交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊(CMT)的焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點，而且熱輸入量進一步降低，在進行薄壁增材制造時，既可顯著消除氣孔，又可細化晶粒，將力學性能提升到媲美鍛造構件的水平，在金屬復雜構件成形的成本、效率和質量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領域具有發(fā)展前景的技術。文章介紹了基于交流冷金屬過渡焊接技術(VP-CMT)設計的增材制造實驗項目，針對鋁合金復雜構件的增材制造成形開展參數設計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質量檢驗等實踐環(huán)節(jié)，將工程材料、金屬焊接、機器人應用等多學科知識融合到工程實踐活動，不僅有利于加深對增材制造技術原理和實施過程的理解，還有利于培養(yǎng)工程綜合應用能力。該實驗緊跟科技發(fā)展新方向，對豐富工程訓練內容和提升工程訓練技術水平具有現實意義和借鑒價值。

近年來，增材制造技術得到快速發(fā)展，實現了不同材料和工藝的結合，廣泛應用于航空、航天、電子、汽車、能源、交通、軍工、醫(yī)療等各個領域。金屬材料增材制造一般使用高能束流或電弧作為熱源，其中電弧增材制造技術因其低成本優(yōu)勢，在金屬零件快速成形領域得到了較快發(fā)展[1，2]。目前應用比較廣泛的電弧增材制造技術包括：非熔化極氣體保護焊(Gas Tungsten Arc Welding，GTAW)[3，4]、熔化極氣體保護焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)[5]、等離子弧焊(Plasma-Arc Welding，PAW)[6，7]、冷金屬過渡焊(Cold Metal Transfer，CMT)[8，9]以及交流冷金屬過渡焊(Variable Polarity-Cold Metal Transfer，VP-CMT)[10]等。其中交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)既具有冷金屬過渡焊(CMT)的無飛濺、焊速快、熱輸入量低等優(yōu)點，同時又引入變極性交流電模式，使焊接過程中的熱量分布更合理，基材收到的熱輸入量進一步降低，在金屬復雜構件成形的成本、效率和質量等方面具有明顯優(yōu)勢，是增材制造領域具有發(fā)展前景的技術[11]。

本實驗基于交流冷金屬過渡焊(VP-CMT)技術原理和設備系統(tǒng)，以鋁合金復雜構件成形為例，通過參數設計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形、質量檢驗等環(huán)節(jié)，深入學習并親身體驗增材制造的技術原理和實施過程，有利于開闊視野，提高對現代制造技術的興趣，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新意識。本實驗具有系統(tǒng)性和綜合性特點，適用于工程訓練課程體系的工程綜合訓練層次[12]。

實驗原理

冷金屬過渡焊(CMT)是以短路過渡為基礎的改進型熔化極氣體保護焊，其獨特之處在于在熔滴過渡過程中利用前后兩套焊絲抽送機構使焊絲的輸送過程不連續(xù)。如圖1所示，(a)焊絲電弧引燃，熔滴向熔池過渡，這個階段與傳統(tǒng)MIG焊相同；(b)在熔滴進入熔池瞬間，電弧熄滅，電流減少；(c)電流短路，焊絲開始回抽促進熔滴脫落，電流趨近于零，熔滴順利過渡到熔池；(d)焊絲電弧繼續(xù)燃燒，熔滴向熔池過渡。這個焊接過程重復循環(huán)。

VP-CMT技術是將交流MIG/MAG技術應用到CMT技術上，通過增加負脈沖使過渡階段由單一的可調正極性脈沖階段(Electrode Positive Stage，EP)變?yōu)檎龢O性脈沖階段和負極性脈沖階段(ElectrodeNegative Stage，EN)兩個階段，焊接過程中電流電壓波形如圖2所示[14]。VP-CMT不但繼承了直流CMT焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等特點，而且熱輸入量進一步降低，在進行薄壁增材制造時，既可顯著消除氣孔，又可細化晶粒，將力學性能提升到媲美鍛造構件的水平[15]。

