仿竹结构薄壁管设计与TIG增材成形范文

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摘要：通过对竹结构显微结构力学性能分析，设计出仿竹结构横向抗压薄壁管结构；并在保持力学性能的前提下进行该结构管简化设计。根据设计要求，在将起弧收弧缺陷控制到最小的基础之上进行焊接路径规划；通过tig焊接窄道工艺试验，得出该竹结构管薄壁所需的焊接工艺参数。最终通过TIG机器人电弧增材制造获得仿竹结构异型薄壁管。

关键词：仿竹结构；路径规划；窄道工艺；增材制造

竹子是自然界中的一种具有良好力学性能的典型生物体[1]。竹子收缩量极其小，但其却具有很高的弹性和韧性，并且其强度、弹性模量以及静曲强度是普通木材的两倍[2]。根据实验数据显示，竹子的顺纹抗压强度为74.2MPa，抗拉强度为201.7MPa，是相同尺寸钢材的1/2。若按照单位质量来衡量这些数据的话，其抗拉强度为钢材的25倍。其中力学性能较好的竹子的抗拉强度可达到530MPa，该数据相当于最好的铝合金材料，而竹子的密度为1.2g/cm3,与此同时，其细长比为1/250～1/150，这是一般结构难以达到的一个数据[3-6]。竹结构之所以具有高抗冲击、高抗压、高韧性等力学性能，关键在于毛竹薄壁中微结构的分布特点及性能特征。毛竹截面中的菱形状的维管束结构呈向圆心方向变大变稀疏的规律分布。这种规律使得毛竹在受到外力的冲击时能对冲击载荷进行分解，将载荷由表面进入后逐层进行递减，从而达到良好的抗冲击效果。其关键在于所受载荷的分解与吸收。通过对毛竹宏观力学性能和微观结构的分析与测试，可以将其特点运用于装甲中管型零件的轻量化设计。目前，只能采用轧制和无缝焊接的形式来获得内部结构较为复杂的异形管，其内部结构较为简单，可以一次成形。对于内部结构复杂的异形管，普通的机械加工手段及铸造、轧制，无法做到一次成形，需要通过多次焊接、嵌套才能获得，工序复杂。高效率、低成本地完成复杂结构件的生产是电弧增材技术的一大特征[7]。现采用电弧增材的方法，通过层层结合，不断叠加的方法成型复导结构，可以一次成形，工序更加简单，获得的零件性能更加优异，是制造复杂结构异形管和其他轻量化装甲结构的有效途径。

1TIG增材竹结构管设计及路径规划

竹子的微结构对外加载荷分解情况如图1所示。当竹结构表面受到外力作用时，该外加载荷在进入竹薄壁结构后，在维管束间隙会出现外密内疏的分布特点，当遇到一个维管束结构时便会被分解为两个力，使得外加载荷被削弱，经过多次力的分解，最终到达竹子内壁的区域。由于竹子内部是一个环形区域，力会在该区域汇合，并形成方向相反的相互作用力，从而相互抵消。这样的分布特点使得竹结构具有良好的高强度高抗压能力。针对竹壁内的微结构，根据其对外加载荷层层分解的结构特点设计出如图2所示的仿生结构截面1，由于目前的TIG电弧增材尚未到达能增材如此精细结构的能力，故根据竹纤维的特点，对改仿生结构进行简化设计得到如图3所示的仿生结构截面2、3、4。现通过路径规划和安川机器人自动焊机对竹结构截面4所示结构进行TIG增材成形，获得一个直径为100mm、高100mm的仿竹结构管，如图4所示。仿竹结构管的增材路径规划方式如图5所示。焊枪先沿着外圆方向行走，然后再沿着水平方向两个W路径各走一道，最后沿着垂直方向走4道短焊道，焊接一层完成以后通过变位机将该层整体逆时针旋转120°，并且改变其外圆行走方向，到达第三层时按第二层的做法逆时针旋转120°，再改变外圆行走方向，通过以3层为一个循环，可以将起弧点和收弧点相互重合，从而减小由起弧收弧塌陷所带来的平整度问题以及焊后缺陷问题。

2TIG增材竹结构薄壁窄道工艺试验

针对薄壁管的设计要求，对焊道进行最窄化处理，使得增材所用的焊道宽度达到最窄，从而获得薄壁管。增材所用基板为300mm×500mm×12mm304不锈钢板，所用焊丝为直径1.2mm316L氩保焊丝。控制TIG焊接电流在90～150A范围内，以10A的变化幅度来调节；堆敷速度选择从20cm/min以5mm/min的增幅提高至40cm/min，共5个堆敷因子；送丝速度为0.6、0.8、1.0、1.2m/min，进行TIG单层单道超窄焊道工艺控制变量试验。

