第一章 绪论
1.1 课题背景与研究意义
航空、航天、汽车、船舶、国防等高端装备制造业正在向大型化、参数化、绿色智能的方向高速发展，导致大量关键金属构件尺寸不断增大、结构日趋复杂、性能要求日益提高，其中全致密、高性能、结构复杂的大型金属构件广泛应用于高端制造业[1-4]。如图 1-1 所示为飞机框架结构和汽车缸体结构，采用传统的加工方法，很难在保证加工精度的同时，提高材料利用率、缩短制造周期、降低生产成本[5-7]。而增材制造技术无需传统模具和工装操作，可为大中型中等复杂程度金属构件提供一种快速、柔性、低成本、高性能、短周期的先进制造方法[8-10]。
图 1-1 大型复杂金属构件 增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术融合了计算机辅助设计和材料加工与成形技术、以零件三维数据为基础，通过机器人或数控系统将金属材料或非金属材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式自下而上、逐层堆积制造零件的一种先进制造技术[11-13]。根据成型方法、成型材料及凝结热源的不同分为：分层实体制造(LOM)工艺技术、立体光刻(SLA)工艺技术、选择性激光烧结(SLS)工艺技术和熔融沉积成型(FDM)工艺技术[14]。与传统的锻压、铸造、铣削等加工技术相比，增材制造技术具有材料使用广泛、材料利用率高、制造成本低、加工周期短、后续机械加工量小、成型制件性能好等优点[15,16]。
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1.2 电弧熔丝增材制造国内外研究现状
电弧熔丝增材制造基于离散-堆积原理，以熔化极、非熔化极或等离子弧作为热源，熔化同步供给的金属丝材，逐层堆积制造出满足设计要求的金属构件。1947 年，The Babcock Wilcox Co 公司首次将电弧堆焊制造技术应用到化工业中，采用埋弧堆焊技术制造出不锈钢蒸馏塔。到了 20 世纪 90 年代，计算机技术的高速发展促进了电弧堆焊制造技术的自动化控制，利用在线编程技术可以得到复杂构件的成形路径，但受制于焊接技术自身的局限，其发展速度缓慢。到了 21世纪，随着各种焊接技术的快速发展，其成形工艺不断提高，材料使用范围更加广泛，电弧增材制造技术进入飞速发展时期。
随着科技的发展，电弧增材制造技术以其高效率、高柔性、低成本的优势吸引大量国内外高校学者、科研机构、大型企业对其进行研究，在成形工艺参数优化、路径规划算法、组织性能及装备研发等方面取得了重要成果。
1.2.1 工艺参数优化
南京理工大学的尹凡[27]研究了以不锈钢焊丝为原材料的等离子增材制造技术，系统研究了成形工艺参数对单道焊缝成形尺寸的影响。结果表明，工艺参数对余高的影响由大到小依次为：送丝速度，焊接速度，焊接电流；对熔宽的影响由大到小依次为：焊接速度，焊接电流，送丝速度，同时设计了三因素二次回归方程，达到精确控制焊缝成形尺寸的目的。
英国克兰菲尔德大学的 Williams Stewart 等人[28,29]研究了不同溶滴过渡模式下的 CMT 增材制造技术中不同牌号铝合金丝材质量、不同大小保护气流量等因素对成形质量的影响。结果表明，焊丝表面质量不佳会使成形过程中产生飞溅，成分不均匀会导致电弧不稳定、成形精度差；当保护气流量大于 25L/min 时，标准、脉冲、变极性 CMT 焊接工艺可以避免微观组织中出现气孔，而脉冲变极性CMT 的溶滴过渡模式热输入低、成形的单壁体内部气孔最少，当保护气流量在10-25L/min 之间时，可以避免产生气孔。
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第二章 等离子增材制造工艺参数优化
2.1 数控等离子增材制造系统
本课题主要使用数控等离子增材制造系统，其主要由三部分组成：
(1) 路径规划软件
利用 MATLAB 开发了适用于数控等离子增材制造系统的路径规划软件，其主要由 STL 模型读取、等厚度分层、焊缝尺寸预测、路径规划、G 代码输出等五大模块组成，该软件的总体 GUI 界面如图 2-1 所示。首先由焊缝尺寸预测模块得到不同工艺参数下的单道焊缝熔宽及余高值，根据余高值确定 STL 模型等厚度分层的分层高度，根据熔宽值确定相邻焊缝搭接时的最佳搭接距。如果待成形零件为薄壁类构件，分层所得轮廓数据可直接导出作为成形路径的数控加工程序；如果待成形零件为大尺寸构件，将分层所得轮廓根据复合路径规划方法进行填充，再将每一层的成形路径导出为数控加工程序，将数控加工程序传输到增材制造系统即可成形复杂结构件。
图 2-1 路径规划软件 GUI 界面 .................................
