Полный текст

ведение

Аддитивное производство – это технология, позволяющая создавать объекты сложной формы, путём последовательного нанесения слоёв материала [1, 2, 3]. Одним из перспективных направлений в данной области является прямое дуговое выращивание (ПДВ). ПДВ – это технология аддитивного производства, в которой в качестве источника энергии для плавления присадочного материала используется электрическая дуга [4]. В качестве присадки как правило используется сварочная проволока различного сечения и диаметра, за счет чего достигается высокий коэффициент использования материала. Также важным преимуществом данной технологии является высокая производительность процесса и низкая стоимость проволочных материалов [5]. За счёт применения бионического дизайна и топологической оптимизации происходит уменьшение массы заготовки, что в последующем может привести к улучшению эксплуатационных свойств изделия. Поэтому внедрение технологии ПДВ в производственный цикл изделий может существенно снизить материальные и временные затраты [6]. Например, авиакомпания S7 Airlines давно использует WAAM в создании крупногабаритных изделий для аэрокосмической отрасли. В их работе представлена часть днища топливного бака диаметром 850 мм, выращенная из алюминиевого сплава [7]. Также с целью получения эффективного метода производства, было проведено сравнение между разными технологиями изготовления кольца днища бака. Сравнивалось фрезерование и технология прямого дугового выращивания. Результаты показали, что ПДВ значительно сокращает количество отходов, что значительно увеличивает коэффициент использования материала. Таким образом можно сделать вывод, что технология прямого дугового выращивания имеет больше преимуществ по сравнению с традиционными методами производства. Другой компанией, развивающей технологию прямого дугового выращивания, является «Relativity Space». Их основной сферой деятельности является популяризация коммерческих полетов в космос [8]. Для этого на своих производственных мощностях ими были спроектированы и произведены собственные ракеты-носители, часть компонентов которых были изготовлены из алюминиевых сплавов с применением технологии ПДВ. В марте 2023 года был произведен первый запуск носителя «Terran-1». В ходе полета была преодолена линия Кармана (100 км над уровнем моря), что сделало «Terran-1» первой ракетой, изготовленной с помощью аддитивных технологий и достигшей космоса. Другим примером, использующим технологию прямого дугового выращивания является компания MetalWorm [9]. Они являются ведущими производителями, специализирующимся на изготовлении сосудов под высоким давлением. Производитель вырастил сосуд диаметром 300 мм и высотой 495 мм, в качестве присадочного материала они использовали проволоку ER 5356 Специалисты MetalWorm считают, что внедрение технологии WAAM принесло несколько важных преимуществ в процесс производства сосудов под давлением. Устраняя необходимость в большом количестве инструментов и сводя к минимуму требования к механической обработке, можно значительно сократить сроки производства. Время на выращивание всего сосуда составило 8,5 часов, что позволило оптимизировать сроки проекта. Более того, сокращение отходов материала и эффективность процесса прямого дугового выращивания привели к существенной экономии затрат. Также активным развитием технологии прямого дугового выращивания занимается компания MX3D [10]. Данная компания занимается не только разработкой технологии, но также производит свои комплексы для ее реализации. Одним из наиболее популярных проектов компании является мост, изготовленный с помощью технологии ПДВ и установленный на одном из каналов Амстердама Также специалистами данной компании была изготовлена рама велосипеда из алюминиевого сплава. Таким образом можно сделать вывод что в современном машиностроении значительно увеличился спрос на технологию прямого дугового выращивания в связи с этим появляется большое количество компаний, производящих оборудование для ее реализации. Как правило, технологические комплексы включают в себя сварочный источник и какую-либо систему перемещения рабочего инструмента и заготовки. В качестве манипулятора могут использоваться портальные системы или различные промышленные роботы в совокупности с позиционерами. Промышленные роботы представляют собой устройства, перемещающееся по заданной траектории во время производственного процесса. Их прямое назначение заключается в выполнении определённых операций под контролем оператора или без его участия. По назначению промышленных роботов подразделяют на несколько типов: универсальные, выполняющие различные виды операций и специализированные, эти роботы были созданы для осуществления одного вида деятельности таких как сборка, резка, сварка и т.д. Принцип работы сварочного робота зависит от типа его конструкции. В основном все эти механизмы имеют подвижную руку со сварочной горелкой на конце. Для соединения горелки с фланцем робота используют специальную оснастку. В основном её изготавливают из алюминиевых сплавов, чтобы обеспечить всю конструкцию жёсткостью и не превысить максимально допустимую нагрузку. Создание оснастки с помощью аддитивных технологий, широко распространяется в современном машиностроении.

