CN106180986B - 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法 - Google Patents

一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106180986B
CN106180986B CN201610536290.0A CN201610536290A CN106180986B CN 106180986 B CN106180986 B CN 106180986B CN 201610536290 A CN201610536290 A CN 201610536290A CN 106180986 B CN106180986 B CN 106180986B
Authority
CN
China
Prior art keywords
forming
electric arc
active control
interlayer temperature
quality
Prior art date
Application number
CN201610536290.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106180986A (zh
Inventor
钱锦文
宋二军
欧艳
吴靓
肖逸锋
许艳飞
张明华
陈宇
Original Assignee
湘潭大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 湘潭大学 filed Critical 湘潭大学
Priority to CN201610536290.0A priority Critical patent/CN106180986B/zh
Publication of CN106180986A publication Critical patent/CN106180986A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106180986B publication Critical patent/CN106180986B/zh

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/16Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/167Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a non-consumable electrode
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/04Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/095Monitoring or automatic control of welding parameters
    • B23K9/0953Monitoring or automatic control of welding parameters using computing means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/16Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode

Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法,根据弧焊熔池热源模型、傅里叶定律、热传导及流体力学理论,建立了电弧增材制造成形熔池稳定性的热力学判据;根据熔覆工艺参数及外加冷却系统控制参数与层间温度及成形质量之间的匹配关系,建立了成形质量表征量与成形工艺参数的解析模型。基于熔池稳定性热力学判据及成形质量表征量与工艺参数的解析模型,获得了电弧增材制造优化的层间温度分布特征,在计算机的辅助下,通过主动控制层间温度实现电弧增材制造成形质量的主动控制。该发明为保证电弧增材制造成形件良好的表面质量及力学性能提供了一种有效方法。

