铸件大缺陷电弧增材修复的路径规划研究.pdf

摘要

大型铸钢件的焊补工作是工序中重中之重的环节，其过程复杂，影响因素

多。本文建立大缺陷多层多道和单层多道熔敷有限元模型，研究铸件大缺陷电

弧增材修复过程中分层方式和层内熔敷路径对温度场、应力场的影响规律。

首先，进行了CMT（ColdMetalTransfer，冷金属过渡）单层单道熔敷实

验，研究不同工艺参数下的熔敷道的成形形貌，获得了成形良好的工艺参数范

围。在此基础上，建立了熔敷速度、送丝速度、焊枪摆动幅度与熔敷道宽度和

高度的回归方程，通过该方程可以分析熔敷工艺参数对熔敷道尺寸的影响。同

时可以预估不同熔敷工艺参数时熔敷道的尺寸，从而为机器人的路径规划提供

依据。

将铸件大缺陷的形状简化为规则的曲面，建立曲面分层方式和平面分层方

式多层多道熔敷的有限元模型，对多层多道熔敷过程的温度场、应力场分布进

行研究。对比分析曲面分层和平面分层两种分层方式多层多道熔敷过程的温度

场、应力场分布，结果表明，曲面分层方式成形后的散热条件好于平面分层方

式。对比两种分层方式成形后的残余应力发现，在曲面的底部区域，平面分层

方式的应力值比曲面分层方式的应力值小，在曲面的边缘区域，平面分层方式

的应力值比曲面分层方式的应力值大。整体来看，曲面分层方式的应力分布更

均匀平缓

分别建立了在平面上和在球面上的单层多道熔敷有限元模型，研究了层内

熔敷路径对温度场、应力场影响规律。结果表明，平面分层时，螺旋扫描路径

成形后的应力值最小，且在熔敷层中部应力较小，在熔敷层边缘应力较大。长

边扫描路径和短边扫描路径的应力分布整体趋势相差不大，垂直于熔敷方向的

残余应力大于平行于熔敷方向的残余应力。曲面分层时，熔敷区曲面底部的应

力大于边缘的应力，轮廓偏置扫描路径熔敷成型后的应力分布优于平行扫描路

径。

进行了多层多道熔敷实验和单层多道熔敷实验，对成形件的熔敷层进行了

拉伸试验。结果表明曲面分层方式的成形件比平面分层的成形件拉伸强度高。

平行于熔敷方向比垂直于熔敷方向的拉伸强度高。

关键词：焊接修复；增材制造；路径规划；数值模拟；残余应力

Abstract

Therepairweldingoflargesteelcastingsisthemostimportantpartofthe

process.Theprocessiscomplicatedandhasmanyinfluencingfactors.Inthispaper,

afiniteelementmodelofmulti-layermulti-beadandsingle-layermulti-bead

depositionwasestablishedtostudytheinfluenceoflayermethodandthedeposition

pathinsidethelayeronthetemperaturefieldandstressfieldintheprocessofarc

additivemanufacturingforrepairinglargedefectsofcasting.

Firstly,aCMT(ColdMetalTransfer)single-layersingle-beaddeposition

experimentwasconductedtostudytheappearanceoftheweldbeadunderdifferent

processparameters,andtheprocessspecificationintervalforexcellentappearance

wasobtained.Onthisbasis,thequadraticregerssionmodelbetweentheprocess

parameters(includingdepositionrate,wirefeedspeed,weldingtorchswingwidth)

anddepdsition