CN109158730A - 一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，属于机器人自动化制造技术领域。该方法首先在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度和宽度；使用抛物线拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型；然后焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；随后，将第二条焊道作为新的第一条焊道，对新的下一条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。本发明的预测结果与实际情况符合程度好，精确度高，可得到较好的焊道的横向连接结果。

Description

一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法

技术领域

本发明提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，可以应用在机器人增材制造系统中，属于机器人自动化制造技术领域。

背景技术

增材制造是从三维模型中获取数据，通常通过层层叠加堆积，将材料进行连接制造出物体的过程，具有设备通用性强、工艺步骤简单、制造周期短、可制造复杂零件、材料利用率高、制造成本低等优势，适用于小批量、多品种的柔性生产模式。增材制造所用材料范围很广泛，包括聚合物、金属、陶瓷、沙土、玻璃、生物材料等，其中最常用的材料是聚合物和金属。金属增材制造与传统增材制造相比，所生产的功能件有良好的力学性能，可以直接进行工业应用，因此，近年来对于金属增材制造的需求也不断提高。

在金属增材制造中，以电弧为热源进行增材制造具有能量效率高、生产成本低、技术成熟、成型件性能优良等优点，因此电弧增材制造(Wire andArcAdditiveManufacturing，WAAM)是极具前途的方法。WAAM增材制造本质上是通过焊接过程实现的，需要将焊道在焊接平面内以及垂直平面的方向进行堆积，才能得到成型件。为了保证成型件的尺寸精度和成型质量，需要研究焊道堆积效果与工艺参数的关系，建立描述焊道堆积过程的模型，以实现对成型质量的控制。

本发明中所指的“横向”是在当前焊接平面内，每个焊道与前一个焊道平行排列，并有一定重叠，经过多次焊接可以铺满一定的面积。

在焊道横向堆积的过程中，由于焊道两两之间中心距的不同，所形成的焊道堆积结果的截面形貌也将不同，并且堆积结果的平整度与截面形貌直接相关。因为实际的WAAM过程需要进行多次的横向堆积，所以每次堆积的形貌对最终的成型件质量有很大的影响。因此，对焊道横向堆积结果的形貌预测是WAAM理论研究和实际应用中的关键技术：利用对横向堆积结果的形貌预测，可以获知一定参数下的堆积结果，预测成型质量；也可以根据应用中所需的堆积结果的形貌，来对焊接时参数的选择进行指导。

要想对多个焊道的横向堆积结果的形貌进行预测，首先需对单个焊道的截面进行精确建模。当前已有的研究指出，在圆弧、抛物线、余弦曲线、高斯函数等多个模型中，抛物线模型是综合来说拟合效果最好的。图1展示了用抛物线拟合的单个焊道的截面，焊道依附在平面基底上，关于图中虚线对称；图中标出了焊道的宽度w和高度h。使用抛物线y＝ax²+b对其进行近似，则焊道宽度w、高度h与参数a、b有如下关系：h＝b。

在单焊道模型采用抛物线的基础上，对多焊道的形貌预测方法有传统的基于经验的平顶多道模型。如图2所示，定义焊道之间的中心距为相邻两条焊道截面对称轴的间距，记为d，每条焊道宽度记为w，焊道高度记为h，同时定义两个相邻焊道峰值之间的连线与连线之下的上表面之间的面积为谷区面积，两条焊道之间重复交错的面积为重叠面积。在同一焊接工艺参数下，焊道的形貌尺寸被认为是恒定值，决定多道成形形貌的关键就在于焊道之间的中心距。当中心距d大于焊道宽度w时，两条焊道之间不相邻，不存在重叠面积；随着中心距d减小，重叠面积开始从零增长，谷区面积则不断下降；存在一个临界值d_critical，当d减小到临界值时，谷区面积与重叠面积相等，此时将产生理论上的最优平面状态；当中心距d进一步减小时，谷区面积小于重叠面积，重叠部分多于谷区的材料将覆盖在新成形的焊道上，使得新成形焊道尺寸增加，降低表面平整度。但是根据已有的实验观察，这种方法提出的临界值d_critical并不能获得平整的表面，反而会导致新堆积的焊道高度越来越高，产生不稳定的堆积状态。也就是说，这种传统的平顶多道模型并不能准确地反映实际情况，若采用这种模型进行实际的制造，将无法保证成型精度。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种电弧增材制造中的焊道横向连接形貌预测方法。本发明对横向连接形貌预测准确度高，与实际情况符合度好，有很高的应用价值。

