CN110834132A - 椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，包括以下步骤：将椭球面箱底安装在变位机上；采用多层的方式堆积法兰的下颈部，在枪体上安装视觉传感器采集电弧图像，计算铝合金表面点到枪体喷嘴的高度与预设高度的误差，控制系统根据误差信息调整枪体高度；下颈部堆积完成后，将变位机工作台翻转90°，采用多层多道的方式堆积法兰上颈部；堆积完成后，对椭球面箱底及堆积成形的铝合金法兰近净成形件进行整体热处理；最后按产品要求进行机械加工处理，本发明不仅取消了储箱所有焊缝，改善了箱底与铝合金法兰接头的力学性能，而且有效解决椭球面基板上法兰电弧熔丝增材制造中过程稳定性差、枪体易与基板或堆积层发生碰撞的难题。

Description

椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法
技术领域
本发明属于电弧熔丝增材制造技术领域，具体涉及一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法。
背景技术
火箭燃料储箱是火箭上的重要结构，属于大型薄壁铝合金构件，其前后箱底为椭球面结构，椭球面箱底上分布着数量众多且结构复杂的法兰，用于向火箭发动机输送储箱中的燃料，对火箭的可靠性有着至关重要的影响。
目前，受结构和技术等因素的限制，最常用的方式是在铝合金箱底上自动甚至手工TIG焊接法兰。椭球面箱底材料为热处理强化铝合金，焊接法兰时，热输入较大，接头强度和塑性降低，焊后再次热处理会降低母材性能，椭球面箱底体积大，也无法进行局部热处理，这将造成铝合金法兰焊接接头性能差、残余应力及变形大，在后续的性能测试中容易发生接头渗漏甚至开裂现象，严重损害了产品的可靠性和安全性，法兰的焊接质量一直以来都是制约箱体质量和生产效率的瓶颈。
为解决这一难题，有研究人员提出采用退火态铝合金板材整体旋压成型椭球面箱底、而后电弧熔丝增材制造椭球面箱底上的铝合金法兰、再对椭球面箱底整体热处理、最后机械加工成型的创新制造思路，以整体成型方式取消椭球面箱底所有焊缝。但箱底表面为椭球面结构，在椭球面箱底表面上直接电弧熔丝增材制造铝合金法兰时，易导致过程稳定性差、工艺参数波动明显，甚至枪体与椭球面箱底基板或堆积层发生碰撞，其过程明显比传统水平基板电弧增材过程更为复杂，这就提出椭球面基板上铝合金法兰电弧熔丝增材制造成形控制难题。目前，国内外还没有开展关于椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造的研究。因此，有必要提出一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法。
中国专利申请号：201710695231.2名为“法兰件的电弧增材制造方法”提出了一种法兰的增材制造方法，其方法具体步骤如下：在水平基板上由内向外，以多层多道方式堆积法兰的底面和下颈部，随后以多层单道的方式堆积法兰的上颈部，但是该方法中先堆积法兰的底面、继而堆积颈部的方式无法适用于本发明中椭球面箱底上铝合金法兰的制造，原因主要有以下两点：首先，火箭燃料储箱中法兰的颈部与椭球面箱底直接连接，而中国专利号为201710695231.2所述的方法难以先成形上颈部，然后再成形底面和下颈部；其次，本发明中是在椭球面基板上堆积铝合金法兰，工艺稳定性差，而中国专利号为201710695231.2所述的方法在水平基板上成形法兰，并未解决椭球面基板上法兰电弧熔丝增材制造成形的难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，能有效解决铝合金法兰接头性能降低、残余应力及变形大的问题，减少了制造周期和成本，同时也能有效避免椭球面基板上法兰电弧熔丝增材制造中过程稳定性差、枪体易与基板或堆积层发生碰撞的难题。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，所述铝合金法兰由上颈部和与椭球面箱底配合的下颈部构成，上颈部设置有通孔，铝合金法兰位于椭球面箱底任意位置，包括以下步骤：