2.1焊接电流对焊道的影响

预设送丝速度0.6m/min，保护气流量18～20L/min，焊接速度为20mm/min，焊接电流分别为90、100、110、120、130、140、150A，焊道的高度和宽度如表1所示。由表1可知随着电流的增大，焊道高度逐渐降低，焊道宽度逐渐增大；随着电流的增大，焊道表面颜色逐渐加深。当电流在90～120A之间时，热输入较小，焊道熔滴铺展不开，导致焊缝表面成形较差，焊缝余高过高，焊缝周边轮廓不平直，质量较差。当电流在120～130A之间时，焊缝表面呈现银白色和金黄色，热输入量正常，焊缝表面平滑，轮廓平直，焊缝质量较好。当电流在150A及以上时，焊道表面呈黑灰色，热输入较大，焊缝质量较差。故考虑电流应控制在120～130A之间为最佳。

2.2焊接速度对焊道的影响

预设送丝速度0.6m/min，保护气流量18～20L/min，电流为130A，焊接速度分别为20、25、30、35、40cm/min，焊道的高度和宽度如表2所示。由表2可知随着焊接速度的增加，焊道高度逐渐降低，焊道宽度逐渐降低，当焊接速度为40cm/min时焊缝宽度最窄，但焊道上表面呈圆弧状，不利于下层焊道的堆叠。焊道在焊接速度为20～30cm/min之间时，焊道质量最佳，焊道表面更为平整。针对增材应选择表面较为平整的焊道才有利于多道成形，故选择焊接速度为20～30cm/min之间为最佳。

2.3送丝速度对焊道的影响

预设焊接速度40mm/min，保护气流量18～20L/min，电流为130A，送丝速度分别为0.6、0.8、1.0、1.2m/min，焊道的高度和宽度如表3所示。由表3可知随着送丝速度的增加，焊道高度逐渐增加，焊道宽度维持在6.2～6.5mm之间。当送丝速度在0.6～0.8m/min之间时焊道饱满平滑，表面质量最佳；当送丝速度为1.0m/min时，焊接过程送丝量过大导致焊道过于饱满，焊道表面质量较差。因此，综合考虑选择焊接电流为120～130A之间，焊接速度在20～30cm/min。送丝速度在0.6～0.8m/min时，所得到的焊缝质量最佳，在考虑多道多层平整度的前提下焊道宽度最窄可达到6mm～8mm之间。

3TIG增材竹节构管增材成形

通过路径规划与TIG机器人自动堆敷增材得到如图6所示仿竹结构薄壁异型管。异型管高100mm，直径100mm，内圈六边形结构及周边短焊道结构长度30mm，壁厚6.5mm。焊后上表面平整，无塌陷，圆管外侧圆滑光亮，无多余飞溅气孔夹渣，焊道与焊道衔接处无明显起弧与收弧缺陷。通过分析，该结构管可在圆形管基础上提高抗压强度及抗拉强度，其内部仿纤维结构加强筋设计可有效提高圆管在外力作用时其横向的抗压强度。

4结论

（1）通过对竹结构中微结构显微组织观察分析，得出竹结构内纤维结构具有对外加载荷进行分级分解与相互抵消的特点，使竹结构在径向具有良好的抗压抗冲击特性。（2）根据薄壁管的要求，对焊道进行TIG单层单道超窄焊道工艺试验，通过焊接电流、焊接速度与送丝速度和焊接成形的关系，得出当焊接电流为120～130A之间，焊接速度在20～30cm/min，送丝速度在0.6～0.8m/min时，所得到的焊缝质量最佳，在考虑多道多层平整度的前提下焊道宽度最窄可达到6～8mm之间。（3）通过TIG增材堆敷成形得到高100mm，直径100mm，内圈六边形结构及周边短焊道结构长度30mm，壁厚6.5mm的异型管结构。焊后上表面平整，无塌陷，圆管外侧圆滑光亮，无多余飞溅气孔夹渣，焊道与焊道衔接处无明显起弧与收弧缺陷。

参考文献：

[1]胡巧玲，钱秀珍，李保强，等．原位沉析法制备壳聚糠棒材的研究[J]．高等学校化学学报，2003，24(3)：528-531．

[2]李世红，付绍云．竹子一种天然的生物复合材料的研究[J].材料研究学报，1994，8(2)：188-192．

[3]温变英．自然界中的梯度材料及其仿生研究[J]．材料导报，2008，22（6）：351-356.

作者：陈涵 周琦 单位：南京理工大学