Таким образом в рамках данной работы была выполнена цель по разработке и изготовлению крепления горелке к фланцу робота, с применением технологии прямого дугового выращивания.

1                    Оборудование и материалы

Для выращивания компонентов узла крепления использовалась алюминиевая проволока из сплава АМг5. В качестве подложки использовался лист толщиной 10 мм. Химический состав проволоки приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав проволоки СвАМг5 по ГОСТ 7871-2019 [11]

Элемент	Al	Mg	Mn	Ti	Be	Fe	Si	Zn	Cu
Содержание, %	ост.	4,8-5,8	0,5-0,8	0,1-0,2	0,002-0,005	<0,4	<0,4	<0,2	<0,05

Для защиты рабочей зоны использовался аргон высокой чистоты (ВЧ) по ГОСТ 10157-2016 [12].

Выращивание отдельных компонентов крепления производилось на макете электродугового выращивания. Внешний вид макета представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Внешний вид макета электродугового выращивания

Перечень оборудования, входящего в макет, представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Перечень оборудования, входящего в макет электродугового выращивания.

Обозначение	Наименование
Сварочный источник	Fronius TPS500i
Устройство подачи проволоки	Fronius WF 25i
Горелка сварочная	Fronius 400I PM CMT
Чиллер	Fronius CU 1100i
Робот-манипулятор	Fronius M-710iC
Позиционер	Fanuc 2-Axis Positioner
Контроллер	Fanuc R-30iB Plus

В качестве рабочего инструмента использовалась ручная горелка Fronius 400I PM CMT (рисунок 2). Данное устройство не предназначено для использования в прямом дуговом выращивании так как оно изготовлено для ручной сварки, однако из-за отсутствия других альтернатив в виде приобретения роботизированной сварочной горелки, появляется необходимость в создании узла крепления для имеющегося оборудования. Также сварочная горелка имеет функцию холодного переноса металла Cold Metal Transfer (СMT). Основной принцип данной технологии заключается в принудительном отделении капли за счёт возвратно поступательного движения присадочной проволоки.

 

                                     Рисунок 2 – Сварочная горелка Fronius 400I PM CMT.

2                    Отработка технологии

2.1              Подбор параметров режимов выращивания, проведение металлографических испытаний

В ходе исследования процесса прямого дугового выращивания была установлена область, ограниченная двумя режимами (c низким и высоким тепловложением), обеспечивающими стабильное формирование. Подбор параметров производился путем варьирования сварочного тока при этом значение скорости перемещения рабочего инструмента не изменялось и равнялось 15 мм/с.

В рамках эксперимента по подбору режима были наплавлены единичные валики длинной 100 мм. В качестве начальной точки было взято значение сварочного тока равное 20 А (рисунок 3). Далее данный параметр увеличивался с шагом 20 А. После наплавки производилась визуальная оценка полученных валиков, а также измерение ширины и высоты. Результаты измерений представлены в таблице 3.

а)	б)	в)	г)	д)	е)	ж)
Рисунок 3 – Единичные валики: а – 20 А, б – 40 А, в – 60 А, г – 80 А, д – 100 А, е – 120 А, ж – 140 А

Таблица 3 – Результаты измерений единичных валиков

Сварочный ток, А	Средняя ширина, мм	Средняя высота, мм
20	-	-
40	-	-
60	2,64	1,06
80	3,35	1,27
100	4,12	1,58
120	5,03	1,74
140	5,88	1,87
160	6,1	1,96

Из-за низкого тепловложения валики со значениями сварочного тока 20 и 40 А не имели стабильного формирования.

Далее для подбора режима выращивания были наплавлены стенки длиной 100 мм и высотой 10 слоев. Значение сварочного варьировалось в такой же последовательности, как и для единичных валиков. На основании полученных результатов было установлено, что наилучшее формирование достигается в диапазоне сварочного тока от 60 А до 120 А. При больших значениях происходит отекание расплавленного материала, в результате чего на боковой поверхности образца образуются наплывы. При меньших значениях вкладываемого тепла недостаточно для формирования валика. На рисунке 4 представлен внешний вид полученных стенок.

