大型鋼結構多向鋼節點電弧增材制造工藝

汪陽，余圣甫，權利，汪能，陳勝元

（1.華中科技大學，材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430000；2.湖北鴻路鋼結構有限公司，湖北 黃岡 438800）

0 前言

多向鋼節點是機場、火車站等標志性鋼結構建筑的關鍵結構件，由不同方向、不同直徑的鋼管相貫交互形成，承載鋼結構不同方向的力，要求制備的多向鋼節點有高的精度和成形質量，保鋼結構建筑的安全性，形成不同風格的造型[1-3]。目前，多向鋼節點制造主要有2 種方式：焊接和鑄造[4]。由于焊接多向鋼節點易出現局部區域應力集中和焊接變形等；鑄造多向鋼節點在相貫處易出現縮孔、縮松等缺陷，造成鑄造多向鋼節點的成本高[5-6]。傳統制造不能滿足多向鋼節點的發展需求，需采用其他方法實現多向鋼節點高精度和高性能成形。

電弧增材制造將電弧作為熱源，熔化金屬絲材實現堆積成形，通過離散分層切片和多層多道堆積來成形復雜金屬構件、成形精度高，是制造多向鋼節點的有效方法[7-8]。Dai 等學者[9]研究了鋼結構建筑十向鋼節點的電弧增材制造工藝，鋼節點成形尺寸誤差在±1.5 mm，抗拉強度相比于鑄造鋼節點提高12.4%，20 ℃沖擊韌性提高了100%。He 等學者[10]研究了電弧增材制造螺旋槳的工藝，利用平面切片和偏置填充方式制備輪轂，葉片部分用圓柱軸向填充和圓柱周向填充形成，整體誤差在±1.6 mm，螺旋槳的力學性能顯著高于鑄造制備的螺旋槳構件。然而，上述路徑規劃均為多道次搭接，容易產生尺寸誤差和缺陷，影響構件的力學性能。

針對多道次搭接產生的精度問題，Aldalur 等學者[11]對比了偏置路徑掃描和擺動路徑掃描對成形直臂構件的影響，發現擺動掃描填充節省大量時間，提高成形效率且構件無缺陷。Xu 等學者[12]研究了擺動電弧對鋼的表面質量、微觀組織的影響，發現焊槍擺動的方式保證了熔池較小的潤濕角和大的寬高比，有利于沉積層較完美的熔合。Ma 等學者[13]研究了擺動掃描對鋁合金構件的影響，發現鋁合金產品表面質量有較大提高。

基于七向鋼節點對成形精度和質量性能的要求，利用擺動電弧增材制造技術，基于七向鋼節點結構特點，采用分區成形、平面切片及擺動與偏置填充的路徑規劃方法成形多向鋼節點，并對其成形精度、微觀組織和力學性能進行了觀測和分析。

1 試驗材料與設備

試驗所用基板為Q345 號鋼板，尺寸為500 mm ×500 mm × 20 mm，絲材為WH50-6 低合金鋼，直徑為1.2 mm，絲材化學成分見表1。電弧增材制造平臺由KUKA KR30-3HA 型機器人、VR7000-CMT Fronius 冷金屬過渡（CMT）電弧焊接熱源和變位機組成。

表1 WH50-6 絲材化學成分（質量分數，%）

焊接電流為160～200 A，電弧電壓為50～80 V，弧焊槍移動速度5～8 mm/s，保護氣體為純CO2。增材制造過程中，使用Powerscan 3D 掃描儀對堆積層進行三維測量，得到相應的輪廓點云文件包。使用Geomagic Studio 對采集的點云數據進行分析和3D 比較。在增材制造多向鋼節點上取力學性能試樣，測試抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等，用光學顯微鏡分析微觀組織。力學試驗在室溫下進行，應變速率為10-3s-1。金相試樣采用體積比為1∶24 的硝酸酒精溶液進行蝕刻，以便在光學顯微鏡下進行微觀組織的觀測。直壁試樣構件以及拉伸試樣和金相試樣的模型、尺寸如圖1 所示。

