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摘要：通過對竹結構顯微結構力學性能分析，設計出仿竹結構橫向抗壓薄壁管結構；并在保持力學性能的前提下進行該結構管簡化設計。根據設計要求，在將起弧收弧缺陷控制到最小的基礎之上進行焊接路徑規劃；通過tig焊接窄道工藝試驗，得出該竹結構管薄壁所需的焊接工藝參數。最終通過TIG機器人電弧增材制造獲得仿竹結構異型薄壁管。

關鍵詞：仿竹結構；路徑規劃；窄道工藝；增材制造

竹子是自然界中的一種具有良好力學性能的典型生物體[1]。竹子收縮量極其小，但其卻具有很高的彈性和韌性，并且其強度、彈性模量以及靜曲強度是普通木材的兩倍[2]。根據實驗數據顯示，竹子的順紋抗壓強度為74.2MPa，抗拉強度為201.7MPa，是相同尺寸鋼材的1/2。若按照單位質量來衡量這些數據的話，其抗拉強度為鋼材的25倍。其中力學性能較好的竹子的抗拉強度可達到530MPa，該數據相當于最好的鋁合金材料，而竹子的密度為1.2g/cm3,與此同時，其細長比為1/250～1/150，這是一般結構難以達到的一個數據[3-6]。竹結構之所以具有高抗沖擊、高抗壓、高韌性等力學性能，關鍵在于毛竹薄壁中微結構的分布特點及性能特征。毛竹截面中的菱形狀的維管束結構呈向圓心方向變大變稀疏的規律分布。這種規律使得毛竹在受到外力的沖擊時能對沖擊載荷進行分解，將載荷由表面進入后逐層進行遞減，從而達到良好的抗沖擊效果。其關鍵在于所受載荷的分解與吸收。通過對毛竹宏觀力學性能和微觀結構的分析與測試，可以將其特點運用于裝甲中管型零件的輕量化設計。目前，只能采用軋制和無縫焊接的形式來獲得內部結構較為復雜的異形管，其內部結構較為簡單，可以一次成形。對于內部結構復雜的異形管，普通的機械加工手段及鑄造、軋制，無法做到一次成形，需要通過多次焊接、嵌套才能獲得，工序復雜。高效率、低成本地完成復雜結構件的生產是電弧增材技術的一大特征[7]?，F采用電弧增材的方法，通過層層結合，不斷疊加的方法成型復導結構，可以一次成形，工序更加簡單，獲得的零件性能更加優異，是制造復雜結構異形管和其他輕量化裝甲結構的有效途徑。

1TIG增材竹結構管設計及路徑規劃

竹子的微結構對外加載荷分解情況如圖1所示。當竹結構表面受到外力作用時，該外加載荷在進入竹薄壁結構后，在維管束間隙會出現外密內疏的分布特點，當遇到一個維管束結構時便會被分解為兩個力，使得外加載荷被削弱，經過多次力的分解，最終到達竹子內壁的區域。由于竹子內部是一個環形區域，力會在該區域匯合，并形成方向相反的相互作用力，從而相互抵消。這樣的分布特點使得竹結構具有良好的高強度高抗壓能力。針對竹壁內的微結構，根據其對外加載荷層層分解的結構特點設計出如圖2所示的仿生結構截面1，由于目前的TIG電弧增材尚未到達能增材如此精細結構的能力，故根據竹纖維的特點，對改仿生結構進行簡化設計得到如圖3所示的仿生結構截面2、3、4?，F通過路徑規劃和安川機器人自動焊機對竹結構截面4所示結構進行TIG增材成形，獲得一個直徑為100mm、高100mm的仿竹結構管，如圖4所示。仿竹結構管的增材路徑規劃方式如圖5所示。焊槍先沿著外圓方向行走，然后再沿著水平方向兩個W路徑各走一道，最后沿著垂直方向走4道短焊道，焊接一層完成以后通過變位機將該層整體逆時針旋轉120°，并且改變其外圓行走方向，到達第三層時按第二層的做法逆時針旋轉120°，再改變外圓行走方向，通過以3層為一個循環，可以將起弧點和收弧點相互重合，從而減小由起弧收弧塌陷所帶來的平整度問題以及焊后缺陷問題。

2TIG增材竹結構薄壁窄道工藝試驗

針對薄壁管的設計要求，對焊道進行最窄化處理，使得增材所用的焊道寬度達到最窄，從而獲得薄壁管。增材所用基板為300mm×500mm×12mm304不銹鋼板，所用焊絲為直徑1.2mm316L氬保焊絲?？刂芓IG焊接電流在90～150A范圍內，以10A的變化幅度來調節；堆敷速度選擇從20cm/min以5mm/min的增幅提高至40cm/min，共5個堆敷因子；送絲速度為0.6、0.8、1.0、1.2m/min，進行TIG單層單道超窄焊道工藝控制變量試驗。

