CN106909714A - 一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，包括确定薄壁构件的堆积条件；测量热循环曲线；观察第二堆积层以上任一堆积层熔池形貌；建模并划分网格；加载散热边界条件及热源参数；计算模型温度场，提取热循环参数并测量堆积层熔池长度，与试验数据对比，通过微调热源模型形状参数使热循环间的最大误差及熔池尺寸间的误差均小于预设值；将热源模型形状参数加载到薄壁构件的数值模型中，完成对电弧填丝增材制造温度场的预测；本发明采用数值计算方法，通过对比基板上的热循环参数及堆积层的熔池尺寸，精准地完成对薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测，对解决薄壁构件电弧填丝增材制造过程产生的残余应力及变形问题提供理论基础。

Description

一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法

技术领域

本发明属于电弧填丝增材制造领域，更加具体地说，涉及一种基于有限元仿真软件的薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法。

背景技术

近年来，具有低成本、高效率的电弧填丝增材制造技术受到研究学者的广泛关注。多层单道薄壁构件作为电弧填丝增材制造金属构件的一种典型结构，其成形是采用单一热源多重加热模式并逐层累加填充材料的方式完成的。在成形过程中，多层堆积金属间前层对后层预热，后层对前层后热甚至重熔，导致薄壁构件经历复杂的热过程。而复杂的热作用是薄壁构件产生变形甚至开裂的主要因素。因此，准确地预测薄壁构件的温度场对获得其良好成形质量有重要意义。

众所周知，数值模拟是一种有效预测温度场的方法。目前，关于电弧填丝增材制造温度场数值模拟的研究较少，有学者提出通过实验测量基板上靠近堆积层处点的温度，以该点的温度动态值为参量，对比实验与模拟结果，进而对建立的有限元模型进行调整并计算温度场。但是，成形过程中堆积层逐层叠加，温度场分布较为复杂，仅仅通过测量基板的温度作为有限元模型的验证值还远不够，更为重要的是，该方法对堆积层温度场的数值计算验证无能为力，影响了电弧填丝增材制造温度场的计算精度。因此，亟需探索一种有效的电弧填丝增材制造过程温度场预测方法，从而解决当前难以准确预测薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决薄壁构件电弧填丝增材制造中堆积层温度场难以准确预测的难题，提供一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，所述的薄壁构件为多层结构，每层只有一个堆积道，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤一：确定薄壁构件的堆积条件，包括：薄壁构件的尺寸、基板尺寸、基板材料、填充丝材、堆积工艺参数、材料的热物理性能参数；

步骤二：电弧作为热源熔化填充丝材，并在基板上进行堆积；对基板上表面靠近第一堆积层处任一点进行测温，记录该点位置并获得该点的热循环曲线；基于被动视觉系统检测堆积过程中第二堆积层以上的任一堆积层熔池形貌，对采集图像进行处理并测量熔池长度；

步骤三：基于有限元仿真软件建立基板和堆积层的几何模型，对模型进行网格划分；

步骤四：在有限元仿真软件中设定基板和填充丝材的热物理性能参数，确定每一层的堆积路径和填充区域；

步骤五：设定基板和堆积层的散热边界条件，薄壁构件与周围环境的热交换作用包括热对流及热辐射，采用复合散热系数考虑其影响：

上述公式中，α为复合散热系数，ε_em为物体表面的发射率，σ_bol为玻尔兹曼常数，T为温度变量，T_amb为环境温度，α_con为对流散热系数；

步骤六：堆积过程中电弧热源模型选择双椭球热源模型，其热流分布密度为：

上述公式中，q_f为前半椭球内热流密度分布；q_r为后半椭球内热流密度分布；Q＝ηUI，η为热源有效系数；U为堆积电压；I为堆积电流；a、b、c_f、c_r为热源模型形状参数；f_f，f_r为前后椭球热量分布函数，f_f+f_r＝2；

步骤七：选择每一层堆积和冷却过程中加载的热源条件和散热边界条件，并设定时间步长；

步骤八：按堆积顺序选择工况，计算薄壁构件模型的温度场；模拟结束后，提取基板上表面与实验位置相同点的热循环曲线，并计算第二层以上任一层堆积时熔池的长度；将模拟获得的热循环曲线和熔池长度与步骤二中实测热循环曲线和熔池长度进行比较，若热循环曲线间的最大误差小于预设值且熔池长度间的误差小于预设值，则记录模拟中所用的热源模型形状参数，否则，返回步骤六，对热源模型形状参数进行微调，再计算，直到热循环曲线间的最大误差和熔池长度间的最大误差均小于对应的预设值为止；

步骤九：将调整后的双椭球热源模型形状参数加载到薄壁构件的数值计算中，模拟薄壁构件多层堆积过程温度场，从而完成对薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的预测。