Description

一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法
技术领域
[0001]本发明属于增材制造技术领域,具体涉及一种电弧增材成形质量的主动控制方 法。
背景技术
[0002] 增材制造技术是一种基于离散-堆积原理,在计算机技术的辅助下,以送丝或铺粉 的方式,以高能束(激光、等离子、电子束、电弧)为热源将熔融原材料逐层熔敷堆积实现零 件的实体制造。电弧增材制造技术具有生产成本低、熔敷效率高、成形件尺寸不受限制等优 点,尤其适用于制造航空航天领域中大型化、轻量化、功能化及复杂化等整体结构零件的制 造。目前,电弧增材制造技术越来越受到航空航天领域的关注。
[0003] 目前,利用电弧增材制造技术制造金属件在成形件表面质量及力学性能的主动控 制上依然存在着较大的困难。实质上,电弧增材制造过程是一个微铸造的过程,熔池通过 “点-线-面”的过程实现零件的实体制造。在其逐层堆积的过程中,先成形部分与周围介质 的热交换能力不断降低,使得先成形部分的热积累量不断增加,导致熔池的凝固时间增加, 熔液流动性增强,熔池的抗干扰能力降低,尤其是在成形件边缘部分极易产生“流淌”现象, 降低成形件表面质量,熔池的稳定性随“时间-空间”变化而变化,从而难以实现成形件表面 质量的主动控制。此外,由于热积累量的作用,导致先成形部分经历复杂的热处理过程,增 加了成形件微观组织及力学性能的控制难度。因此,在电弧增材制造逐层堆积过程中,控制 熔池的稳定性以提高成形件表面质量、控制热积累量的变化以实现对成形件的显微组织和 力学性能的控制是推动电弧增材制造技术发展的重要因素。
[0004] 电弧增材制造成形过程中熔池的稳定性主要受焊接电流、焊接电压、送丝速度、焊 接速度、焊丝直径及热积累量的变化等因素的影响。目前,在此方面的研究主要集中在分析 上述工艺参数对成形件的层宽、层高及力学性能的影响规律,并利用线性回归分析法对工 艺参数进行优化以提高成形件的表面质量。但该方法难以实现成形件形貌和性能的主动控 制。此外,研究者利用高敏红外热成像仪或热电偶等仪器,通过增加层间间隔时间来控制层 间温度的变化,研宄了层间温度对成形质量的影响规律。如天津大学尹玉环博士基于交流 TIG电弧增材制造技术,通过改变层间间隔时间来控制层间温度,研宄了层间温度对成形质 量的影响规律,实验证明通过合理的控制层间温度能够提高堆积过程的稳定性,制造出表 面形貌良好、组织均匀致密的零件。但该方法成形效率低,生产成本大大增加。又如哈尔滨 工业大学熊俊博士利用所设计的一种多层单道宽度和高度图像同时传感系统,实时在线采 集熔敷宽度和高度图像进而调整工艺参数来实现成形尺寸的控制但无法实现实时修正可 能出现的尺寸偏差及成形件组织结构的主动控制。
[0005] 虽然国内外学者对于电弧增材制造成形件形貌、组织结构及力学性能的控制进行 了研宄并取得了积极的进展,但仍不能实现电弧增材制造成形表面质及力学性能优良的复 杂金属件的主动控制。本发明基于建立的熔池稳定性热力学判据及成形质量表征量与工艺 参数之间的解析模型,建立了优化的层间温度控制算法及控制系统,即在计算机的辅助下, 根据成形金属件的质量要求,主动控制熔覆工艺参数(焊接电压、焊接电流、焊接速度、送丝 速度)及外部冷却系统控制参数的变化范围实现层间温度的主动控制,从而实现电弧增材 制造成形质量的高效、低成本的主动控制。
发明内容
[0006]本发明基于建立的熔池稳定性热力学判据及成形质量表征量与工艺参数之间的 解析模型,获得了电弧增材制造优化的层间温度分布特征,然后根据成形金属件的质量要 求,确定最优的的层间温度;在计算机的辅助下,通过设定的层间温度控制算法主动控制层 间温度来实现电弧增材制造成形质量的主动控制。该发明为电弧增材制造成形件的形貌、 显微组织及力学性能的主动控制提供了一种高效方法。
[0007]本发明的一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法,其步骤为:
[OOOS] (1)金属件的模型分层:根据成形金属件的三维CAD模型的形状结构,对该模型进 行分层切片处理;(2)生产堆积路径:计算机根据各分层切片的尺寸和形状特点进行成形路 径规划,生产各层成形所需的数控代码,利用生产的数控代码控制数控机床的运动来完成 成形路径的规划;(3)设定最优的层间温度控制算法:根据成形金属件的质量要求,确定成 形过程中的层间温度分布特征,然后基于熔池稳定性的热力学判据及成形质量表征量与工 艺参数的解析模型,设定相应的层间温度控制算法主动控制成形过程中熔敷关键工艺参数 及外部冷却系统控制参数的变化范围以获得最优的层间温度;⑷根据步骤⑶中预先设定 层间温度控制算法,以TIG焊或MIG焊为热源,米用同步送丝的方式将溶融丝材按照步骤(2) 中规定的成形路径逐层堆积制造获得表面质量良好、性能优良的金属件。 ^
[0009]所述的一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法,其特征在于:电弧增材制造 方法,主要包括以TIG焊、MIG焊为热源,采用同步送丝的方式,根据预先设定的层间温度控 制算法,将溶融丝材按照一定的成形路径逐层堆积实现零件的实体制造。
[0010]所述的一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法,其特征在于:熔融的丝材包 括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料。 ~
附图说明
[0011 ]图1为本发明的一种电弧增材制造成形质量主动控制的工艺流程图。
[0012]图2为利用本发明制造的单道多层的壁形金属件。
具体实施方式
[0013]为了更加清晰的表述本发明的制造优点,以下结合具体实施例对本发明进一步详 细说明。
[0014] 本发明利用CAD软件建立成形零件的三维模型,首先根据成形零件的形状结构及 尺寸大小,对该模型进行分层切片处理;其次,根据各分层切片的尺寸和形状特点进行成形 路径规划,生产各层成形所需的数控代码,利用生产的数控代码控制数控机床的运动实现 各层的堆积成形。
[0015] 根据成形金属件的质量要求,确定成形过程中的层间温度分布特征,然后基于熔 池稳定性的热力学判据及成形质量表征量与工艺参数的解析模型,设定相应的间温度控 制算法主动控制成形过程中熔敷关键工艺参数及外部冷却系统控制参数的雙化犯围头规 层间温度的主动控制。
[0016] 以交流脉冲TIG焊为熔敷热源,峰值电流:135A〜185A,基值电流:85A〜135A,:^丝 直径:0 • 8mm〜1 • 6mm,送丝速度:3m/min〜15m/min,焊接速度:1 l〇mm/min〜350mm/min,米用 纯氩气作为保护气体,气体流量为10L/min〜15L/min,在计算机的控制下,在成形制造过程 中依据预先设定的层间温度控制算法控制层间温度在45 °C〜90 °C之间,按照生产的规划路 径将熔融丝材逐层熔敷堆积,从而制造出表面形貌及力学性能优良的壁形金属件。
[0017] 上述所述实例仅用以说明本发明的在电弧增材制造领域中的一个实例,并非用于 限制本发明的创新思想。

Claims (1)

1. 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法,其步骤包括: (1)金属件的模型分层:根据成形金属件的三维CAD模型的形状结构,对该模型进行分 层切片处理;(2)生成堆积路径:计算机根据各分层切片的尺寸和形状特点进行成形路径规 划,生产各层成形所需的数控代码,利用生产的数控代码控制数控机床的运动路径以实现 各层轮廓的成形;(3)设定最优层间温度控制算法:根据成形金属件的质量要求,确定成形 过程中的层间温度分布特征,然后基于溶池稳定性热力学判据及成形质量表征量与工艺参 数的解析模型,设定合理的层间温度控制算法主动控制成形过程中溶敷关键工艺参数及外 部冷却系统控制参数的变化范围来主动控制层间温度分布特征;(4)根据步骤(3)中预先设 定的层间温度控制算法,以TIG焊或MIG焊为热源,采用同步送丝的方式,根据预先设定的层 间温度控制算法将熔融丝材按照一定的成形路径逐层堆积实现零件的实体制造,其溶融丝 材包括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料。 ’、>
CN201610536290.0A 2016-07-08 2016-07-08 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法 CN106180986B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610536290.0A CN106180986B (zh) 2016-07-08 2016-07-08 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610536290.0A CN106180986B (zh) 2016-07-08 2016-07-08 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106180986A CN106180986A (zh) 2016-12-07
CN106180986B true CN106180986B (zh) 2018-06-26