2.2 成形工艺试验
为了获得具有较好表面质量的工艺参数区间，方便建立熔宽余高神经网络预测模型，展开单层多道、多层多道搭接工艺及路径规划方法的研究，必须对焊接参数进行探索。由于等离子焊接工艺参数可变范围大、影响因素多，而焊接电流、焊接速度、送丝速度对焊缝形貌影响最大，因此采用正交试验确定最佳工艺参数区间。试验采用上述增材制造系统，焊丝为直径 0.8mm 的 304 不锈钢，基板选取厚度为 15mm、长度和宽度均为 280mm 的钢板，试验中基板与压缩喷嘴的距离为 3mm，等离子气流量为 1.3L/min，保护气流量为 15L/min，焊接电压在 18-20V 之间。根据焊接电流的大小分为 7 组试验，分别为 90A、100A、110A、120A、130A、135A、140A，每个分组中根据焊接速度和送丝速度细分为 5 组，其中焊接速度分别为 150mm/min，170mm/min，190mm/min，210mm/min，230mm/min，送丝速度分别为 130cm/min，160cm/min，190cm/min，210cm/min，230cm/min，试验结果如图 2-5 所示。
通过观察不同焊接参数下的焊缝形貌发现：
(1) 当焊接电流在 90A-100A 之间时，无论焊接速度和送丝速度为多少，焊缝成形质量均较差，如图 2-5 中(a)、(b)组；当焊接电流超过 135A 时，熔宽在不同位置发生了变化，熔宽不均匀势必会影响多道搭接时的焊缝表面平整度，另一方面，焊接电流过大，熄弧点存在的弧坑塌陷现象更为严重，如图 2-5(f)、(g)组；
(2) 焊接电流为 110A 时，焊缝的成形质量比焊接电流小于 100A 的成形质量要好，但是该组中焊接速度为 230mm/min、送丝速度为 130cm/min 时成形质量较差，说明焊接速度和送丝速度之间的差值不能过多，即焊接速度较大时，应该选用更大的送丝速度，才能保证成形质量。
(3) 焊接电流在 120A-130A 之间时，焊缝成形质量最好，可以通过匹配不同的焊接速度和送丝速度得到不同的熔宽及余高值。
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第三章 单层多道复合路径规划方法 ..................................... 23
3.1 单一路径规划方法 ............................... 23
3.2 复合路径规划方法 .................................... 24
第四章 多层多道成形路径优化方法 ........................ 35
4.1 材料短缺区域对成形质量的影响 ................................... 35
4.1.1 建立多层多道理想搭接模型 ........................................ 36
4.1.2 求解边缘焊缝高度下降值 ..................................... 37
第五章 增材制造路径规划软件及成形试验 ............................... 47
5.1 路径规划软件总体设计 ........................................... 47
5.1.1 三维模型的建立与读取 ............................... 48
5.1.2 基于 STL 模型的等厚度分层算法 ............................... 49
第五章 增材制造路径规划软件及成形试验
5.1 路径规划软件总体设计
电弧熔丝增材制造路径规划软件最主要的功能应当包括：三维模型读取与分层、路径规划及加工代码生成。通过前文研究可以得出结论，路径规划方法决定着整个构件成形质量的好坏，因此要想生成符合预期目标的成形路径就必须考虑单层路径规划方法的选择、相邻焊缝搭接距的确定及多层多道路径的优化等成形工艺问题。另一方面，本文只研究了非曲面大尺寸构件的成形工艺，对于含有曲面、具有倾斜特征的构件并未研究，所以路径规划软件应当以模块化的方式实现，方便后续增加其他工艺模块。因此，首先实现本文提出的成形工艺控制方法，再根据后续研究增加其他结构件的成形工艺方法。该软件主要实现三维模型处理的基本功能及本文提出的复合路径规划算法，主要分为三维模型读取、三维模型分层、焊缝尺寸预测、二维轮廓路径规划和数控加工代码输出五大模块，工作流程如图 5-1 所示。其中焊缝尺寸预测和二维轮廓路径规划的算法实现已在前文进行介绍，本章主要介绍三维模型读取、分层及加工代码输出，同时为了方便使用，开发了操作简单的可视化 GUI 界面。
图 5-1 路径规划软件的操作流程 ...............................
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文搭建了数控等离子增材制造系统，采用正交试验法确定最佳工艺参数区间，建立了焊缝尺寸预测模型，确定了适用于等离子弧焊工艺的多道焊缝最佳搭接距并对拐点搭接路径进行修正；分析了单一路径规划方法的优缺点，提出轮廓偏置路径和往复直线相结合的路径规划方法；研究了边缘焊缝材料短缺区域对多层多道构件成形精度的影响，提出随形边缘高度差补偿法；开发了集 STL 模型读取与显示、焊缝尺寸预测、等厚度分层、复合路径规划及 G 代码导出于一体的路径规划软件。研究成果总结如下：
(1) 采用正交试验法确定了最佳工艺参数区间：焊接电流 110A-130A，焊接速度 150mm/min-210mm/min，送丝速度 170cm/min-230cm/min，在此区间内进行大量试验，建立了熔宽余高神经网络预测模型，预测余高可用于等厚度分层算法，熔宽可用于确定最佳搭接距；分析了理想焊缝搭模型和斜顶搭接模型，通过均分法确定了适用于等离子弧焊工艺的最佳搭接距 d=0.727w；分析了焊缝搭接时拐点处的成形情况，发现当拐点处夹角度数小于 58.65 时开始出现孔隙，提出拐点路径修正方法避免孔隙出现。
(2) 分析了单向直线、往复直线、轮廓偏置及螺旋线等 4 种常用路径规划方法的优缺点，提出往复直线和轮廓偏置相结合的复合路径规划方法，复合路径规划方法继承了往复直线填充能力强、灵活性好和轮廓偏置路径几何还原度高的优点，首先将切片轮廓向内偏置一次形成内轮廓，然后在内轮廓中生成往复直线路径，最后将两种路径结合为复合成形路径；分析了切片轮廓中内外轮廓判定、凹凸点判定、偏置点计算方法、交点坐标计算方法等数学原理，采用 MATLAB 实现了复合路径规划算法；分析了复合路径规划方法中搭接距离对成形质量的影响，提出外轮廓偏置距离采用 d1=0.582w，往复直线路径采用最佳搭接距 d=0.727w，有效避免轮廓偏置路径和往复直线路径搭接处出现的缺陷；为了减少起熄弧次数对成形质量的影响，在不同路径之间切换时采用不熄弧不送丝焊接电流小于 80A的快速移动方法。
参考文献（略）
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