CN109262109B - Tig电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法,其装置的特征在于:TIG焊机的电极夹连接焊丝;所述焊丝经霍尔电压传感器和A/D转换器连接控制器;所述控制器连接送丝机。与现有技术相比,本发明的优势在于巧妙地利用了电弧中带电粒子(电子)在TIG焊的焊丝上分配比例变化间接检测基体表面起伏变化,无需外加其他的检测装置,如弧长传感器等,控制系统简单易行,成本低廉,效果显著。尤其对于增材制造而言,焊枪夹持部位结构简单,可达性高,便于实现复杂三维结构的快速成形。此外,采用此方法可在堆焊成形时实现焊丝上同时引弧,具有热丝的效果,显著增加了成形效率。

Description

TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法
技术领域
本发明涉及TIG堆焊送丝速度的反馈控制领域,尤其涉及一种一种适用于TIG电弧填丝增材制造(wire and arc additive manufacture, WAAM)成形件表面形貌控制与修正的装置和方法。
背景技术
TIG电弧填丝增材制造(WAAM)以电弧为热源,采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件,其成形速度较高,可以以较低的成本快速成形几千克至几吨的大型零部件,适用于大尺寸复杂构件3D一体化增材制造。
该技术基于材料学科与数字化控制手段深度结合而发展,与激光、电子束等载能束相比,电弧具有特殊的“力”、“热”、“能”特征,成形过程中,熔池内液态金属在重力、电弧力和表面张力作用下,随热源的移动不断由熔池凝固析出,实现逐层累积增材制造,熔池体系不断地进行着物质与能量输入输出,极易受外界扰动而失稳,形成隆起或凹陷等表面波动缺陷。并在连续堆焊成形过程中,这种缺陷表现出特殊的时、空非连续“遗传”特性,若不加以控制,成形形貌缺陷将延续到整个成形过程,且形貌波动程度逐渐增大。与电弧连接技术不同,WAAM成形时并无熔深要求,因此,以往的基于焊接热输入的控制,在保证熔深的基础上,优化焊缝成形的控制方法在WAAM成形技术中并不适用,焊接热输入的改变,将显著改变单道成形的有效宽度,使得成形形貌一致性变得更差。此外,该增材制造技术成形速率较快,熔池体系快速地进行着物质、能量输入输出,极易受到外场扰动而失稳,加之电弧的不稳定性(阳极斑点漂移、磁偏吹等),伴随成形过程常产生成形形貌缺陷,如隆起和凹陷。因此,设计一种满足于WAAM的成形性要求的,可以实时对隆起、凹陷等成形形貌缺陷进行检测与修补的反馈控制手段,对于提高WAAM成形表面质量至关重要,是获得WAAM成形形貌稳定性的关键技术。
目前,在现有技术中,对于WAAM成形形貌的修复及控制方法主要有以下两种:
1.控制成形过程热输入(电流、焊度)
采用控制成形热输入的方法实现对成形形貌缺陷的修复,是目前保证WAAM成形一致性的主要手段,其使用电弧传感器通过监测弧压对成形件表面起伏的响应而实时调整堆焊成形电流,通过控制熔池温度及特征尺寸利用液态熔池表面张力消除成形件表面起伏缺陷;改变焊炬移动速度虽然热源能量输入密度不变,但其同时改变了熔池物质、能量输入,获得有效堆高的同时往往有效宽度也相应增大,这不利于多道成形时有效搭接量的设计,即其高度一致性的获得是以牺牲有效宽度一致性为前提的,若凹陷缺陷尺寸较小,这种方法也难以精确控制,难以实现数字、自动化,现多用于开放成形系统的手工修复。
2.复合增材制造
复合制造方法是将WAAM成形系统与铣削加工结合,在成形表面形貌缺陷处利用铣削机械加工的方法获得一致的成形表面,以消除形貌缺陷对后续连续成形的影响。该方法以减材加工来获得一致的表面成形形貌不利于发挥WAAM高效成形的优势,且设备成本较高,此外,WAAM成形大尺寸成形件时受限于铣床的有效加工尺寸。