圖1 拉伸試樣和金相試樣采樣位置和標準尺寸

2 多向鋼節點成形策略

2.1 七向鋼節點建模與分區

七向鋼節點的實體三維模型與各個管件中心軸之間的位置關系如圖2(a)所示。1 號為主管，2 號～8 號為支管。其中，主管1、錐形管7、支管8 為七向鋼節點的基礎，在成形時并不會涉及管管相貫結構，因此，在測量時并不存在相交相貫。其余各管軸線的空間位置關系如圖2(c)所示，他們軸線之間的相對位置關系列于表2。

圖2 七向鋼節點模型、相貫類型及各管軸線空間位置關系示意圖

表2 七向鋼節點構件的尺寸與空間關系

為了實現七向鋼節點的高質量、高精度成形，應在成形過程中設定成形順序來降低各個支管相貫空間曲面結構的復雜性，降低成形難度，即盡量增加兩管相貫管件的成形數量。通過對各個管件的相貫空間曲面結構的分析，分析結果如圖3 所示。結合圖中的模型特點和相貫曲面結構特點，可以確定所有8 個管件的成形順序依次如下：先成形主管1 作為所有支管件成形的基礎；接著以主管1 為基礎，在主管上堆積成形主體部分，即依次成形管7、管8；然后在主管上堆積成形兩管相貫結構，即依次成形管2、管3、管4；隨后在成形多管相貫結構，即依次成形管5、管6，最后依次成形各支管延長部分。

圖3 相貫區各支管的成形結構和相貫曲面

2.2 七向鋼節點分層切片及路徑規劃

對七向鋼節點各個區域進行分層切片。對于主管1、錐形管7 和支管8，采用等厚平面分層切片進行離散分層，采用擺動電弧增材制造工藝成形主管部分，切片方向為支管軸線方向如圖4(a)所示，擺動路徑和圖4(b)相同。在擺動掃描填充過程，為了減少制造成品的起弧熄弧端點高度不一致的情況，同時也為了解決翹曲變形和應力不集中的問題，每一層的起弧點相對于上一層起弧點偏轉一定的角度，分別設置6 個起弧點和熄弧點，即相鄰起弧點之間的角度為60°。

圖4 主管1 分層切片及路徑規劃

支管相貫結構基于相貫管個數，將其分為管2、管3、管4 所在的左相貫區域和管5、管6 所在的右相貫區域兩部分如圖5(a)所示。圖5(b)和圖5(c)分別是左相貫區域和右相貫區域的圓柱面切片示意圖。切片方向分別沿著3 管和6 管的軸線方向。

圖5 七向鋼節點相貫區域及切片示意圖

圓柱面切片算法如下，在切片程序完成所有的相交點計算之后，切片輪廓主要分為2 步構成：①連接切片過程中圓柱面與三角形相交得到的交點，形成封閉的輪廓線；②通過各數據點之間的空間拓撲關系，相鄰的2 個三角面片共一個邊，根據三角面片共邊關系依次獲取輪廓點，并將他們連接起來。在此過程中，圓柱表面切片得到的打印路徑按照以下的步驟進行實現。

步驟1：定義圓柱切片表面。圓柱表面的軸線即為各分支圓柱的軸線，圓柱面的半徑則是由切片高度所決定。

步驟2：確定圓柱切片表面與導出的STL 文件中各三角形塊的相對位置關系。三角形面片和基于二叉樹的點、線、面之間的拓撲關系存儲于整個STL模型中。并且可以通過被定義的三角形面之間的關系，進行任意三角形的相鄰三角形面的定位。并且對這些定位的相對位置關系進行排序。切片方向矢量與軸向共線時，記錄該三角形三個頂點的坐標信息，并且將它們按照Zmin進行分類。當Zmin相同的時候，Zmax小的置于前面的位置。當這些分類排序工作結束之后，路徑確定過程開始。