作为优选方式，步骤三中，堆积层及堆积层附近的基板采用较小的网格尺寸1-2mm，远离堆积层的基板区域采用过渡方式划分，网格逐渐疏松。

作为优选方式，步骤一和步骤四中热物理性能参数包括材料的熔点、密度和泊松比，同时设定材料的热物理性能参数随温度变化。

作为优选方式，步骤七中，在薄壁构件堆积过程中热源模型形状参数保持不变。

作为优选方式，步骤八中，微调的热源模型形状参数包括双椭球的前半长、后半长、深度和宽度。

作为优选方式，步骤八中热循环曲线间的最大误差的预设值为12％，熔池长度间的误差的预设值为7％。

作为优选方式，电弧热源为钨极氩弧、熔化极气体保护电弧、冷金属过渡电弧或微束等离子弧。

作为优选方式，所述的被动视觉系统包括摄像机、减光片和中心波长620-690nm滤光片。

与现有方法比较，本发明方法具有以下有益效果：

(1)本发明方法以基板上某点的温度参数和堆积层的熔池长度作为试验验证参量，以此调整电弧热源模型的形状参数，获得更加精确的薄壁构件有限元计算模型，从而准确地预测薄壁构件电弧填丝增材制造堆积层的温度场。

(2)本发明方法以被动视觉系统测量的堆积层熔池长度作为堆积层温度计算的表征参量，具有测量系统简单、方法可靠、无干扰等优点。

(3)本发明方法为后续准确预测薄壁构件电弧填丝增材制造堆积层应力分布和变形等问题提供了良好的理论基础。

附图说明

图1是薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法流程图；

图2是薄壁构件模型尺寸示意图；

图3是具体实施例中实测热循环曲线；

图4是实施例中被动视觉系统采集的热源位于第四堆积层中点的熔池形貌图；

图5是实施例中模型的网格划分示意图；

图6是实施例中数值计算提取的热循环曲线；

图7是实施例中热源位于第四堆积层中点时温度场的计算结果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

结合附图1对本发明涉及的一种薄壁构件熔化极气体保护电弧(Gas metal arcwelding,GMAW)增材制造温度场预测方法作进一步阐述。如附图2所示，在长150mm，宽200mm，厚12mm的基板上堆积一个十层单道的环形薄壁构件，环形薄壁构件的内径72mm，外径为88mm，壁厚8mm，每层高1.6mm，基板材料为Q355NH，填充丝材为H08Mn2Si低碳钢，包括以下步骤：

步骤一：确定基板和填充丝材的热物理性能参数。包括：薄壁构件的尺寸、基板尺寸、基板材料、填充丝材、堆积工艺参数、材料的热物理性能参数；

步骤二：使用熔化极气体保护电弧作为热源在基板上进行堆积，共堆积10层。具体堆积工艺参数如表1所示。采用热电偶测量基板上与起弧点位于同一直径上距离起弧点46mm处A点的温度，并获得该点的热循环曲线，如附图3所示。采用被动视觉系统检测堆积过程中热源位于第四堆积层中点的熔池形貌，如附图4所示，对采集图像进行处理并测量熔池长度。

表1堆积工艺参数

工艺参数	电流	电压	速度	保护气体	气流量
						数值	150A	19V	5mm/s		18L/min

步骤三：使用MSC.Marc有限元仿真软件建立基板和薄壁构件的几何模型，如附图5所示，采用八节点六面体单元类型对模型进行网格划分，堆积层及堆积层附近的基板使用1-2mm的网格尺寸，远离堆积层的基板区域采用过渡方式划分，网格逐渐疏松。网格划分完毕后，模型总节点数为41844，总单元数为36204。

步骤四：设定基板和填充丝材的材料参数，包括材料的熔点1425℃，密度7.8×10^{- 3}g/mm³；泊松比0.29，比热容和热导率随温度变化，如表2所示。设定每一层的堆积路径和填充区域。

表2比热容和热导率

步骤五：设定基板和堆积层的散热边界条件，薄壁构件与周围环境的热交换作用包括热对流及热辐射，采用复合散热系数考虑其影响：

上述公式中，α为复合散热系数，ε_em为物体表面的发射率，σ_bol为玻尔兹曼常数，T为温度变量，T_amb为环境温度，α_con为对流散热系数；

步骤六：在堆积过程中热源模型选择双椭球热源模型，其热流分布密度为：

上述公式中，q_f为前半椭圆内热流密度分布；q_r为后半椭球内热流密度分布；Q＝ηUI，η为热源有效系数，η＝0.85；U为堆积电压；I为堆积电流；a、b、c_f、c_r为热源模型形状参数；f_f，f_r为前后椭球热量分布函数，f_f+f_r＝2；

