Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
VAC 05.02.23 Стандартизация и управление качеством продукции
UDK 621.79 Соединение материалов сваркой, пайкой и склеиванием. Обработка и отделка поверхностей. Хранение и складирование. Упаковка и упаковочные средства
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The paper presents the results of experimental studies of 3DMP synthesis with various shaping paths of the wire feedstock. The necessity of using oscillating feedstock movements in order to increase the stability of the welding process and prevent shape defects is established. Recommendations are given for using the path of oscillating movements depending on the width of the synthesized walls of samples. The quality of the synthesized material are studied and a few pores with sizes of 5...25 microns and 5…13 (sawtooth and U-shaped oscillation respectively) are discovered with the total pore content of 0.016% and 0.01% on the area under study. The study objective is the technological support of the quality parameters of the part synthesized by WAAM-method by controlling the shaping feedstock path depending on the geometric parameters of the part. The problem to which the paper is devoted is to identify the most optimal paths of feedstock during part synthesis while ensuring the quality parameters of the deposited layer (porosity). Conclusions: for the synthesis of wire parts by WAAM-method, it is possible to apply sawtooth and U-shaped feedstock oscillation paths with a recommended wall width of 6...20 mm, grown in the same technological cycle with oscillating feedstock path. The appropriateness of the choice of the oscillation path depends on the geometric parameters of the product. Keywords: technology, surfacing, synthesis, 3DMP, WAAM, feedstock, path, oscillation, quality.
technology, surfacing, synthesis, 3DMP, WAAM, feedstock, path, oscillation, quality
Введение
В настоящее время интенсивно развивается направление аддитивного производства наукоемких изделий. Из всего многообразия аддитивных технологий (АТ), наиболее перспективными сегодня являются технологии синтеза деталей из проволоки, которые по сравнению с порошковыми АТ обладают многократно более высокой производительностью и не имеют жестких ограничений по размерам выращиваемых изделий.
Появление 3DMP-метода (3D Metal Print – осаждение/наплавка проволоки методом электродуговой сварки (gas metal arc welding, GMA welding, GMAW), синтеза деталей создало реальную конкуренцию традиционным технологиям механической обработки даже по экономической эффективности. Такие технологии получили аббревиатуру WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing). Применение проволоки позволяет упростить предварительный процесс подготовки сырья к синтезу и ограничиться только проверкой химического состава, а также исключить процедуру по удалению порошка из внутренних полостей детали [1].
Возможно успешное применение WAAM-технологий не только самостоятельно, но и в составе гибридных аддитивно-субтрактивных или аддитивно-субтрактивно-упрочняющих технологий. [2-5]
Несмотря на родственность электродуговой сварки и 3DMP-печати, невозможно полностью полагаться на исследования сварочных процессов и не учитывать ключевые отличия реализации синтеза. Сварка деталей в большинстве случаев предполагает соединение контактирующих поверхностей по основной траектории движения исполнительного органа вдоль наплавляемой линии и дополнительных осциллирующих движений при небольшой длине шва. Синтез деталей будет обоснован только в случае создания крупных сложнопрофильных изделий с размерами до нескольких метров или мелкоразмерных деталей сложной конфигурации сплошным слоем (швом). Таким образом, синтез сложнопрофильных деталей невозможно проводить в ручном режиме, процесс должен быть автоматизирован, что накладывает определенные требования к конструкции и системам ЧПУ применяемого оборудования. В некоторых случаях синтез деталей возможен при вращении горелки (сопла), что значительно усложняет программирование роботов (или модулей станка) и создание траектории инструмента. [6]
Кроме того, применение одного и того же режима наплавки для синтеза деталей из разных металлов (алюминий, титан, сталь и т.д.) невозможен [1]. Целесообразно применение более специализированных источников тока, позволяющих работать в широком диапазоне режимов (MIG/MAG, COLD, TIG, импульсный и т.д.).
Следовательно, в вопросах применяемых режимов синтеза и формообразования на достоверные данные сварочных процессов можно полагаться частично (синтез мелкоразмерных деталей с применением пауз или небольшим количеством слоев). При синтезе более крупных деталей необходимо проведение предварительных исследований по выявлению рациональных технологических параметров наплавки.
Вне зависимости от применяемых методов синтеза ключевое значение имеет траектория движения исполнительного органа – электрода или фидстока. В результате выбора нерациональной траектории возникают погрешности формы, следовательно, увеличивается припуск на последующую механическую обработку и уменьшается коэффициент использования материала. Таким образом, одной из важнейших задач технологии 3DMP-синтеза является формообразование – формирование заданной толщины и правильного профиля стенки, выращиваемой в процессе послойной наплавки.
Кроме того, оптимальный выбор траектории формообразующих движений имеет влияние и на качество наплавляемого слоя, в частности на наличие и размеры внутренних дефектов.
Теоретические предпосылки
Предварительные исследования выбора траектории движения фидстока, позволяющей получить наиболее качественный наплавленный слой, основаны на многочисленных данных отечественных и зарубежных исследований. [1,7]
Наиболее часто в результате некорректно подобранной траектории движения исполнительного органа формируются изгиб или провисание наплавленного материала, незаполненные полости и высокая пористость [1]. Существуют несколько методик по устранению или минимизации искажений геометрической формы. Метод преобразования средней оси MAT (Medial Axis Transformation), применяется для устранения проблем с пористостью и полостями, заполняя деталь изнутри к ее границам [10-11], в то время как [13] и [14] исследовали шаблоны траекторий для создания элементов пересечения, применяя траекторию наплавки похожей на две буквы «L», соприкасающиеся друг с другом.
|
62 |
Укрупненно траектории осцилляции фидстока при сварочных процессах можно разделить на прямолинейные (типа п-образное, елочкой (пилообразное) и т.д.) и сложные (восьмерка, петлеобразное и т.д.).
Учитывая автоматизацию процесса 3DMP-печати, возможно использование траекторий осцилляции любой сложности, однако применение сложных траекторий увеличивает сложность написания программ управления траекторией перемещения фидстока, а также длительность синтеза. Кроме того, применение излишне сложных траекторий может привести к перегреву материала в области «петель». Как следствие, возможна потеря геометрической формы наплавляемой детали, что особенно важно учитывать при наплавке металлов с разной теплоемкостью и теплопроводностью.
Следовательно, целесообразно исследовать в первую очередь возможность применения наиболее простых траекторий осцилляции типа пилообразная (елочка) и п-образная.
Обе траектории можно охарактеризовать задаваемыми параметрами ширины наплавляемого слоя lсл и шагом формообразующего движения h (рис. 1). Применение пилообразной траектории, рисунок 1а, с небольшим значением lсл приведет к наслоению материала вблизи середины шва и формированию выпуклости при равномерном заполнении материалом областей вблизи края шва. При значительном увеличении ширины слоя до максимальных значений в центральной части слоя возможно формирование как наслоения так и равномерного распределения материала, что будет зависеть от параметра h. Форма краевых областей слоя также зависит от шага формообразующего движения. При минимальном шаге формируется наслоение и вблизи краев, при максимальном – незаполненные полости. Более равномерный по высоте слой формируется при средних значениях ширины наплавляемого слоя.
а) пилоообразная
б) п-образная
Рис. 1. Траектории движений осцилляции при 3DMP-синтезе
Fig. 1. Trajectories of oscillation movements during 3DMP synthesis
|
63 |
При необходимости наплавки тонкой стенки возможно применение движения наплавки без осцилляции или пилообразная траектория при значительном шаге осцилляции.
Таким образом, в зависимости от геометрических размеров наплавляемого слоя металла целесообразно применение «пилообразной» траектории осцилляции при наплавке слоя небольшой ширины, п-образной – при больших значениях ширины слоя.
Результаты
В целях поиска рациональных путей решения данной проблемы, были проведены экспериментальные исследования результатов 3DMP-синтеза с различными формообразующими траекториями движения проволочного фидстока марки Св08Г2С диаметром 1 мм на базовый элемент из проката – трубу из стали 09Г2С [8]. Результаты исследований представлены на рис. 2.
На рис. 2а, представлена наплавка без осцилляции фидстока. Такая траектория перемещения фидстока может использоваться для получения тонких стенок, а также при работе с материалами, имеющими особые технологические свойства – минимальное растекание в расплавленном состоянии. При данном способе возможны потеки материала как по образующей, так и по укладываемому шву, нарушения геометрической правильности и сплошности стенки. Причинами возникающих в процессе синтеза дефектов формообразования могут быть: нерациональные режимы наплавки, некорректно подобранные материал и геометрические параметры применяемой подложки, локальный перегрев, сопровождающийся потерей устойчивости стенки, недостаточная или отсутствующая система охлаждения.
|
|
|
|
Рис.2. Результаты и схема наплавки при различных траекториях движения фидстока (сопла сварочной горелки): а - без осцилляции; б-в - с осциллирующим движением: б - п-образным; в - пилообразным Fig.2. Results and scheme of surfacing with different trajectories of the feedstock (welding torch nozzle): a) without oscillation; b-c) with oscillating motion: b) u-shaped; c) sawtooth |
|
|
64 |
При увеличении толщины стенки (фланца) свыше 20 мм выращивание слоя за один оборот заготовки пилообразной траекторией невозможно, необходимо несколько проходов, а применение п-образной траектории осцилляции нецелесообразно вследствие быстрой кристаллизации расплава
В целях определения влияния применяемой траектории формообразующих движений на качество наплавляемого слоя проводились исследования пористости образцов, синтезированных при идентичных технологических режимах: газовая среда – смесь газов (80% Ar + 20% CO2); подача фидстока 1000 мм/мин; высота наплавляемого слоя 2,5 мм; шаг формообразующего движения 3 мм; ширина шва 16 мм; скорость подачи проволоки 4,4 м/мин.
Исследования внутренних дефектов синтезированных заготовок проводились на вырезанных в нескольких сечениях образцах с нетравленными полированными поверхностями на металлографическом оптическом микроскопе Leica DVM6A. Согласно ГОСТ Р 57556-2017 [9] для исследования пористости применялись образцы с полем зрения более 10х10мм.
В результате исследований образца, синтезированного с пилообразной траекторией осцилляции, обнаружены немногочисленные сгруппированные поры размерами 5...25 мкм, рисунок 3, а. Общая относительная площадь, занятая порами, составляет около 0,016%.
|
|
|
|
а - пилообразная |
б - п-образная |
Рис. 3. Внутренние дефекты в синтезированном образце из проволоки Св08Г2С, х200
Fig. 3. Internal defects in the synthesized Sw08G2C wire sample, x200
В результате контроля образца, синтезированного с применением п-образной траектории осцилляции, также обнаружены немногочисленные, в большинстве случаев сгруппированные, поры размерами 5...13 мкм, рисунок 3, б. Общая величина содержания пор на исследуемой площади составляет 0,01%.
Трещин, раковин несплошностей или иных внутренних дефектов синтезированного материала не обнаружено ни в одном из исследуемых образцов.
Заключение
|
65 |
В ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований выбора траектории осцилляции фидстока при синтезе образцов из проволоки марки Св08Г2С на заготовку-трубу из стали 09Г2С установлено: рекомендуемая ширина стенки, выращиваемой в одном технологическом цикле с осциллирующим движением фидстока, составляет 6...20 мм; при синтезе более широких стенок (10…20 мм) рекомендуется п-образное осциллирующее движение фидстока, для более тонких (6…12 мм) – пилообразное. При увеличении ширины стенки более 20 мм рекомендуется выращивание в несколько проходов.