а)	б)
в)	г)
д)	е)

Рисунок 4 – Внешний вид полученных образцов: а – 40 А, б – 60 А, в – 80 А, г – 100 А, д – 120 А, е – 140 А

Для выращивания крупногабаритных изделий необходим рабочий режим с большим тепловложением для поддержания необходимой межпроходной температуры. Данного результата можно добиться путем повышения сварочного тока до 120 А. Выращивание производилось с несколькими валиками в слое с коэффициентом перекрытия 35%. В результате экспериментальной работы удалось добиться стабильного формирования с высоким качеством боковой поверхности. Внешний вид полученного образца представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Внешний вид полученного образца

На полученных образцах проводились металлографические испытания на которых была рассмотрена их макроструктура (рисунок 6). На приведенном изображении видно, что подобранные режимы наплавки позволяют получать практически бездефектную структуру. В обоих образцах пористость не превышала 0,5% площади сечения.

а)	б)

Рисунок 6 – Макроструктура полученных образцов: а – режим I=100 А, V=15 мм/с, б – режим I=120 А, V=15 мм/с

2.2              Выбор стратегии выращивания и проведение механических испытаний

Для предотвращения возможного возникновения анизотропии использовалась специальная стратегия выращивания (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Стратегия выращивания

Стратегия заключается в использовании функции Wave, её суть отражается в следующем: при перемещении рабочего инструмента по заданной траектории происходят волновые движения с определенной амплитудой и частотой колебаний. При подборе этих параметров возникали дефекты в виде несплавлений (рисунок 8).

 

Рисунок 8 – Дефекты, возникшие при подборе параметров функции Wave

Данная проблема решается за счёт понижения значения частоты колебаний и увеличения сварочного тока. Подобранные значения амплитуды и частоты составляли 13 мм и 2 Гц соответственно.

С помощью данной стратегии были выращены образцы для механических испытаний (рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Образец для механических испытаний

На основании полученных результатов было установлено, что значение предела текучести и временного сопротивления в направлении оси Z ниже стандартного для проката, представленного в ГОСТ 17232-99 [13]. В направлении оси X значения механических свойств превосходят те, что представлены в стандарте.

Такое поведение материала связано с образованием анизотропной структуры типичной для процесса WAAM. Неоднородности связаны с разным размером зерен и образованием столбчатых структур на границе валика, что приводит к снижению прочностных свойств. Также в образцах наблюдается фазовая неоднородность: границы валика по сравнению с серединой обогащены крупными игольчатыми интерметаллидами. Результаты механических испытаний представлены в таблице 4.

Таблица 4. – Результаты механических испытаний

Направление	Предел текучести, σ0,2, (МПа)	Временное сопротивление, σв, (МПа)	Отн. удлинение, ẟ5 (%)
X	132	268	34,3
Z	107	254	16,5
ГОСТ 17232-99	120	265	13

Все элементы крепления выращивались с использованием функции Wave, кроме элемента «кронштейн» (рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Стратегия выращивания кронштейна

Такой выбор обусловлен ограничением амплитуды робота при включенной функции Wave равной 15 мм. В нашем случае ширина изготавливаемого элемента превышает данное значение. Перед его изготовлением, было проработано смещение между оконтуривающим и заполняющими валиками. Это связано с тем что при стандартном смещении в половину ширины единичного валика, значение которого для тока 100 А равняется 2,1 мм, появляются дефекты в виде несплавлений (рисунок 11). Следует отметить что данный дефект появлялся только в месте начала наплавки.

Рисунок 11 – Дефекты при выращивании кронштейна

Для решения данной проблемы было подобрано новое смещение которое составляло 25% от ширины единичного валика и равнялось 1 мм соответственно. После изменения данного параметра дефектов не наблюдалось.

3                    ПРОЕКТИРОВАНИЕ КРЕПЛЕНИЯ

3.1              Исходные данные для установки критериев проектирования оснастки

Создание крепления осуществлялось с учетом специфической формы сварочной горелки и фланца робота и их взаиморасположения. Первоначальным этапом проектирования узла крепления было измерение сварочной горелки и фланца робота.