步骤一：调节变位机工作面呈水平状态，将退火态铝合金椭球面箱底安装在变位机工作面上，使椭球面箱底上待增材法兰部位的圆心与变位机圆心重合；
步骤二：在电弧熔丝枪体上安装视觉传感器，使其垂直于枪体轴线和堆积路径方向所组成的平面，视觉传感器用于实时监测沿堆积路径方向电弧前方的铝合金表面点P到枪体喷嘴的垂直高度H，将枪体调节至距变位机圆心一个下颈部法兰平均半径C的距离，C＝(r+R)/2，其中r为下颈部法兰内径，R为下颈部法兰外径，保持枪体静止；
步骤三：开启电弧熔丝增材制造电源，变位机旋转并在椭球面箱底上堆积铝合金法兰下颈部，视觉传感器采集电弧图像，在Microsoft Visual Studio 2010软件平台上开发图像处理流程，在图像上确定铝合金表面点P到枪体轴线的距离D，D的取值范围为6-12mm，同时提取图像中铝合金表面点P到枪体喷嘴的高度H；计算延迟时间T＝D/v，其中v为铝合金法兰堆积速度，单位为mm/s；计算t时刻监测高度H(t)与设定高度H0的误差e(t)＝H(t)-H0，H0的设定范围为4-13mm；经T秒延迟后，控制系统调节枪体的垂直高度，消除t时刻误差e(t)，枪体沿垂直高度的运动速度s为1-8mm/s；开展多层堆积，直到铝合金法兰下颈部最低堆积高度大于产品要求高度为止；
铝合金表面点P到枪体轴线的垂直距离D设定为6-12mm的原因如下：如果铝合金表面点P到枪体轴线的垂直距离过小，靠近枪体轴线处弧光强，铝合金表面点的灰度信息容易受弧光干扰，难以确定该点位置；如果铝合金表面点P到枪体轴线的垂直距离过大，当堆积过程接近结束时，堆积层上无法确定铝合金表面点P的位置，因此，文中D的取值范围为6-12mm预先设定高度H0设定在4-13mm的原因如下：如果预先设定高度H0设定过小，可能会出现钨针污染熔池、枪体与堆积层发生碰撞或者产生的飞溅聚集在喷嘴、成形效果差的现象；如果预先设定高度H0过大，可能会出现弧长过长、电弧易飘移、能量分散不集中或者气体保护效果差的现象，因此，文中H0的取值范围为4-13mm。
枪体沿垂直高度的运动速度s为1-8mm/s是因为：如果运动速度s过小，则枪体沿垂直高度调节速度过慢，影响控制系统的调节性能；倘若运动速度s过大，视觉传感器采集的铝合金电弧熔池图像存在虚影，影响检测效果。
步骤四：将变位机工作面绕翻转轴翻转90°，使变位机工作面垂直于水平面，将枪体移至法兰盘的下颈部，变位机开始旋转堆积成形上颈部，上颈部为多层多道结构，堆积过程中，相邻堆积道间枪体间距d设定为3-8mm；
相邻堆积道间枪体间距设定为3-8mm是因为：如果相邻堆积道间枪体间距过小，堆积道搭接区凸起且相邻两道堆积高度不同；如果相邻堆积道间枪体间距过大，相邻堆积道中间出现明显的凹陷区，因此，文中d的取值范围为3-8mm。
步骤五：待上颈部堆积完成后，对椭球面箱底及堆积成形的铝合金法兰近净成形件进行整体热处理；
步骤六：按铝合金法兰产品要求，对热处理后的铝合金法兰近净成形件进行机械加工处理，先铣削铝合金法兰下颈部，然后对上颈部进行钻孔，最后对铝合金法兰进行整体精加工，直到产品尺寸与粗糙度达到要求为止。
作为优选方式，步骤二中所述的视觉传感器由工业摄像机、中性密度片、中心波长为450-690的窄带滤光片组成。
作为优选方式，步骤三中电弧熔丝增材制造电源为熔化极气体保护电源、钨极氩弧电源、熔化极气体保护电源与钨极氩弧电源组成的复合电源。
作为优选方式，步骤三中图像处理流程包括图像滤波消除噪声、铝合金表面特征提取、铝合金边缘阈值自动分割、离散边缘点拟合。
作为优选方式，步骤五热处理方式为在530-540°保温60-80min的固溶处理。
本发明的有益效果为：(1)本发明采用退火态铝合金板材整体旋压成型椭球面箱底、而后电弧熔丝增材制造椭球面箱底上的法兰、再对椭球面箱底及堆积成形的铝合金法兰近净成形件整体热处理、最后机械加工处理的方法取消了储箱所有焊缝，改善了椭球面箱底与铝合金法兰接头的力学性能，保证了产品后续装配及性能；(2)利用视觉传感器实时采集电弧图像，计算铝合金表面点到枪体喷嘴的高度与预设高度的误差，控制系统根据误差信息调整枪体高度，有效地解决了椭球面基板上法兰电弧熔丝增材制造中过程稳定性差、工艺参数波动明显、枪体易与椭球面箱底基板或堆积层发生碰撞的难题。