本发明提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数；

在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；使用抛物线y＝ax²+b拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型，其中，a＝-4b/w²，b＝h；

(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；具体方法如下：

设相邻两条焊道的临界中心距d_critical＝0.738w，令A点是第二条焊道临近第一条焊道的端点，E点第一条焊道临近第二条焊道的端点，从A点出发与第一条焊道的截面轮廓垂直相交的点为B点，B点与第二条焊道相切于C点，第一条焊道和第二条焊道相交与F点，则切线谷区面积为S_BFC，重叠面积为S_AFE；根据第一条焊道和第二条焊道之间的中心距d和d_critical之间的大小关系，对第二条焊道的截面形貌进行预测：

若d＝d_critical，S_AFE＝S_BFC，则第二条焊道保持与第一条焊道相同的高度，且两焊道最高点之间的凹陷最小，焊道表面平整；

若d_critical＜d＜w，重叠面积S_AFE小于切线谷区面积S_BFC，则两条焊道之间的重叠部分填充切线谷区面积，此时两条焊道之间为欠填充；

若重叠面积S_AFE大于切线谷区面积S_BFC，则两条焊道之间的重叠部分超出了填充切线谷区处的面积，此时第二条焊道的新的抛物线表达式为：y＝a(x-d)²+b₂，其中b2为第二条焊道的高度；

(3)将步骤(2)的第二条焊道作为新的第一条焊道，重复步骤(2)，对新的第二条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明以抛物线作为单焊道截面模型，推导得出切线多道模型及其相关参数，可信度高，本发明的预测结果与实际情况符合程度好，精确度高，可得到较好的焊道的横向连接结果；

本发明可用于机器人电弧增材制造中单层成型，用于控制单层的形貌尺寸，对电弧增材制造的发展有重要意义。

附图说明

图1是对单焊道截面进行描述的抛物线模型示意图。

图2是传统的平顶多道模型示意图。

图3是本发明的切线多道模型的示意图。

具体实施方式

本发明提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，包括以下步骤：

(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数。

在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；

实际操作中，根据实际需要，在选定焊接工艺参数下，在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，在焊道的N处位置(本实施例为3处)分别测量该处的焊道的宽度和高度，将N处宽度测量值的平均值作为该焊道的宽度w，将N处高度测量值的平均值作为该焊道的高度h。

使用抛物线模型描述单焊道的截面形貌，模型中，基底为x轴，焊道关于y轴对称。则抛物线模型y＝ax²+b中，a＝-4b/w²，b＝h。第一条焊道的截面形貌即可用抛物线描述。

(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌。

定义“焊道之间的中心距”为“相邻两条焊道截面对称轴的间距”，记为d，则第二条焊道的截面形貌与中心距d有关。本发明的切线多道模型的示意图如图3所示，图3(a)中各辅助线的作法如下：A点是第二条焊道的左侧端点，以A点为基础，垂直做辅助线，与第一条焊道的截面轮廓KHE交于B点，然后过B点做第二条焊道的截面轮廓AIJ的切线，相切于C点，采用切线谷区面积S_BFC与重叠面积S_AFE进行比较。当中心距d从焊道宽度w开始减小至w/2时，重叠面积AFE逐渐增大，而切线谷区面积BFC开始增加，随后再减少。当S_AFE＝S_BFC时，将此时的中心距称为临界中心距d_critical，可理论推导出为：

回到对第二条焊道的截面形貌的分析，根据中心距d的大小，可分为三种情况：

(2-1)临界情况。如图3(b)所示，此时d＝d_critical，S_AFE＝S_BFC，重叠部分的金属恰好填入切线谷区中。在这种情况下，第二条焊道保持与第一条焊道相同的高度，且两焊道最高点之间的凹陷最小，焊道表面最平整，表面质量最好。重叠部分的金属的上表面形貌由切线BC给出。

(2-2)欠填充情况。如图3(c)所示，此时d_critical＜d＜w，重叠面积S_AFE小于切线谷区面积S_BFC。此时，由于重叠部分多出来的材料不足以填充BFC处的面积，实际堆积面积会收缩至新的B’F’C，其中B’F’仍保持与第二条焊道相切，且S_AFE＝S_B’F’C。与临界情况类似地进行求解，可得出此时的理论焊道截面形貌。

与临界情况相比，虽然这种情况下第二条焊道与第一条焊道高度仍相同，但两焊道最高点之间的凹陷更大，表面质量将差于临界情况。

(2-3)过填充情况。如图3(d)所示，此时重叠面积S_AFE大于切线谷区面积S_BFC。此时，由于重叠部分多出来的材料超出了BFC处的面积，第二条焊道的抛物线将整体向外扩展，控制形状的参数a保持不变，决定抛物线顶点高度的b发生改变，新的表达式可以表述为：y＝a(x-d)²+b₂，其中b2为第二条焊道的高度，可以由几何关系解出。求解方法同样类似临界情况，当前要满足的限制条件变更为S_AFE＝S_BCeIeJeJIF，且直线BC_e与抛物线C_eI_eJ_e相切，可以求得过填充情况下的理论截面形貌。

这种情况下，如果之后的中心距保持当前范围不变，那么后续焊道的最高点将越来越高。

(3)将步骤(2)的第二条焊道作为新的第一条焊道，重复步骤(2)，对新的第二条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。

之后的每一条焊道的形貌都可以在前一条的基础上进行计算。根据(2)中的分析可知，前一条焊道分为两种情况：d_critical≤d＜w时，则上次焊接是欠填充情况或临界情况，此时堆积高度保持不变；时，则上次焊接是过填充情况，焊接堆积高度逐渐增加。针对前一种情况，由于上一条焊道参数保持了完全不变，因此计算此次焊接形成的焊道时，可以把前一条焊道当作第一条焊道进行计算；针对后一种情况，可以使用新堆积焊道的a和b₂参数作为基础，然后进行此次堆积焊道的计算。

当平面内所有焊道焊接完毕后，即可根据切线多道模型及焊道间的中心距，计算出焊道横向连接结果的截面近似形状，实现对焊道横向连接的形貌预测。

Claims (1)

1.一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数；

在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；使用抛物线y＝ax²+b拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型，其中，a＝-4b/w²，b＝h；

(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；具体方法如下：

设相邻两条焊道的临界中心距d_critical＝0.738w，令A点是第二条焊道临近第一条焊道的端点，E点第一条焊道临近第二条焊道的端点，从A点出发与第一条焊道的截面轮廓垂直相交的点为B点，B点与第二条焊道相切于C点，第一条焊道和第二条焊道相交与F点，则切线谷区面积为S_BFC，重叠面积为S_AFE；根据第一条焊道和第二条焊道之间的中心距d和d_critical之间的大小关系，对第二条焊道的截面形貌进行预测：

若d＝d_critical，S_AFE＝S_BFC，则第二条焊道保持与第一条焊道相同的高度，且两焊道最高点之间的凹陷最小，焊道表面平整；

若d_critical＜d＜w，重叠面积S_AFE小于切线谷区面积S_BFC，则两条焊道之间的重叠部分填充切线谷区面积，此时两条焊道之间为欠填充；

若重叠面积S_AFE大于切线谷区面积S_BFC，则两条焊道之间的重叠部分超出了填充切线谷区处的面积，此时第二条焊道的新的抛物线表达式为：y＝a(x-d)²+b₂，其中b2为第二条焊道的高度；

(3)将步骤(2)的第二条焊道作为新的第一条焊道，重复步骤(2)，对新的第二条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。