316L不锈钢电弧增材制造轨迹规划与验证

Trajectory Planning and Verification for Wire Arc Additive Manufacturing of 316L Stainless Steels

摘要

选择具备多节点的典型复杂结构的316L奥氏体不锈钢汽车轮毂为对象开展电弧增材制造轨迹规划研究。首先在确定层重叠率和搭接系数的基础上，将车轮毂试件模型分解为多类薄壁及厚度的网格结构，并进行节点简化构成Euler回路；然后通过Fleury算法结合Euler回路理论得到优化的路径，同时采取复合路径填充方法规划了层间填充方式。最后通过不同层间的红外测温以及实时电弧与熔滴过渡的图像跟踪的对比验证了轨迹规划方法的合理性。结果表明，基于Fleury算法的轨迹规划所获得的316L奥氏体不锈钢电弧增材沉积件成形良好，复合填充方法下未出现局部填充不足的缺陷；规划路径中的电弧作用阶段占总过程的70.62%，有效避免了节点交叉，且熄弧次数比未规划时减少2次。层间温度历程相似，且每层的熔池过渡基本一致，说明所采用的轨迹规划方法基本合理。

Abstract

To investigate WAAM trajectory planning， an automotive hub possessing multiple nodes was selected as a representative complex structure fabricated from 316L austenitic stainless steels. Initially， based on predetermined layer overlap ratios and overlap coefficients， the hub specimen model was decomposed into diverse grid structures characterized by thin walls and varying thicknesses； these structures were subsequently simplified at nodes to form an Euler circuit. An optimized deposition path was then derived by applying Fleury's algorithm in conjunction with Euler circuit theory， while a composite path filling strategy was implemented to plan the inter-layer filling patterns. Finally， the rationality of the trajectory planning methodology was validated through comparative analysis involving infrared thermometry across different layers and real-time imaging tracking of the arc and droplet transfer behaviors. The results demonstrate that the 316L austenitic stainless steel WAAM deposit， produced using the Fleury's algorithm-based trajectory plan， exhibits good geometric formation； furthermore， no localized filling defects occurred under the composite filling approach. Notably， the arc-active phase constitutes 70.62% of the total process duration within the planned path， effectively avoiding cross nodes， and the number of arc extinctions is reduced by two instances compared to scenarios lacking trajectory planning. The thermal histories exhibite similarity across layers， and the molten pool transition behavior remaines essentially consistent for each layer， collectively indicating the fundamental soundness of the adopted trajectory planning method.

Graphical abstract

关键词

电弧增材制造 / 轨迹规划 / Euler回路 / 复合路径填充 / 熔滴过渡

Key words

wire arc additive manufacturing（WAAM） / trajectory planning / Euler circuit / composite path filling / droplet transfer

0 引言

316L奥氏体不锈钢因其具有良好的腐蚀性能和力学性能，在航空航天、石油工程和海洋工程等领域广泛应用^［1］。丝材电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技术是以焊接电弧为热源，将金属丝材熔化后逐层堆积成三维实体的工艺^［2-4］，以材料成本低、工艺适应性强、生产周期短和设计自由度高等优点，在316L不锈钢结构件中得到应用，尤其在制造大型复杂构件或修复高价值部件时具有明显应用优势^［5-7］。对比316L铸件，316L不锈钢WAAM在具有相似的微观结构基础上获得的屈服强度和抗拉强度更高^［8-9］，且在室温以及-193 ℃低温环境下仍具有冲击韧性^［10］。