附图说明
图1是椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法示意图；
图2是椭球面箱底和铝合金法兰示意图；
图3是椭球面箱底上铝合金法兰剖面图；
1为焊丝，2为枪体，3为椭球面箱底，4为视觉传感器，5为通孔，6为上颈部，7为下颈部。
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。
实施例1
本实施例要实现的上述椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造，其铝合金法兰整体高度为30mm，下颈部内径27.5mm，外径37.5mm；上颈部内径37.5mm，外径100mm，高13mm，上颈部均匀分布四个直径为7mm的通孔；基板材质为退火态铝合金，基板形状为椭球面；填充丝材为ER2319焊丝，丝材直径1.2mm。试验用工艺参数为：电流140A，送丝速度3m/min，枪体行走速度4mm/s，纯氩作为保护气，气体流量20L/min。
本实施例采用的视觉传统器为：如图1所示，枪体轴线作为Z轴，堆积路径方向为Y轴，视觉传感系统位于X轴上且其轴线垂直于YOZ平面，即视觉传感器正对枪体。
如图2、图3所示，一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，所述铝合金法兰由上颈部和与椭球面箱底配合的下颈部构成，上颈部设置有通孔，铝合金法兰位于椭球面箱底任意位置，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：调节变位机工作面呈水平状态，将退火态铝合金椭球面箱底安装在变位机工作面上，使椭球面箱底上待增材法兰部位的圆心与变位机圆心重合；
步骤二：在电弧熔丝枪体上安装视觉传感器，使其垂直于枪体轴线和堆积路径方向所组成的平面，视觉传感器用于实时监测沿堆积路径方向电弧前方的铝合金表面点P到枪体喷嘴的垂直高度H，将枪体调节至距变位机圆心一个下颈部法兰平均半径C的距离，C＝(r+R)/2，其中r为下颈部法兰内径，R为下颈部法兰外径，保持枪体静止；
步骤三：开启电弧熔丝增材制造电源，变位机旋转并在椭球面箱底上堆积铝合金法兰下颈部，视觉传感器采集电弧图像，在Microsoft Visual Studio 2010软件平台上开发图像处理流程，在图像上确定铝合金表面点P到枪体轴线的距离D，D的取值范围为6-12mm，同时提取图像中铝合金表面点P到枪体喷嘴的高度H；计算延迟时间T＝D/v，其中v为铝合金法兰堆积速度，单位为mm/s；计算t时刻监测高度H(t)与设定高度H0的误差e(t)＝H(t)-H0，H0的设定范围为4-13mm；经T秒延迟后，控制系统调节枪体2的垂直高度，消除t时刻误差e(t)，枪体沿垂直高度的运动速度s为1-8mm/s；开展多层堆积，直到铝合金法兰下颈部最低堆积高度大于产品要求高度为止；
步骤四：将变位机工作面绕翻转轴翻转90°，使变位机工作面垂直于水平面，将枪体移至法兰盘的下颈部，变位机开始旋转堆积成形上颈部，上颈部为多层多道结构，堆积过程中，相邻堆积道间枪体间距d设定为3-8mm；
步骤五：待上颈部堆积完成后，对椭球面箱底及堆积成形的铝合金法兰近净成形件进行整体热处理；
步骤六：按铝合金法兰产品要求，对热处理后的铝合金法兰近净成形件进行机械加工处理，先铣削铝合金法兰下颈部，然后对上颈部进行钻孔，最后对铝合金法兰进行整体精加工，直到产品尺寸与粗糙度达到要求为止。
步骤二中所述的视觉传感器由工业摄像机、中性密度片、中心波长为450-690的窄带滤光片组成。
步骤三中电弧熔丝增材制造电源为熔化极气体保护电源、钨极氩弧电源、熔化极气体保护电源与钨极氩弧电源组成的复合电源。