2.1焊接電流對焊道的影響

預設送絲速度0.6m/min，保護氣流量18～20L/min，焊接速度為20mm/min，焊接電流分別為90、100、110、120、130、140、150A，焊道的高度和寬度如表1所示。由表1可知隨著電流的增大，焊道高度逐漸降低，焊道寬度逐漸增大；隨著電流的增大，焊道表面顏色逐漸加深。當電流在90～120A之間時，熱輸入較小，焊道熔滴鋪展不開，導致焊縫表面成形較差，焊縫余高過高，焊縫周邊輪廓不平直，質量較差。當電流在120～130A之間時，焊縫表面呈現銀白色和金黃色，熱輸入量正常，焊縫表面平滑，輪廓平直，焊縫質量較好。當電流在150A及以上時，焊道表面呈黑灰色，熱輸入較大，焊縫質量較差。故考慮電流應控制在120～130A之間為最佳。

2.2焊接速度對焊道的影響

預設送絲速度0.6m/min，保護氣流量18～20L/min，電流為130A，焊接速度分別為20、25、30、35、40cm/min，焊道的高度和寬度如表2所示。由表2可知隨著焊接速度的增加，焊道高度逐漸降低，焊道寬度逐漸降低，當焊接速度為40cm/min時焊縫寬度最窄，但焊道上表面呈圓弧狀，不利于下層焊道的堆疊。焊道在焊接速度為20～30cm/min之間時，焊道質量最佳，焊道表面更為平整。針對增材應選擇表面較為平整的焊道才有利于多道成形，故選擇焊接速度為20～30cm/min之間為最佳。

2.3送絲速度對焊道的影響

預設焊接速度40mm/min，保護氣流量18～20L/min，電流為130A，送絲速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2m/min，焊道的高度和寬度如表3所示。由表3可知隨著送絲速度的增加，焊道高度逐漸增加，焊道寬度維持在6.2～6.5mm之間。當送絲速度在0.6～0.8m/min之間時焊道飽滿平滑，表面質量最佳；當送絲速度為1.0m/min時，焊接過程送絲量過大導致焊道過于飽滿，焊道表面質量較差。因此，綜合考慮選擇焊接電流為120～130A之間，焊接速度在20～30cm/min。送絲速度在0.6～0.8m/min時，所得到的焊縫質量最佳，在考慮多道多層平整度的前提下焊道寬度最窄可達到6mm～8mm之間。

3TIG增材竹節構管增材成形

通過路徑規劃與TIG機器人自動堆敷增材得到如圖6所示仿竹結構薄壁異型管。異型管高100mm，直徑100mm，內圈六邊形結構及周邊短焊道結構長度30mm，壁厚6.5mm。焊后上表面平整，無塌陷，圓管外側圓滑光亮，無多余飛濺氣孔夾渣，焊道與焊道銜接處無明顯起弧與收弧缺陷。通過分析，該結構管可在圓形管基礎上提高抗壓強度及抗拉強度，其內部仿纖維結構加強筋設計可有效提高圓管在外力作用時其橫向的抗壓強度。

4結論

（1）通過對竹結構中微結構顯微組織觀察分析，得出竹結構內纖維結構具有對外加載荷進行分級分解與相互抵消的特點，使竹結構在徑向具有良好的抗壓抗沖擊特性。（2）根據薄壁管的要求，對焊道進行TIG單層單道超窄焊道工藝試驗，通過焊接電流、焊接速度與送絲速度和焊接成形的關系，得出當焊接電流為120～130A之間，焊接速度在20～30cm/min，送絲速度在0.6～0.8m/min時，所得到的焊縫質量最佳，在考慮多道多層平整度的前提下焊道寬度最窄可達到6～8mm之間。（3）通過TIG增材堆敷成形得到高100mm，直徑100mm，內圈六邊形結構及周邊短焊道結構長度30mm，壁厚6.5mm的異型管結構。焊后上表面平整，無塌陷，圓管外側圓滑光亮，無多余飛濺氣孔夾渣，焊道與焊道銜接處無明顯起弧與收弧缺陷。

參考文獻：

[1]胡巧玲，錢秀珍，李保強，等．原位沉析法制備殼聚糠棒材的研究[J]．高等學?；瘜W學報，2003，24(3)：528-531．

[2]李世紅，付紹云．竹子一種天然的生物復合材料的研究[J].材料研究學報，1994，8(2)：188-192．

[3]溫變英．自然界中的梯度材料及其仿生研究[J]．材料導報，2008，22（6）：351-356.

作者：陳涵 周琦 單位：南京理工大學