金属WAAM的成形质量主要取决于工艺参数的选择、沉积过程的轨迹规划方法^［11-12］，其中工艺参数由电源设定。为探讨轨迹规划对WAAM成形件的影响，国内外开展了电弧增材制造轨迹规划的研究。DING等^［13］提出了具有高几何精度的无孔隙沉积的自适应内侧轴变换（MAT）算法，发现该算法能够通过正确设计工艺参数来提高WAAM成形件的几何精度以及降低孔隙率。此外，DING等^［14］还提出一种用于无间隙形状拐角的轨迹规划方法，可以有效避免过度自重叠和欠填充问题，从而实现无间隙填充。杨壮等^［15］开展了以厚壁结构为增材对象的研究，提出利用“边界约束”的轨迹规划方法，可以避免在增材过程中工件的下塌行为，且还可以有效改善工件表面质量。郑冉等^［16］为解决WAAM过程中尖角处材料填充不足的问题，提出了自适应螺旋曲线加工路径生成方法，提高了成形件表面质量。LI等^［17］开展了2319铝合金的WAAM轨迹规划研究，提出ELE（end lateral extension）新型路径策略，基本消除了结构交叉点的缺陷，实现了基本固定沉积增量。WANG等^［18］开展了以高强碳钢ER100为试样的WAAM轨迹规划研究，提出了由不同行进速度和额外返回路径组成的改进策略，可有效减少熄弧次数。关于316L钢WAAM轨迹规划的研究，刘黎明等^［19］开展了316L钢构件的WAAM轨迹规划研究，采用不同路径规划方式后发现十字状试件的拉伸强度最高。

目前关于316L不锈钢WAAM的轨迹规划研究工作的报道极少，且均是以单一的薄壁结构或简单规则的多层多道的方块厚壁结构进行路径规划，或仅对复杂结构的局部区域进行轨迹规划，因此，本文以同时包括多层薄壁、多层多道的方块厚壁以及圆环体和四棱台体厚壁的多特征汽车轮毂WAAM为对象，采用Fleury算法结合Euler回路理论求其最优路径，并采取包括复合路径等多种路径填充法规划了层间填充方式。最后通过使用红外热像仪的层间测温以及高分辨率的CMOS专用焊接相机对整个过程的熔池和焊枪姿态进行动态跟踪，验证所采用的轨迹规划方法的合理性。

1 材料与方法

1.1 316L电弧增材制造试验

以GMAW为热源，采用6轴节卡Zu12型协作焊接机器人（图1a）开展316L钢的WAAM试验。通过主控柜的Modbus通信协议和PC端进行通信交互，焊接机器人的重复定位精度为0.03 mm。图1b~图1d分别为方盒结构、单道薄壁结构和厚壁结构的316L钢电弧增材制造试件，可见所采用的WAAM系统在合理的轨迹规划条件下能实现不同结构件的制造。

焊丝为直径1.2 mm的ER316L不锈钢材料，其成分与商用的316L钢相近，如表1所示。基板材料选择Q235低碳钢钢板，其尺寸为200 mm×200 mm×10 mm。根据相关文献^［11］以及大量前期试验，设置GWAW电流为190 A，焊枪移动速度为10 mm/s，不锈钢丝材的干伸长为12 mm。为防止增材制造件氧化，保护气体选择为95%Ar+5%O₂，设置气流量为24 L/min。此外，为防止基板与增材制造试件之间产生温度梯度避免产生较大的残余应力，对基板进行预热处理。考虑到316L不锈钢的热导率较低，设置层停留时间为3 min，以保证前层温度在120~140 ℃范围内，则可以平衡电弧能量输入与基板热传导之间的关系，也可对前层焊缝进行低温回火，以减少残余应力和优化微观组织，从而提高WAAM试件质量^［19］。

为保证WAAM几何精度以及成形质量，另外还需合理设置重叠率（即相邻沉积道之间的重叠比例）和搭接系数（单道沉积宽度与相邻道中心距的比值）^［12］。为避免焊枪末端与焊道接触距离过大而造成引弧困难，设定重叠率ε=0.58；此外，为避免降低成形精度，减少相邻焊道之间搭接区域的凹陷和凸起，选择搭接系数δ=0.5，图2为选用的重叠率和焊道搭接率的示意图。