步驟3：確定三角形面片與圓柱面的交點。如圖6 所示，假設PP1是頂點P 對于線段OO1的垂足，OO1為半徑R，設A，B，O，O1的坐標分別為：(XA,YA,ZA)，(XB,YB,ZB)，(XO,YO,ZO)，(Xe,Ye,Ze)，則：AB=(XB-XA,YB-YA,ZB-ZA)；OO1=(Xe-XO,Ye-YO,Ze-ZO)。由于P 是在線段AB 之上，故P=[X1+t× (XB-XA)，Y1+t× (YB-YA)，Z1+t× (ZB-ZA)] 。PO=[X1+t× (XB-XA)-XO,Y1+t× (YB-YA) -YO,Z1+t× (ZB-ZA) -ZO]。

圖6 圓柱切片面與三角形面片相交的模型圖及相交示意圖

可以通過上述 cosφ 和 sinφ的值，進一步確定參數t的值，最終可得到P 點的坐標。按照這樣的方法，每一個三角形面片與切片柱面的交點都可以求出。在圓柱切片面與三角形面片相交的過程中，有2 種非常例外的情況。當出現圖6(b)（左圖）的情況時，即：三角形面片與圓柱切片面只有一個交點，切片程序將該點存儲起來；另一種情況如圖6(b)（右圖）所示，三角形面片的一邊在截面之上，此時，應該忽視掉該三角形面片的邊，將面片的另外兩邊存儲于動態點的集合中。

步驟4：前面3 個步驟完成之后，按照順序連接這些相交的點，最終形成外部輪廓打印路徑。

圖7 為七向鋼節點相貫區域左半部分的切片示意圖。以主管1 的圓柱面為切片的起始面，對相貫區域左半部分進行切片，相鄰切片層之間的間隔高度為3 mm，其中圖7(a)～圖7(d)為不同情形下的切片模型圖，圖7(e)～圖7(h)則分別是這7 種切片情況下對應的外輪廓線。每一切片層獲得的圓柱切片面與相貫區域左半部分之間的交線即為當前切片層的外輪廓線，外部輪廓線包圍的區域則為當前層所需要填充的內部區域，該區域采用直線偏置。圖8 為七向鋼節點相貫區域右半部分的切片示意圖。圖8(a)～圖8(d)為相貫區域右半部分在切片過程中可能出現的情形，圖8(e)～圖8(h)為對應切片所截得的外部輪廓線。

圖7 七向鋼節點相貫區域左半部分的切片示意圖

圖8 七向鋼節點相貫區域右半部分的切片示意圖

各支管延長部分，所采用的方式是先實現外內部輪廓的成形，然后內部擺動填充。其中，支管2 延長部分成形時，翻轉角度和旋轉角度分別是E1=135°，E2=0°，成形示意圖如圖9 所示；支管3 延長部分成形時，調整翻轉角度和旋轉角度為E1=90°，E2=0°；支管4 延長部分成形時，E1=45°，E2=0°；支管5 延長部分成形時，E1=90°，E2=45°；支管6 延長部分成形時，E1=125°，E2=40°。

圖9 制造各支管直壁圓筒區的位置示意圖

3 七向鋼節點增材制造

主管區域A 為圓管，其成形矢量方向為（0,0,1），成形主管的示意圖如圖10(a)所示，此時變位機翻轉角度E1和旋轉角度E2均保持初始位置E1=E2=0。左相貫區域為3 個支管與主管相交的部分，成形方向矢量為（1,0,0），此時E1=90°，E2=0°，左相貫區域的示意圖及實物圖如圖10(b)所示。右相貫區域為支管5、支管6 與主管和支管2、支管3、支管4 的相貫部分，成形過程E1=90°，E2=45°，成形示意圖和實物圖如圖10(c)所示。