在实现上述WAAM成形形貌控制与修复的过程中,现有技术中至少存在如下问题:
第一类方法通过控制载能束能量密度、热输入效率和物质输入来修复表面成形形貌缺陷,但无论是改变堆焊成形电流还是焊炬移动速度,熔池温度场及其特征尺寸都将发生明显变化,熔池温度场和特征尺寸也即决定了单道成形的有效堆高和有效宽度。该方法虽然在一定程度上弱化了表面隆起和凹陷缺陷尺寸,但未从根本上解决WAAM的3D成形一致性问题,获得堆高一致性的同时往往引入宽度波动缺陷,若只成形单壁薄壁件该方法尚可行,多道搭接增材成形具有一定厚度的零件,该方法的形貌控制效果并不理想;
第二类方法应用增材与减材组合制造技术,虽然该方法可行,但是若要实现数字化自动增材制造,还需增加必要的辅助系统,如堆高及宽度的实时在线监测系统、铣削加工尺寸的反馈控制等,成形系统复杂且设备成本增大,且铣削加工速度远低于堆焊成形速度,不利于发挥WAAM低成本快速成形的优势。
发明内容
为了保持WAAM成形形貌的3D一致性,实现对成形过程中“隆起”“凹陷”等缺陷的在线修复,本发明提供了一种在线检测WAAM成形过程中已成形部分表面高度,通过对高度变化量进行采样,反馈调整送丝速度的形貌控制与修复的装置和方法,即通过下一道次堆焊成形时反馈控制堆焊成形的物质输入,在不改变其他工艺变量的情况下,实现对表面隆起或凹陷缺陷的有效修复,提高WAAM成形件表面质量。
本发明可实现WAAM成形过程中在线监测已成形件表面成形形貌起伏而实时调整送丝速度,通过控制熔池物质输入达到成形形貌一致性的目的。基于堆焊基体表面形貌起伏实现送丝速度控制,采用以下技术方案:
WAAM成形过程中,将焊丝与TIG焊机电极夹相连,焊丝同时作为引弧的电极,因成形过程中焊枪(钨极)水平高度不变,当堆焊基体表面出现起伏时,钨极至工件表面的距离随表面起伏而变化,即弧长改变。同时,因焊丝的送丝位置保持固定不变(距离钨极距离不变),焊丝距工件表面的距离也随工件表面起伏而变化。弧长改变时,电流密度随之变化,相对于钨极,焊丝所处位置虽然未改变,但是电流密度的变化使得焊丝上接收的电子数量发生改变,即电子在基板与焊丝上的分配比例发生变化,而导致基板与焊丝之间存在一定的电势差,这一电势差只与电弧电流密度有关,即受弧长影响。因此,可以通过采集焊丝上的电压信号,并建立起弧长变化与焊丝分流比例的关系,即可通过焊丝上电压变化获得工件表面起伏的形貌变化,继而调整焊速进行隆起或凹陷的修补。
即通过以下步骤进行实现本发明目的:
步骤S11:将焊丝与TIG焊机的电极夹相连,在WAAM成形过程中,焊丝同时作为引弧的电极;
步骤S12:采集焊丝上的电压信号,并建立弧长变化与焊丝分流比例的关系;通过焊丝上电压变化获得工件表面起伏的形貌变化,继而调整焊速进行隆起或凹陷的修补。
更具体地,本发明还提供了以下更为具体的装置和方法:
一种TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置,其特征在于:TIG焊机的电极夹连接焊丝;所述焊丝经霍尔电压传感器和A/D转换器连接控制器;所述控制器连接送丝机。
优选地,所述TIG焊机采用德国EWM Tetrix 521 AC/DC焊机。
一种TIG电弧增材成形形貌的反馈控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S21:将焊丝与TIG焊机的电极夹相连,在WAAM成形过程中,焊丝同时作为引弧的电极;
步骤S22:采用霍尔电压传感器实时采集堆焊成形过程中焊丝上的电压值,通过A/D转换器将采集获得的电压信号转换为数字信号并输入到控制器,作为控制器
的输入信号;
步骤S23:控制器通过对比分析输入信号与参考信号的差值,调整送丝机滚轮驱动电机的电流大小,从而实时调整送丝速度。