1.2 轨迹规划方法

1.2.1 轨迹规划模型生成及简化

以汽车轮毂为电弧增材制造试件对象，其二维结构由圆、多边形以及多线段的几何组成，构成了类似于多节点的网格结构模型。考虑到圆内嵌正五边形与圆内嵌正九边形的轨迹规划方法一样，为减少材料耗损及提高WAAM效率，在车轮毂模型上将圆内嵌正九边形简化为圆内嵌正五边形。因此，为轨迹规划的研究选择以圆内嵌正五边形为增材制造试件足以说明轨迹规划的可行性，并将外圆模型简化为多节点的薄壁结构，如图3所示。

厚壁结构件WAAM在高度方向及宽度方向分别进行焊缝间的堆叠和焊道间的搭接，因此轨迹规划时假定单位时间内焊丝熔化量相同且每层焊缝截面形貌近似为统一的规则形状，并在每两层之间根据成形件实际尺寸进行微量的焊道补偿。此外，考虑到车轮毂轮廓的复杂性，需要将其二维几何模型轮廓进行分区分形划分。但对于增材制造试件区域的划分，当划分区域数量较多时，在进行区域边缘的搭接时，往往会产生孔隙和频繁的起熄弧问题，影响增材制造试件的成形质量。因此，本文首先采取分区策略，将车轮毂的二维轮廓进行简化，减少搭接缺陷，对车轮毂进行特征区域提取。

1.2.2 层间轨迹规划

合理的WAAM轨迹规划方法能同时减少起熄弧次数和焊枪空行程距离，因此有必要进行层间轨迹规划，以确保寻找到最佳路径，即包络所有路径但不存在重复的路径。引入图论中的“Euler回路理论”，存在Euler回路的条件是连通图中存在0个或2个顶点的度数（即每个顶点向外延伸的边数）为奇数。但简化模型共有18个顶点，如图4所示，所有顶点度数均为3，说明该模型特征不具备Euler回路。因此，为了使模型具备Euler回路，构造虚拟辅助线（焊枪的空行程），这样能使其顶点的度数存在0或2个奇数度。考虑到简化模型的圆内嵌正五边形的尺寸，人为引进添加4条虚拟辅助线（图示中虚线）使其具备Euler回路，将其原先的10个奇点变为2个奇点和8个偶点，从而使整个模型具备Euler回路条件，以便进行接下来的轨迹规划。

对于Euler回路的求解问题，选择Fleury算法进行路径搜索。设简化模型的Euler图为G（V，E），V为Euler图的顶点，E为顶点相连的边，P为搜索路径；e、v分别为E与P的子集。取G（V，E）中的任意一顶点为v₀，并令P₀=V₀。假设搜寻的路径是沿着P_i=v₀e₁v₁e₂v₂…e_iv_i 移动到顶点v_i，则在路径搜索中应满足两个要求：桥边e_i+1需与顶点v_i 相关联；当有桥边（即删除该边后不再出现连通的边）可供选择时，桥边e_i+1 应优先选择图G_i=G-｛e₁，e₂，…，e_i ｝中的桥边。最后，当没有桥边可供选择时，则算法停止运行。

将Fleury算法引入到WAAM试样的轨迹规划中。首先将所有构件模型的二维轮廓点进行矩阵化，当轮廓构不成Euler图时，则不存在一条仅访问一次的遍历数据结构，即将车轮毂简化模型中所有线段构成了Euler回路；反之则选择模型中的任意顶点为起始点，判断与该顶点相邻的边是否为桥边：当为非桥边时，则直接停止相关路径搜索；当为桥边时，则将该边添加到搜索路径中，并选择该边的另一端点为起始点，进行再次搜索，直到停止路径搜索并输出搜索路径，图5所示为所采用的WAAM轨迹规划流程。