Family

ID=57472849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610536290.0A CN106180986B (zh) 2016-07-08 2016-07-08 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106180986B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106425023A (zh) * 2016-12-13 2017-02-22 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种高性能堆焊再制造方法
CN106735730A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 北京航空航天大学 电弧填丝增材制造方法及装置
CN107066700B (zh) * 2017-03-21 2020-04-07 南京航空航天大学 一种电弧增材制造有限元建模方法
CN106956060B (zh) * 2017-03-23 2018-08-24 湘潭大学 电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法
CN107679325B (zh) * 2017-09-30 2020-07-03 华中科技大学 一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法
CN108588579B (zh) * 2018-04-28 2019-12-06 苏州大学 马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法
CN108637256B (zh) * 2018-05-25 2020-07-14 大连理工大学 多孔材料的电弧熔丝增材制造方法
CN108723549A (zh) * 2018-05-28 2018-11-02 河海大学常州校区 一种电弧增材制造方法
CN108856974B (zh) * 2018-07-26 2020-11-27 重庆科技学院 一种超声场耦合共熔池双丝cmt电弧增材成型工艺方法
CN109514069A (zh) * 2018-11-15 2019-03-26 中国航空制造技术研究院 电子束熔丝增材制造工艺的应力变形控制方法及装置
CN110802300A (zh) * 2019-11-13 2020-02-18 南京航空航天大学 一种电弧增材制造过程中成形精度与质量控制的设备与方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1476956A (zh) * 2003-04-30 2004-02-25 华中科技大学 一种快速制造方法及其装置
JP2004237333A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法
CN101362272A (zh) * 2008-09-17 2009-02-11 华中科技大学 零件或模具的无模熔融层积制造方法
CN102554474A (zh) * 2012-03-05 2012-07-11 刘继常 复杂腔体多孔零件激光直接制造
CN103350321A (zh) * 2013-06-04 2013-10-16 华中科技大学 一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法
CN105855544A (zh) * 2016-04-29 2016-08-17 西安交通大学 一种激光选区熔化电磁感应立体加热系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004237333A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法
CN1476956A (zh) * 2003-04-30 2004-02-25 华中科技大学 一种快速制造方法及其装置
CN101362272A (zh) * 2008-09-17 2009-02-11 华中科技大学 零件或模具的无模熔融层积制造方法
CN102554474A (zh) * 2012-03-05 2012-07-11 刘继常 复杂腔体多孔零件激光直接制造
CN103350321A (zh) * 2013-06-04 2013-10-16 华中科技大学 一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法
CN105855544A (zh) * 2016-04-29 2016-08-17 西安交通大学 一种激光选区熔化电磁感应立体加热系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106180986A (zh) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Theoretical and experimental study on surface roughness of 316L stainless steel metal parts obtained through selective laser melting
Wang et al. Compound machining of titanium alloy by super high speed EDM milling and arc machining
TWI511823B (zh) 調控積層製造之裝置及其方法
JP6211156B2 (ja) 立体自由形状造形法によって金属物体を構築するシステム及び立体自由形状造形法によって金属材料の3次元物体を製造する方法
Xiong et al. Forming appearance analysis in multi-layer single-pass GMAW-based additive manufacturing
Xu et al. A high efficiency electrochemical machining method of blisk channels
CN104404509B (zh) 一种金属激光熔化增材制造方法
USRE35756E (en) Method of production of workpieces by welding equipment
EP2424706B1 (en) Additive layer fabrication method
Zhu et al. A review of hybrid manufacturing processes–state of the art and future perspectives
CN104001915B (zh) 一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备及其控制方法
US20160318130A1 (en) Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication
Ho et al. State of the art electrical discharge machining (EDM)
CN104842042B (zh) 一种基于cmt的金属焊接快速成形系统和方法
CN105252145B (zh) 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
Jangra et al. Optimization of multi machining characteristics in WEDM of WC-5.3% Co composite using integrated approach of Taguchi, GRA and entropy method
Lee et al. Development of a hybrid rapid prototyping system using low-cost fused deposition modeling and five-axis machining
CN106001573B (zh) 镍基高温合金喷注器成型方法
EP1549454B1 (en) Multi-layer dmd process with part-geometry independant real time closed loop weld pool temperature control system
KR20150082607A (ko) 냉간 금속 이행 용접 용착에 의한 회전 물품의 제조 방법 및 제조된 회전 물품
US20150108095A1 (en) Method and apparatus for fabrication of articles by molten and semi-molten deposition
US6472029B1 (en) Fabrication of laminate structures using direct metal deposition
CN104651832B (zh) 用于大型金属零件的表面修复工艺
CN106312574B (zh) 一种大幅面零部件的增减材复合制造设备
WO2018091000A1 (zh) 一种适用于零件与模具的复合增材制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant