CN108875149A - 一种gma增材制造堆积道形态调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GMA增材制造堆积道形态调控方法：建立堆积道形态和GMA送丝速度、外送丝速度、行走速度、基板表面温度的数学模型；建立三维模型，设定层片高度、堆积道宽度与搭接间距，规划层片内堆积道数，完成模型的分层切片；计算室温条件下的初始工艺参数；GMA枪带动温度测量传感器扫描堆积路径，计算第一层片第一堆积道路径表面的平均温度，保持行走速度、GMA主送丝速度和外送丝速度总和不变，计算新的GMA送丝速度和外送丝速度，完成层片的堆积；重复步骤，完成剩余堆积道和层数的成形；本发明可有效调控堆积层片尺寸与质量，避免了传统调控方法引起的电弧稳定性差的问题，同时有效解决了实际堆积层数与规划层数不符的难题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种熔化极气体保护(Gas Metal Arc，GMA)增材制造堆积道形态调控方法。
背景技术
熔化极气体保护(Gas Metal Arc，GMA)增材制造以其堆积效率高，设备成本低等优点，逐渐成为大尺寸金属构件电弧填丝增材制造的主流方法。大尺寸金属构件一般由多层多道结构组成，其成形过程包括三维模型建立、模型分层切片、层片多道搭接路径规划、堆积试验。多道搭接路径通常是预先规划的，焊枪沿着规划路径进行堆积成形。由于受到前述堆积层热积累的影响，在层片内进行多道搭接时，熔池形态宽化且高度降低，而预先设定的相邻堆积道搭接间距不变，一方面导致相邻堆积道搭接的平整性降低，搭接堆积道的高度有逐渐升高的趋势。另一方面，层片整体高度的降低，使得实际堆积的层数大于规划的层数。
为解决以上难题，需要将形态宽化且高度降低的堆积道调整到预先规划的堆积道形态，即层高和层宽尺寸，目前的研究主要采用在线调节GMA增材制造工艺参数，将堆积道形态调整过来，但是GMA增材制造过程参数中，调节堆积电流和行走速度会改变堆积道截面面积，改变电弧电压参数虽然可以调节堆积道截面形态，但会降低电弧的稳定性。因此，亟需提出一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，从而进一步提高GMA增材制造层片堆积质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决大尺寸金属构件GMA增材制造热积累作用下堆积道形态变化引起的相邻堆积道搭接的平整性降低，实际堆积层数与规划层数不符等难题，提供一种GMA增材制造堆积道形态调控方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，所述堆积道形态包括堆积道宽度与高度，包括以下步骤：
步骤一：以GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS、基板表面温度T作为输入变量，堆积道宽度W与层片高度H作为输出变量，设计正交试验并开展对应的工艺试验，测量输出变量尺寸，建立输入变量与输出变量的数学模型；
步骤二：建立金属构件三维模型，设定层片高度H、堆积道宽度W与相邻堆积道间的搭接间距d，规划每个层片内的堆积道数，完成模型的分层切片；
步骤三：根据建立的数学模型，设定的层片高度H和堆积道宽度W，计算室温条件下的初始工艺参数：GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS；
步骤四：GMA枪带动温度监测传感器对第一层片第一堆积道路径表面进行扫描，根据路径采样点数，计算第一层片第一堆积道路径表面的平均温度Ta，保持步骤三中行走速度TS、GMA送丝速度WFS1与外送丝速度WFS2总和不变，根据建立的数学模型、平均温度Ta、设定的层片高度H和堆积道宽度W，计算新的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2；将新计算的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2作为工艺参数，开启GMA热源，GMA枪沿堆积路径方向行走3-15mm后，启动外送丝系统，并从GMA电弧后方形成的熔池送入，完成第一层片第一堆积道的成形，GMA枪在堆积层片内横向偏移搭接间距d；
步骤五：继续重复步骤四，完成第一层片第二堆积道、第一层片第三堆积道至第一层片剩余堆积道的成形，然后GMA枪提高一个层片高度H；
步骤六：继续重复步骤四和步骤五，完成第二层片、第三层片至剩余层片的成形。
作为优选方式，步骤一中输入变量范围设定为：GMA送丝速度WFS1是3-8m/min、外送丝速度WFS2是0-3m/min、行走速度TS是0.2-0.8m/min、基板表面温度T是20-400℃。
作为优选方式，步骤一中所述的数学模型是基于回归方程建立的。
作为优选方式，步骤二与步骤四中搭接间距d＝2W/3。相邻堆积道形态间的搭接间距设定为堆积道宽度的2/3是通过大量搭接工艺试验确定的，试验发现，如果搭接间距d>2W/3，则相邻道搭接时，堆积道表面形成的孔洞多，如果搭接间距d<2W/3，则相邻堆积到高度呈逐渐升高的趋势。
作为优选方式，步骤三中外送丝速度WFS2＝0。
作为优选方式，步骤四中温度监测传感器为点红外传感器。
与现有技术相比，本方法具有的突出优点是：本发明方法建立的数学模型考虑了基板表面温度的影响，通过引入外填丝速度，调控热积累作用下的堆积道形态；堆积过程中GMA枪带动红外温度测量传感器扫描堆积路径，确定热积累作用下堆积道路径表面的平均温度，利用建立的数学模型计算新的GMA送丝速度与外送丝速度，实现GMA增材制造堆积道形态的调控。本发明方法建立的堆积道形态数学模型可自动计算热积累作用下GMA送丝速度与外送丝速度匹配关系，有效调控不同堆积层时堆积道形态，从而控制堆积层尺寸与质量，避免了传统调控电弧电压参数引起的电弧稳定性差的问题，同时有效解决了实际堆积层数与规划层数不符的难题。
附图说明
图1为GMA增材制造堆积道形态调控方法流程图；
图2为温度监测的外送丝GMA增材制造堆积道形态调控装置示意图；
图3(a)为设定的堆积道形态示意图；
图3(b)为热积累作用下的堆积道形态示意图；
1-GMA电源，2-GMA送丝，3-外送丝，4-温度监测传感器，5-熔池，6-基板。
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。