优选地,所述TIG焊机采用德国EWM Tetrix 521 AC/DC焊机;堆焊成形5356铝合金零件;焊接电流:180A(峰值)/130A(基值),占空比:1/2,氩气流量:10L/min,弧长:5mm,焊速:250mm/min;所述输入信号每增加1V,送丝机的送丝速度增大0.5m/min。
与现有技术相比,本发明的优势在于巧妙地利用了电弧中带电粒子(电子)在TIG焊的焊丝上分配比例变化间接检测基体表面起伏变化,无需外加其他的检测装置,如弧长传感器等,控制系统简单易行,成本低廉,效果显著。尤其对于增材制造而言,焊枪夹持部位结构简单,可达性高,便于实现复杂三维结构的快速成形。此外,采用此方法可在堆焊成形时实现焊丝上同时引弧,具有热丝的效果,显著增加了成形效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:
图1是本发明实施例装置整体构造示意图;
图2是本发明实施例中作为参照的送丝速度恒定不变的成形件表面形貌示意图;
图3是采用本发明实施例方法进行送丝速度反馈控制的成形件表面形貌示意图;
图中:1-焊丝;2-TIG焊枪;3-霍尔电压传感器;4-A/D转换器;5-控制器;6-送丝机。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图,作详细说明如下:
如图1所示,在本实施例中,将焊丝1与TIG焊机的电极夹相连,在WAAM成形过程中,配合TIG焊枪2的动作,焊丝1同时作为引弧的电极。
之后,利用霍尔电压传感器3实时监测堆焊成形过程中焊丝1上的电压值,通过A/D转换器4将此电压信号转换为数字信号并输入到控制器5,作为控制器5采集信号。
控制器5通过对比分析输入信号与参考信号的差值,对前一道已成形件表面形貌进行判断,调整送丝机6滚轮驱动电机的电流大小,实现送丝速度的实时优化。
作为一个示例的优选方案,在本实施例中,采用德国EWM Tetrix 521 AC/DC焊机进行堆焊成形5356铝合金零件时,焊接电流180A(峰值)/130A(基值),占空比1/2,氩气流量10L/min,弧长5mm,焊速250mm/min,控制策略为焊丝1上分流电阻电压增加1V,焊丝1送丝速度增大0.5m/min时,成形件表面形貌一致性最好,如图3所示,相比于图2采用送丝速度恒定不变的策略的效果,其成形件表面形貌一致性显著更优。
本专利不局限于上述最佳实施方式,任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种TIG电弧增材成形形貌的反馈控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S11:将焊丝与TIG焊机的电极夹相连,在WAAM成形过程中,焊丝同时作为引弧的电极;
步骤S12:采集焊丝上的电压信号,并建立弧长变化与焊丝分流比例的关系;采用霍尔电压传感器实时采集堆焊成形过程中焊丝上的电压值,通过A/D转换器将采集获得的电压信号转换为数字信号并输入到控制器,作为控制器的输入信号;
步骤S13:控制器通过对比分析输入信号与参考信号的差值,调整送丝机滚轮驱动电机的电流大小,从而实时调整送丝速度。
2.根据权利要求1所述的TIG电弧增材成形形貌的反馈控制方法,其特征在于:所述TIG焊机采用德国EWM Tetrix 521 AC/DC焊机;堆焊成形5356铝合金零件;焊接电流:峰值180A/基值130A,占空比:1/2,氩气流量:10L/min,弧长:5mm,焊速:250mm/min;所述输入信号每增加1V,送丝机的送丝速度增大0.5m/min。
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