實驗裝置和方法

實驗使用的VP-CMT增材制造系統(tǒng)包括機器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)兩個部分，焊絲材料采用鋁鎂合金絲，實驗過程中采用氬氣對焊接熔池進行保護。

機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)采用德國KUKA公司的KR6-2型6軸機器人和KRC4控制柜，如圖3所示。機器人系統(tǒng)自重235 kg，重復精度±0.05 mm，最大作用范圍1611 mm，可用于大型零件的焊接加工及增材制造。KRC4控制柜采用軟件伺服控制，管理著機器人運動所需的各個功能，包括I/O軌道規(guī)劃管理、數據與文件管理、多軸/復合系統(tǒng)控制、最佳加速/減速控制、減震控制、軌跡恒定控制以及碰撞監(jiān)控等。另外，系統(tǒng)還配備了KUKA機器人語言編程系統(tǒng)，包括Workvisual軟件和SmartPad示教器，可實現離線編程或在線編程。

焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)由Austria Fronius公司提供，包括CMTAdvanced 4000R全數字化交流焊接電源、VR7000-CMT 4R/G/W/F++送絲機以及CMT W推拉絲馬達。馬達以70~130 Hz的頻率正反轉，與送絲機協(xié)同以確保焊絲可在高頻雙向運動中保持恒定的接觸壓力和送絲距離，可輸出直流、脈沖和交流電波形，進行包括CMT、CMT+脈沖、VP-CMT、VP-CMT+脈沖等焊接工藝。焊接系統(tǒng)還配有焊機遙控裝置RCU5000i對焊接過程參數進行調控。

實驗材料

實驗選用直徑為1.2 mm的ER5183鋁鎂合金絲為增材制造的焊絲材料，該材料塑韌性好、強度高、耐蝕性好?；暹x用5083鋁合金板，針對復雜構件成形特點，基板尺寸長×寬×厚選定為150 mm×150 mm×10 mm。焊絲和基板的化學成分見表1和表2。

VP-CMT實驗方法

為避免基板表面的油污、氧化膜或水分等對成形過程及構件組織造成影響，實驗前需清除基板表面的油污與雜質，用砂紙打磨后用酒精清洗，并用無塵布將基板表面擦拭干凈。在實驗過程中采用純度大于99.99%的氬氣對焊接熔池進行保護。實驗選用VP-CMT模式，將焊接過程分解為引弧、引弧等待、焊接、熄弧等待、熄弧等五個階段，并在RCU5000i里選擇符合焊絲材料和構件尺寸的專家數據庫和對應的job號。基本工藝參數如表3所示，其中干伸長度為焊絲尖端與導電嘴的距離。

實驗步驟與結果分析

實驗的基本流程包括參數設計、三維建模、路徑規(guī)劃與編程、策略優(yōu)化、打印成形等，如圖4所示。

參數設計

增材制造的工藝參數對構件的成形精度和組織性能具有直接影響。實驗前要熟知VP-CMT技術原理，理解各參數的含義，并懂得各參數對成形過程和構件組織性能的影響規(guī)律，進而對參數進行恰當的選擇和設計。依據焊絲材料和構件尺寸在RCU5000i專家數據庫里選擇參數范圍，確定相對最優(yōu)的工藝參數。為保證成形良好，為上層堆積打下良好基礎，第一層成形使用脈沖模式打底，其送絲速度取6.0 m/min，Pulse=1，后續(xù)過程中參數則取為VP-CMT初始參數，如表4。

三維建模

三維模型是增材制造過程的基本依據，可以采用當前比較主流的3D模型設計軟件構建模型，也可以直接使用標準模型樣例進行實驗。本實驗的標準模型樣例是一個雙層空心圓柱結構(圖5)，兩個圓柱體中間有波浪形花紋，圓柱體直徑自下而上逐漸變大。構件的所有壁體設置為雙層壁體結構，即每一層壁體由兩道焊縫組成。