步骤七：选择每一层堆积和冷却过程中加载的热源条件和散热边界条件，并设定时间步长；在薄壁构件堆积过程中热源模型形状参数保持不变；

步骤八：计算薄壁构件模型的温度场。如附图6所示，模拟结束后，提取基板上表面与实验位置A点相同点的热循环曲线，并提取热源位于第四堆积层中点的熔池长度。将模拟获得的A点热循环曲线和第四堆积层中点熔池长度与步骤二中实测的A点热循环曲线和熔池长度进行比较，若热循环曲线间的最大误差小于12％且熔池长度之间的误差小于7％，则记录模拟中所用的热源模型形状参数，否则，返回步骤六，对热源模型形状参数进行微调，再计算，直到热循环曲线间的最大误差小于12％且熔池长度之间的误差小于7％；微调的热源模型形状参数包括双椭球的前半长、后半长、深度和宽度。

步骤九：将上述模拟中的散热边界条件和调整后的双椭球热源模型参数加载到环形薄壁构件的数值计算中，模拟环形薄壁构件堆积过程温度场，从而完成对环形薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的预测。附图7所示为热源作用于第四层中点时环形薄壁构件的温度场分布。

被动视觉系统包括大恒水星摄像机、减光片和中心波长650nm滤光片，此为现有技术中的成熟系统，可以直接市购。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，所述的薄壁构件为多层结构，每层只有一个堆积道，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤一：确定薄壁构件的堆积条件，包括：薄壁构件的尺寸、基板尺寸、基板材料、填充丝材、堆积工艺参数、材料的热物理性能参数；

步骤二：电弧作为热源熔化填充丝材，并在基板上进行堆积；对基板上表面靠近第一堆积层处任一点进行测温，记录该点位置并获得该点的热循环曲线；基于被动视觉系统检测堆积过程中第二堆积层以上的任一堆积层熔池形貌，对采集图像进行处理并测量熔池长度；

步骤三：基于有限元仿真软件建立基板和堆积层的几何模型，对模型进行网格划分；

步骤四：在有限元仿真软件中设定基板和填充丝材的热物理性能参数，确定每一层的堆积路径和填充区域；

步骤五：设定基板和堆积层的散热边界条件，薄壁构件与周围环境的热交换作用包括热对流及热辐射，采用复合散热系数考虑其影响：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{em}{\mathrm{\σ}}_{bol}(T^4-T_{amb}^4)}{(T-T_{amb})}+{\mathrm{\α}}_{con}$

上述公式中，α为复合散热系数，ε_em为物体表面的发射率，σ_bol为玻尔兹曼常数，T为温度变量，T_amb为环境温度，α_con为对流散热系数；

步骤六：堆积过程中电弧热源模型选择双椭球热源模型，其热流分布密度为：

$q_f(x,y,z)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{f}Q}{{\mathrm{\πabc}}_f\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp (-3\frac{x^2}{a^2}-3\frac{y^2}{b^2}-3\frac{z^2}{{c_f}^2})$

$q_r(x,y,z)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{r}Q}{{\mathrm{\πabc}}_r\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp (-3\frac{x^2}{a^2}-3\frac{y^2}{b^2}-3\frac{z^2}{{c_r}^2})$

上述公式中，q_f为前半椭球内热流密度分布；q_r为后半椭球内热流密度分布；Q＝ηUI，η为热源有效系数；U为堆积电压；I为堆积电流；a、b、c_f、c_r为热源模型形状参数；f_f，f_r为前后椭球热量分布函数，f_f+f_r＝2；

步骤七：选择每一层堆积和冷却过程中加载的热源条件和散热边界条件，并设定时间步长；

步骤八：按堆积顺序选择工况，计算薄壁构件模型的温度场；模拟结束后，提取基板上表面与实验位置相同点的热循环曲线，并计算第二层以上任一层堆积时熔池的长度；将模拟获得的热循环曲线和熔池长度与步骤二中实测热循环曲线和熔池长度进行比较，若热循环曲线间的最大误差小于预设值且熔池长度间的误差小于预设值，则记录模拟中所用的热源模型形状参数，否则，返回步骤六，对热源模型形状参数进行微调，再计算，直到热循环曲线间的最大误差和熔池长度间的最大误差均小于对应的预设值为止；

步骤九：将调整后的双椭球热源模型形状参数加载到薄壁构件的数值计算中，模拟薄壁构件多层堆积过程温度场，从而完成对薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的预测。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤三中，堆积层及堆积层附近的基板采用较小的网格尺寸1-2mm，远离堆积层的基板区域采用过渡方式划分，网格逐渐疏松。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤一和步骤四中的热物理性能参数包括材料的熔点、密度和泊松比，同时设定材料的热物理性能参数随温度变化。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤七中，在薄壁构件堆积过程中热源模型形状参数保持不变。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤八中，微调的热源模型形状参数包括双椭球的前半长、后半长、深度和宽度。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于：步骤八中热循环曲线间的最大误差的预设值为12％，熔池长度间的误差的预设值为7％。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于电弧热源为钨极氩弧、熔化极气体保护电弧、冷金属过渡电弧或微束等离子弧。

8.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于所述的被动视觉系统包括摄像机、减光片和中心波长620-690nm滤光片。