圖10 七向鋼節點分區示意圖

各部分區域成形過程中的工藝參數見表3?？紤]到各支管的壁厚不同，在增材制造各向支管過程中擺動的幅度也不相同，主管1、管8 擺動幅度為5.5 mm，機器人擺動速度為2 mm/s；最終形成壁厚15 mm；支管2 和支管3 擺動幅度為3.5 mm；機器人移動速度為3 mm/s。支管4 擺動幅度為2.8 mm，機器人移動速度為3 mm/s；支管5 和支管6 的壁厚較小，采用單道圓周掃描成形即可，掃描速度為5 mm/s。而在制造錐形管7 的過程中，采用的是雙擺動方式，內外擺動幅度均為3 mm，內外擺動成形寬度均為10 mm，重疊部分的寬度為5 mm，最終成形的寬度為15 mm，圖11 是整個增材過程沉積制造的完整構件。

圖11 電弧增材制造七向鋼節點構件實物圖

表3 制造七向鋼節點過程工藝參數

將七向鋼節點堆積完成后，首先利用三維掃描儀獲取構件各局部區域的點云數據，將這些點云數據進行導入到Geomagic Studio 軟件進行拼合連接得到鋼節點的整體掃描模型。并將原UG 模型和拼合后的掃描模型導入到Geomagic Qualify 軟件進行3D 對比，以此驗證制造的精度。該七向鋼節點構件精度的測量結果如圖12 所示。結果顯示，主管部分尺寸偏差在±1.23 mm；圓錐形管的尺寸偏差范圍為±1.24 mm；各支管尺寸偏差為±1.5 mm；經計算，七向鋼節點構件的整體尺寸偏差為±1.32 mm，滿足尺寸的精度要求。

圖12 七向鋼節點構件的精度測量結果

電弧增材制造堆積試樣的所提取的3 塊金相試樣的光學顯微組織形貌如圖13 所示。從圖中可以看出，在該工藝參數條件下，堆積金屬樣塊的顯微結構中展示為條狀鐵素體，沒有觀測到裂紋和孔洞的產生，各處的組織形貌基本一致。

圖13 七向鋼節點構件光學顯微組織

試驗所取的宏觀拉伸試樣如圖14 所示。拉伸試驗測出的力學性能結果見表4。從表中可知，堆積金屬橫向樣品的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率分別是512 MPa，410 MPa，25%；縱向樣塊的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別是518 MPa，416 MPa，24%；由此可得堆積金屬具有較高的抗拉強度和抗塑性變形能力。相對于傳統鑄造方式而言，電弧增材制造技術制造多管相貫鋼節點的性能有著較大的提升；沿堆積方向和垂直于堆積方向的制造鋼節點力學性能基本相同，這與前面所述的相近的顯微組織結構相呼應，該制造結果滿足七向鋼節點構件的使用要求。

圖14 拉伸試樣

表4 堆積的七向鋼節點構件的力學性能

4 結論

（1）該構件一共可分為8 個區域，其分別對應主管區域1、各支管延長區域2～6 及圓錐管區域7 和頂部圓管區域8。制造順序則是：首先成形主管1，錐形管區域7 和頂部圓管區域8、而后成形相貫區域，接著成形各支管延長區域2～6。

（2）主管區域采用擺動填充工藝、頂部圓管區域；各支管延長區則是采用先成形內外輪廓再采用擺動進行輪廓內部填充；相貫部分采用的是圓柱切片面進行切片，先對外輪廓進行成形，而后內部采用直線偏置方式進行填充。

（3）通過電弧增材制造的七向鋼節點構件的整體尺寸偏差為±1.32 mm，成形精度較高，符合實際使用要求。

（4）光學顯微組織顯示出條狀鐵素體組織。堆積金屬的橫向抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別是512 MPa，410 MPa，25%；縱向樣塊拉伸強度、屈服強度、斷后伸長率分別是518 MPa，416 MPa，24%；相對傳統鑄造方式制備的構件，電弧增材技術制造多向剛節點構件的力學性能有較大提升，具有較好的承載性能，能滿足實際使用要求。