1.2.3 路径填充方式规划

路径填充方式对电弧增材制造成形精度和成形效率具有重要意义，考虑到简化后的“车轮毂”同时包括薄壁结构、多层多道的厚壁结构、圆环形、四棱台、扇形凸台的厚壁结构，还需采用复合路径填充法来提高WAAM试件的尺寸精度（图6a）。路径填充的具体思路为：首先根据车轮毂的外观特征，采用几何轮廓偏置填充法来制造结构简单的“圆环体”，如图6b所示；其次，针对车轮毂上还具备的四棱台的结构特征，考虑到其存在锐角和钝角，很容易在WAAM过程中产生未填充缺陷，因此对四棱台结构的内部采用往复直线路径填充法（图6c），其外轮廓采用轮廓包络线填充法。最后，考虑到棱台与圆环体之间的结合部分不规则，选择扇形凸台来完成WAAM填充过程（图6d）。采取分区分形的策略，根据几何特征，对规则几何的内部使用往复直线路径填充方式；对不规则几何的内部使用几何轮廓偏置填充方法；同时，对于填充缺陷区域采取层间补偿，将欠填充的前层区域作为后一层填充的起始端。在模型的外圈使用轮廓包络线法使整个增材制造过程顺利进行。此外，考虑到图6c、图6d的路径填充方式一致，为防止增材制造试样产生塌陷，模型的外部区域一致采取轮廓包络线法填充。以上同时包括多种路径填充方式的方法能保证WAAM顺利进行。

1.3 轨迹规划验证方法

由于沉积层间的温度与规划路径的焊枪移动稳定性相关，熔池的形态能反映焊枪的姿态以及熔滴过渡过程，因此可以通过层间的红外测温以及实时跟踪熔池形貌图像对比验证所采用的WAAM轨迹规划方法的合理性。如图7所示，采用美国FLIR的E96型高分辨率红外热成像仪测量了不同沉积层起弧附近点（图中显示的点1~点5，分别对应沉积1层、10层、20层、30层、40层）的温度历程。红外热成像仪的放置需确保视场角覆盖目标区域且不引入阴影效应。设置辐射率为0.4，红外热成像仪的测温范围为-20~1600 ℃，覆盖了316L不锈钢WAAM温度范围。

采用珠海麦格威M2-130H型的CMOS焊接专用相机作为视觉采集设备。设置采集图像的分辨率为1280 pixel×1024 pixel，可在最远450 mm的工作距离范围内高速实时展现焊枪位置以及熔池形态。

2 结果与讨论

2.1 层间轨迹规划的路径结果

图8所示为使用Fleury算法搜寻的路径。首先选择车轮毂外径（圆）上一顶点为第1次起弧点，当焊枪沿轮毂外径移动1圈后，接着沿与薄壁结构的连接处向车轮毂内径的正五面体薄壁结构右侧移动；当焊枪运行完内径后停止机器人焊接，即为第1次熄弧；然后将焊枪沿高度方向提升，焊枪则沿辅助线（虚线）行驶到下一个起弧点。以此类推，当达到第5次熄弧时，即完成整个焊枪的路径规划。计算所得的焊枪总行程为1327.35 mm，其中实际增材制造的距离为937.8 mm，占总行程的70.62%。规划之后的起弧和熄弧次数均比未进行轨迹规划时减少了2次。

图9所示为层间轨迹规划后的增材制造试样，在层重叠率为0.58条件下，第1层的增材高度为2.3 mm。所计算的理论高度应为54.32 mm，但实际试样测量的高度为55.24 mm，两者的相对误差为1.95%，误差在合理范围内，采用的轨迹规划实现了层间在高度上的稳定增量。此外，增材制造试件未出现明显的局部堆积过厚、台阶效应和热变形等工艺缺陷，并且无明显的焊瘤和弧坑的工艺缺陷，说明采用的轨迹规划能保证增材制造件的成形质量。