采用图2所示的红外监测的外送丝GMA增材制造堆积道形态调控装置，一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，所述堆积道形态包括堆积道宽度与高度，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：以GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS、基板表面温度T作为输入变量，堆积道宽度W与层片高度H作为输出变量，设计正交试验并开展对应的工艺试验，测量输出变量尺寸，建立输入变量与输出变量的数学模型；
步骤二：建立金属构件三维模型，设定层片高度H、堆积道宽度W与相邻堆积道间的搭接间距d，规划每个层片内的堆积道数，完成模型的分层切片；
步骤三：根据建立的数学模型，设定的层片高度H和堆积道宽度W，如图3(a)所示，计算室温条件下的初始工艺参数：GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS；
步骤四：GMA枪带动温度监测传感器对第一层片第一堆积道路径表面进行扫描，根据路径采样点数，计算第一层片第一堆积道路径表面的平均温度Ta，保持步骤三中行走速度TS、GMA送丝速度WFS1与外送丝速度WFS2总和不变，根据建立的数学模型、平均温度Ta、设定的层片高度H和堆积道宽度W，计算新的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2，将新计算的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2作为工艺参数，开启GMA热源，GMA枪沿堆积路径方向行走3-15mm后，启动外送丝系统，并从GMA电弧后方形成的熔池送入，完成第一层片第一堆积道的成形，GMA枪在堆积层片内横向偏移搭接间距d；
步骤五：继续重复步骤四，完成第一层片第二堆积道、第一层片第三堆积道至第一层片剩余堆积道的成形，然后GMA枪提高一个层片高度H；
步骤六：继续重复步骤四和步骤五，完成第二层片、第三层片至剩余层片的成形。
优选的，步骤一中输入变量范围设定为：GMA送丝速度WFS1是3-8m/min、外送丝速度WFS2是0-3m/min、行走速度TS是0.2-0.8m/min、基板表面温度T是20-400℃。
步骤一中所述的数学模型是基于回归方程建立的，且数学模型是存在交互项和平方项的二次回归方程。
优选的，步骤二与步骤四中搭接间距d＝2W/3。相邻堆积道形态间的搭接间距设定为堆积道宽度的2/3是通过大量搭接工艺试验确定的，试验发现，如果搭接间距d>2W/3，则相邻道搭接时，堆积道表面形成的孔洞多，如果搭接间距d<2W/3，则相邻堆积到高度呈逐渐升高的趋势。
优选的，步骤三中外送丝速度WFS2＝0。
优选的，步骤四中温度监测传感器为点红外传感器。
如图3(b)所示为热积累作用下的堆积道形态，其形态宽度且高度降低，堆积过程通过堆积层温度的监测及外送丝速度的控制，实现GMA增材制造堆积形态向设定形态的转变，如图3(a)所示。
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 (6)
1.一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，所述堆积道形态包括堆积道宽度与高度，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：以GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS、基板表面温度T作为输入变量，堆积道宽度W与层片高度H作为输出变量，设计正交试验并开展对应的工艺试验，测量输出变量尺寸，建立输入变量与输出变量的数学模型；
步骤二：建立金属构件三维模型，设定层片高度H、堆积道宽度W与相邻堆积道间的搭接间距d，规划每个层片内的堆积道数，完成模型的分层切片；
步骤三：根据建立的数学模型，设定的层片高度H和堆积道宽度W，计算室温条件下的初始工艺参数：GMA送丝速度WFS1、外送丝速度WFS2、行走速度TS；
步骤四：GMA枪带动温度监测传感器对第一层片第一堆积道路径表面进行扫描，根据路径采样点数，计算第一层片第一堆积道路径表面的平均温度Ta；保持步骤三中行走速度TS、GMA送丝速度WFS1与外送丝速度WFS2总和不变，根据建立的数学模型、平均温度Ta、设定的层片高度H和堆积道宽度W，计算新的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2；将新计算的GMA送丝速度WFS1和外送丝速度WFS2作为工艺参数，开启GMA热源，GMA枪沿堆积路径方向行走3-15mm后，启动外送丝系统，并从GMA电弧后方形成的熔池送入，完成第一层片第一堆积道的成形，GMA枪在堆积层片内横向偏移搭接间距d；
步骤五：继续重复步骤四，完成第一层片第二堆积道、第一层片第三堆积道至第一层片剩余堆积道的成形，然后GMA枪提高一个层片高度H；
步骤六：继续重复步骤四和步骤五，完成第二层片、第三层片至剩余层片的成形。
2.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，其特征在于：步骤一中输入变量范围设定为：GMA送丝速度WFS1是3-8m/min、外送丝速度WFS2是0-3m/min、行走速度TS是0.2-0.8m/min、基板表面温度T是20-400℃。
3.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，其特征在于：步骤一中所述的数学模型是基于回归方程建立的。
4.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，其特征在于：步骤二与步骤四中搭接间距d＝2W/3。
5.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，其特征在于：步骤三中外送丝速度WFS2＝0。
6.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造堆积道形态调控方法，其特征在于：步骤四中温度监测传感器为点红外传感器。
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