路徑規(guī)劃與編程

路徑是指構件成形過程中焊絲堆積的運行軌跡，事關成形過程是否順利、成形精度是否適中，需要根據構件的幾何形狀和尺寸具體確定。以圖5所示標準模型為例，由于組成構件的三個部分(內圓、外圓、波浪花紋)彼此連接但又相對獨立，所以每一層成形均按照“小圓、大圓、波浪花紋”的順序進行分步堆積。為了避免相鄰層的起弧點和熄弧點重疊導致構件變形，設定每堆積完一層后焊絲頭位置逆時針偏轉90°作為下一層的起弧點，這樣堆積四層即為一個起弧周期?？紤]到雙層焊縫壁體結構，將X軸、Y軸變量設定為一個焊縫寬，而焊槍角度則保持與基板平面垂直。

路徑規(guī)劃完畢后，需要根據路徑規(guī)劃思想進行編程，以便形成機器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)可以識別和執(zhí)行的指令?；?/span>SmartPad示教器進行運動指令編寫，基于Workvisual軟件進行邏輯指令編寫，操作界面如圖6所示。KUKA機器人的開源性使得其在編程過程中對函數的使用更加便利。

策略優(yōu)化

策略優(yōu)化是指按照路徑規(guī)劃與編程結果實施增材制造過程，觀察和檢驗成形過程及構件質量，依據存在的問題對成形路徑和參數進行迭代改進的過程，這個環(huán)節(jié)可以重復多次。以圖5所示標準模型為例，按照規(guī)劃的路徑實施成形過程，成形過程在底層比較順利，然而當堆積到第四層時，波浪花紋高度明顯高出內外圓柱，這種同層高度不均勻性導致焊槍與堆積層的距離不穩(wěn)定，進而引起電弧不穩(wěn)甚至斷弧，使得成形過程無法順利進行。針對這個現象進行原因分析后修改堆積策略，將“小圓、大圓、波浪花紋”這個堆積順序修改為“小圓、波浪花紋、大圓”，同時考慮到每一部分的散熱速度不同，在更改堆積策略的同時也對參數進行了調整，將三部分一樣的初始參數修改為三部分有所不同。將大圓的送絲速度調整為7.2 m/min以減小其熱輸入量，波浪花紋成形時將EP/EN Balance的值調整為2.5，改變能量分配以進一步降低波浪花紋高度。培訓實驗中，在這個環(huán)節(jié)要仔細針對問題分析原因，然后做出合理的路徑優(yōu)化和參數修正。

打印成形

經過路徑規(guī)劃與編程以及策略優(yōu)化，采用優(yōu)化后的路徑和參數完成3D打印成形過程。本步驟以優(yōu)化的路徑和參數對標準模型進行了3D打印成形，成形過程順利，構件外形完整，表面平滑，基本符合三維模型的設計要求，如圖7所示。

結果分析

實驗結果分析內容包括外觀檢查、表面粗糙度檢測和表面硬度檢測等。外觀檢查是用目視、尺量和觸摸的方式檢查構件外觀，檢查其是否符合三維模型設計的外形和尺寸要求，表面是否有缺陷，各部分的銜接是否完好等。表面粗糙度檢測則由LEXTOLS4100 3D測量激光共聚焦顯微鏡對可觀測外表面尤其是側面進行表征。表面硬度檢測則用手持硬度測量儀對成品表面進行硬度測量，每個點測量三次，取三次測量值的平均值。

結束語

實驗設計以實體產品為載體，將工程材料、三維建模、金屬焊接、機器人應用、3D打印等多學科基礎知識和專業(yè)知識融合到工程實踐，以加深對增材制造的理解；通過針對典型產品的構思、設計、制作和檢驗等環(huán)節(jié)培養(yǎng)工程綜合能力，包括專業(yè)知識綜合應用、多學科團隊合作與溝通、圖形構建與編程、工藝規(guī)劃與實施、問題排除與修正等；本實驗結合科學研究成果，緊跟科技發(fā)展新方向，既豐富了工程訓練內容，又提升了工程訓練技術水平，對工程訓練資源的開發(fā)與更新具有借鑒意義。

文章來源——金屬世界