2.2 车轮毂特征区域增材制造

车轮毂增材制造件的特征区域包括圆环体和四棱台体。采取几何轮廓偏置法的路径填充方式所制造的圆环体成形件表面呈现均匀堆积特征（图10a），层间结合处无塌陷现象，其轮廓及表面未观察到明显的气孔、宏观裂纹等缺陷，表明该工艺参数和轨迹规划下的熔池流动控制与热积累效应处于合理范围。四棱台体的增材制造件见图10b，其内部路径采取往复直线填充法，对其外形采取轮廓包络线法，使液态熔滴有一个外部边界约束，使其能够在一定范围内均匀沉积凝固于上一层焊缝中，未观测到普通焊接经常出现的熔池的四周流动现象，有效提高了制造精度。但同时也能看到少量飞溅，这是因为316L钢增材制造试件其表面局部会出现氧化和不完全平整现象，轻微破坏了熔滴过渡的对称性。图10c所示为扇形凸台的增材制造件，明显可见通过分区分形的轨迹规划方式，扇形区域与四边形区域结合处无宏观缺陷，且未产生明显的台阶效应，表面平整度较高，而其内部路径填充方式与四棱台一致，外部轮廓并未发生塌陷，变形量也在合理的范围内。

2.3 轨迹规划验证

图11所示为测量位置（图7中点1~点5）红外测温结果。WAAM形式为逐层沉积，使层间热传导路径缩短，另外产生了热积累效应，导致后续层温呈现逐步升高的趋势，也能说明焊枪在制造中移动平稳。总的来说，温度变化趋势与第1层基本拟合，温度历程趋势近似。

图12所示为观测的车轮毂增材制造件前4层的熔滴过渡形态。如图12a所示，电弧跟踪显示的起弧端的短路过渡平稳，焊枪和焊缝均没有出现宏观上的偏移，焊丝熔化量和热量输入均匀性良好，且每层熔池冷却后表面无明显的宏观裂纹和气孔；但在片层中间时所有层均发生了明显的形状类似的磁偏吹现象（图12b），片层未出现未熔区，说明即使焊枪移动速度均匀，316L本身的磁特性也会影响电弧熔滴过渡的形态，但层间的熔滴过渡基本平稳且一致；在层间接近熄弧端的熔池形貌，如图12c所示，没有发现明显的金属液体收缩形成的孔隙，表明金属熔池的热输入稳定，能在之后的冷却阶段避免局部过热和较大的变形，也说明所采用的轨迹规划方法基本合理，能进行较高质量的316L钢的复杂结构的增材制造。

3 结论

1）针对316L电弧增材制造，以具备典型复杂特征的汽车车轮毂作为制造对象，提出一种包括多路径填充方式的轨迹规划方法，将模型简化为同时具备圆环体、四棱台特征的复合路径规划，并引入辅助线以满足Euler回路理论。通过Fleury算法获取了轨迹规划路径，增材制造试件成形良好，未出现局部填充不足的工艺缺陷。

2）基于Fleury算法的轨迹规划方法所获得的316L奥氏体钢电弧增材制造沉积层间过渡平稳，能保证丝材电弧增材制造过程中成形件高度的稳定性。在整个焊枪移动过程中电弧作用阶段占总过程的70.62%，熄弧次数比未规划时减少2次，且有效避免了出现交叉节点。

3）采用高分辨率红外热成像仪实时测量丝材电弧增材制造温度以及采用CMOS相机实时观测焊枪位置以及熔滴过渡形态的方法，验证了轨迹规划方法的合理性。增材制造过程的层间温度历程基本近似，焊枪姿态与熔滴过渡形貌也基本相似，说明所采用的轨迹规划方法基本合理，能实现较高质量的316L钢复杂结构的增材制造。

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基金资助

国家自然科学基金(52305331)

上海航天科技创新基金(SAST2023-094)

湖北省自然科学基金(2024AFB440)

中石油科技创新基金(2024DQ02-0307)