Строение робота Fanuc 710ic/50 не подразумевает присоединение стандартной сварочной роботизированной горелки из-за отсутствия пустотелого фланца. Спроектированное крепление должно: учитывать массовые характеристики сварочной горелки, быть достаточной высоты для исключения перегиба шланг пакета в согнутом положении, иметь длину не менее 150 мм, чтобы исключить трение шланг пакета о фланец робота во время работы. Также необходимо добавить в конструкцию датчик столкновений, который обеспечивает безопасное движение рабочего инструмента.

Основываясь на установленных критериях, было принято решение, что для узла крепления необходимо:

• Длина от оси фланца робота не менее 150 мм;
• Высота от фланца робота не менее 170 мм;
• Использовать легковесные сплавы, с высокими прочностными характеристиками.

После учета всех критериев был разработан следующий узел крепления, трехмерная модель которой представлена на рисунке 12.

 

Рисунок 12 – Схема узла крепления с проставленными позициями

Компоненты крепления указаны в таблице 5.

Таблица 5. – Компоненты крепления

Позиция	Наименование
1	Фланец переходной
2	Кронштейн
3	Датчик столкновений
4	Пластина
5	Пластина прижимная
6	Крепежные изделия

Переходной фланец выполняет функцию соединения всего узла крепления с роботом. Кронштейн обеспечивает выполнение критериев по длине, а также соединяет датчик столкновений с пластиной. Пластина предназначена для установки сварочной горелки. Жесткость соединения обеспечивается с помощью прижимной пластины.

Для проверки жёсткости кронштейна была применена функция SOLIDWORKS Simulation в системе Solid Works которая позволяет проверить отклонение геометрии при воздействии внешних сил, анализ показал, что нагрузка в 7 кг которая равна весу сварочной горелки вызывает максимальное отклонение для данного материала и конфигурации в 0,046 мм, что для нас является значительно несущественным и соответствует установленным критериям (рисунок 13).

 

Рисунок 13 – Проверка жесткости кронштейна

4                    Изготовление

4.1              Выращивание элементов крепления

После этапа проектирования производилось выращивание всех компонентов крепления. Выращивание переходного фланца происходило в 2 этапа: 1 этап заключался в наплавке большого цилиндра, во 2 этапе происходило выращивание малого цилиндра. Значение сварочного тока равнялось 100 А, скорость перемещения рабочего инструмента 15 мм/с. На рисунке 14 представлено изображение выращенного фланца.

а)	б)
Рисунок 14 – Выращенный фланец: а – выращивание большого цилиндра, б – выращивание малого цилиндра

Следующим этапом изготовления узла крепления было выращивание кронштейна (рисунок 15). Значение сварочного тока на оконтуривающем валике равнялось 120 А, а на заполнении 100 А, скорость перемещения рабочего инструмента не изменялась и равнялась15 мм/с.

 

Рисунок 15 – Выращенный кронштейн

Далее выращивались пластины для закрепления сварочной горелки (рисунок 16). Значение сварочного тока и скорость перемещения рабочего инструмента были такими же, как и при выращивании переходного фланца.

а)	б)
Рисунок 16 – Выращенные пластины: а – Пластина, б – Пластина прижимная

4.2              Сборка узла крепления

После изготовления всех элементов узла крепления происходил этап сборки. На рисунке 17 представлена полная сборка оснастки.

 

Рисунок 17 – Собранный узел крепления

Заключение

В данной статье представлены результаты применения технологии прямого дугового выращивания для изготовления узла крепления дуговой горелки к фланцу робота.

В ходе работы были решены следующие задачи:

1. Проведен анализа литературных источников;
2. Подобраны параметры режима наплавки и проведены металлографические испытания, обеспечивающие высокое качество наплавленного материала;
3. Подобрана стратегия выращивания и проведены механические испытания;
4. Проанализированы исходные данные для проектирования оснастки;
5. Спроектированы компоненты крепления;
6. Созданы управляющие программы;
7. Изготовлен и собран узел крепления.

Об авторах

Никита Дмитриевич Рощин

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: n.d.roschin@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-2167-5303
Россия

Константин Сергеевич Насоновский

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: nasonovskiy.konstantin@gmail.com
Россия

Дарья Владимировна Волосевич

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: dasha.volosevich@mail.ru
Россия

Рудольф Сергеевич Корсмик

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: rudak27@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1591-1942
SPIN-код: 6726-2629

канд. техн. наук

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы