/min的增幅提高至40cm/min，共5個(gè)堆敷因子；送絲速度為0.6、0.8、1.0、1.2m/min，進(jìn)行TIG單層單道超窄焊道工藝控制變量試驗(yàn)。

2.1焊接電流對(duì)焊道的影響

預(yù)設(shè)送絲速度0.6m/min，保護(hù)氣流量18～20L/min，焊接速度為20mm/min，焊接電流分別為90、100、110、120、130、140、150A，焊道的高度和寬度如表1所示。由表1可知隨著電流的增大，焊道高度逐漸降低，焊道寬度逐漸增大；隨著電流的增大，焊道表面顏色逐漸加深。當(dāng)電流在90～120A之間時(shí)，熱輸入較小，焊道熔滴鋪展不開(kāi)，導(dǎo)致焊縫表面成形較差，焊縫余高過(guò)高，焊縫周邊輪廓不平直，質(zhì)量較差。當(dāng)電流在120～130A之間時(shí)，焊縫表面呈現(xiàn)銀白色和金黃色，熱輸入量正常，焊縫表面平滑，輪廓平直，焊縫質(zhì)量較好。當(dāng)電流在150A及以上時(shí)，焊道表面呈黑灰色，熱輸入較大，焊縫質(zhì)量較差。故考慮電流應(yīng)控制在120～130A之間為最佳。

2.2焊接速度對(duì)焊道的影響

預(yù)設(shè)送絲速度0.6m/min，保護(hù)氣流量18～20L/min，電流為130A，焊接速度分別為20、25、30、35、40cm/min，焊道的高度和寬度如表2所示。由表2可知隨著焊接速度的增加，焊道高度逐漸降低，焊道寬度逐漸降低，當(dāng)焊接速度為40cm/min時(shí)焊縫寬度最窄，但焊道上表面呈圓弧狀，不利于下層焊道的堆疊。焊道在焊接速度為20～30cm/min之間時(shí)，焊道質(zhì)量最佳，焊道表面更為平整。針對(duì)增材應(yīng)選擇表面較為平整的焊道才有利于多道成形，故選擇焊接速度為20～30cm/min之間為最佳。

2.3送絲速度對(duì)焊道的影響

預(yù)設(shè)焊接速度40mm/min，保護(hù)氣流量18～20L/min，電流為130A，送絲速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2m/min，焊道的高度和寬度如表3所示。由表3可知隨著送絲速度的增加，焊道高度逐漸增加，焊道寬度維持在6.2～6.5mm之間。當(dāng)送絲速度在0.6～0.8m/min之間時(shí)焊道飽滿(mǎn)平滑，表面質(zhì)量最佳；當(dāng)送絲速度為1.0m/min時(shí)，焊接過(guò)程送絲量過(guò)大導(dǎo)致焊道過(guò)于飽滿(mǎn)，焊道表面質(zhì)量較差。因此，綜合考慮選擇焊接電流為120～130A之間，焊接速度在20～30cm/min。送絲速度在0.6～0.8m/min時(shí)，所得到的焊縫質(zhì)量最佳，在考慮多道多層平整度的前提下焊道寬度最窄可達(dá)到6mm～8mm之間。

3TIG增材竹節(jié)構(gòu)管增材成形

通過(guò)路徑規(guī)劃與TIG機(jī)器人自動(dòng)堆敷增材得到如圖6所示仿竹結(jié)構(gòu)薄壁異型管。異型管高100mm，直徑100mm，內(nèi)圈六邊形結(jié)構(gòu)及周邊短焊道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度30mm，壁厚6.5mm。焊后上表面平整，無(wú)塌陷，圓管外側(cè)圓滑光亮，無(wú)多余飛濺氣孔夾渣，焊道與焊道銜接處無(wú)明顯起弧與收弧缺陷。通過(guò)分析，該結(jié)構(gòu)管可在圓形管基礎(chǔ)上提高抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，其內(nèi)部仿纖維結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)可有效提高圓管在外力作用時(shí)其橫向的抗壓強(qiáng)度。

4結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)竹結(jié)構(gòu)中微結(jié)構(gòu)顯微組織觀察分析，得出竹結(jié)構(gòu)內(nèi)纖維結(jié)構(gòu)具有對(duì)外加載荷進(jìn)行分級(jí)分解與相互抵消的特點(diǎn)，使竹結(jié)構(gòu)在徑向具有良好的抗壓抗沖擊特性。（2）根據(jù)薄壁管的要求，對(duì)焊道進(jìn)行TIG單層單道超窄焊道工藝試驗(yàn)，通過(guò)焊接電流、焊接速度與送絲速度和焊接成形的關(guān)系，得出當(dāng)焊接電流為120～130A之間，焊接速度在20～30cm/min，送絲速度在0.6～0.8m/min時(shí)，所得到的焊縫質(zhì)量最佳，在考慮多道多層平整度的前提下焊道寬度最窄可達(dá)到6～8mm之間。（3）通過(guò)TIG增材堆敷成形得到高100mm，直徑100mm，內(nèi)圈六邊形結(jié)構(gòu)及周邊短焊道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度30mm，壁厚6.5mm的異型管結(jié)構(gòu)。焊后上表面平整，無(wú)塌陷，圓管外側(cè)圓滑光亮，無(wú)多余飛濺氣孔夾渣，焊道與焊道銜接處無(wú)明顯起弧與收弧缺陷。

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作者：陳涵 周琦 單位：南京理工大學(xué)