Проведенные исследования качества синтезируемого материала показали наличие в синтезированных образцах немногочисленных пор размерами 5…25 мкм (пилообразное) и 5…13 мкм (п-образное) при общей величине содержания пор на исследуемой площади 0,016% и 0,01% соответственно.
Таким образом, в процессах синтеза деталей из проволоки возможно успешное применение пилообразной и п-образной траекторий осцилляции фидстока, целесообразность выбора траектории осцилляции зависит от геометрических параметров изделия.
1. Knezović N., Topić A. Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) - A New Advance in Manufacturing. 4th International Conference 4th International Conference «NEW TECHNOLOGIES NT-2018» Development and Application June 14-16. 2018 - Sarajevo, Bosnia and Herzegovina. URL: https://www.researchgate.net/publication/325092297_Wire_and_Arc_Additive_Manufacturing_WAAM_-_A_New_Advance_in_Manufacturing
2. Kirichek A.V., Fedonin O.N., Solov'ev D.L., Zhirkov A.A., Handozhko A.V., Smolencev E.V. Additivno-subtraktivnye tehnologii - effektivnyy podhod k innovacionnomu proizvodstvu. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2019;8 (81):4-10.
3. Kirichek A.V., Solov'ev D.L., Zhirkov A.A., Fedonin O.N., Fedonina S.O., Handozhko A.V. Vozmozhnosti additivno-subtraktivno-uprochnyayuschey tehnologii. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2016;4 (52):151-160.
4. Patent №2750603 C1 Rossiyskaya Federaciya, MPK B33Y 30/00 (2015.01), B23K 9/04 (2006.01), B23K 26/342 (2014.01), B23K 26/70 (2014.01), C21D 9/50 (2006.01). Ustroystvo dlya sozdaniya detaley additivno-subtraktivno-uprochnyayuschey tehnologiey : №2020129073 : zayavl. 02.09.2020 : opubl. 29.06.2021 / Kirichek A.V., Solov'ev D.L., Zhirkov A.A., Terehov M.V. - 12 s.
5. Patent №2755081 C1 Rossiyskaya Federaciya, MPK B24B 39/00 (2006.01), B23K 28/02 (2014.01), C21D 9/50 (2006.01). Ustroystvo dlya naplavki s uprochneniem volnoy deformacii : № 2020129069 zayavl. 02.09.2020 : opubl. 13.09.2021. / Kirichek A.V., Solov'ev D.L. - 11 s.
6. Williams S.W., Martina F., Addison A.C., Ding J., Pardal G., Colegrove P. Wire + arc additive manufacturing. Mater. Sci. Technol. 2015;836:1743284715Y.000.
7. Krampit A.G., Krampit N.Yu. Sposoby upravleniya formirovaniem svarnogo shva. Tehnologii i materialy. 2015;3:21-26.
8. Kirichek A.V., Sergeev A.G., Fedonina S.O. Vliyanie traektorii dvizheniya provolochnogo fidstoka na formoobrazovanie pri additivnom 3DMP-sinteze. Novye tehnologii v mashinostroenii: sb. nauch. tr. Vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konf. Voronezh, 2021. S.62-64.
9. GOST R 57556-2017 Materialy dlya additivnyh tehnologicheskih processov. Metody kontrolya i ispytaniy. M.: Standartinform, 2017. 11 s.
10. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H., Larkin N. Adaptive path planning for wire-feed additive manufacturing using medial axis transformation. J. Clean. Prod. 2016;133:942-952.
11. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. A practical path planning methodology for wire and arc additive manufacturing of thin-walled structures. Robot. Comput. Integr. Manuf. 2015;34:8-19.
12. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. A tool-path generation strategy for wire and arc additive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014;73(1-4):173-183.
13. Baufeld B., Brandl E., Van O. Der Biest. Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition. J. Mater. Process. Technol. 2011;211(6):1146-1158.
14. Venturini G., Montevecchi F., Scippa A., Campatelli G. Optimization of WAAM Deposition Patterns for T-crossing Features. Procedia CIRP. 2016:55:95-100.