本实施例中，步骤三中图像处理流程包括图像滤波消除噪声、铝合金表面特征提取、铝合金边缘阈值自动分割、离散边缘点拟合。
首先使用高斯滤波算法消除噪声；根据图像特征确定铝合金表面点P的粗略位置，在该区域进行图像加强处理，即边缘阈值自动分割；最后将图像边缘离散的像素点拟合成一条直线，确定铝合金表面点P的准确位置。通过该步骤可得出铝合金表面点P到枪体轴线的垂直距离D，和铝合金表面点P到枪体喷嘴的高度H。
步骤五热处理方式为在530-540°保温60-80min的固溶处理。
对比例1
采用传统制造方法包括如下步骤：
步骤一：采用搅拌摩擦焊方法焊接椭球面箱底的纵环缝；
步骤二：法兰结构由锻造工艺制得；
步骤三：采用自动焊甚至手工焊的方法连接法兰与椭球面箱底，方式为法兰嵌入椭球面箱底并与其直接相焊，形成椭球面箱底上安装座圆形封闭焊缝。
对比例2
本对比例步骤和实施例1相同，区别在于：本实施例中步骤3中的D、H0等工艺参数取值不同：
本实施例中采用的工艺参数为：铝合金法兰整体高度为30mm，下颈部内径27.5mm，外径37.5mm；上颈部内径37.5mm，外径100mm，高13mm，上颈部均匀分布四个直径为7mm的通孔；基板材质为退火态铝合金，基板形状为椭球面；填充丝材为ER2319焊丝，丝材直径1.2mm。试验用工艺参数为：电流140A，送丝速度3m/min，枪体行走速度4mm/s，纯氩作为保护气，气体流量20L/min。
其中步骤三中提取图像信息时，铝合金表面点P到枪体轴线的距离D为15mm处，预先设定高度H0设定范围是20mm。
实施例和对比例得到的产品性能对比数据如下：
Figure BDA0002293302440000061
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 (5)

1.一种椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，所述铝合金法兰由上颈部和与椭球面箱底配合的下颈部构成，上颈部设置有通孔，铝合金法兰位于椭球面箱底任意位置，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：调节变位机工作面呈水平状态，将退火态铝合金椭球面箱底(3)安装在变位机工作面上，使椭球面箱底(3)上待增材法兰部位的圆心与变位机圆心重合；
步骤二：在电弧熔丝枪体(2)上安装视觉传感器(4)，使其垂直于枪体(2)轴线和堆积路径方向所组成的平面，视觉传感器(4)用于实时监测沿堆积路径方向电弧前方的铝合金表面点P到枪体喷嘴的垂直高度H，将枪体(2)调节至距变位机圆心一个下颈部(7)法兰平均半径C的距离，C＝(r+R)/2，其中r为下颈部(7)法兰内径，R为下颈部(7)法兰外径，保持枪体(2)静止；
步骤三：开启电弧熔丝增材制造电源，变位机旋转并在椭球面箱底(3)上堆积铝合金法兰下颈部，视觉传感器(4)采集电弧图像，在Microsoft Visual Studio 2010软件平台上开发图像处理流程，在图像上确定铝合金表面点P到枪体轴线的距离D，D的取值范围为6-12mm，同时提取图像中铝合金表面点P到枪体喷嘴的高度H；计算延迟时间T＝D/v，其中v为铝合金法兰堆积速度，单位为mm/s；计算t时刻监测高度H(t)与设定高度H0的误差e(t)＝H(t)-H0，H0的设定范围为4-13mm；经T秒延迟后，控制系统调节枪体(2)的垂直高度，消除t时刻误差e(t)，枪体(2)沿垂直高度的运动速度s为1-8mm/s；开展多层堆积，直到铝合金法兰下颈部(7)最低堆积高度大于产品要求高度为止；
步骤四：将变位机工作面绕翻转轴翻转90°，使变位机工作面垂直于水平面，将枪体(2)移至法兰盘的下颈部(7)，变位机开始旋转堆积成形上颈部(6)，上颈部(6)为多层多道结构，堆积过程中，相邻堆积道间枪体(2)间距d设定为3-8mm；
步骤五：待上颈部(6)堆积完成后，对椭球面箱底(3)及堆积成形的铝合金法兰近净成形件进行整体热处理；
步骤六：按铝合金法兰产品要求，对热处理后的铝合金法兰近净成形件进行机械加工处理，先铣削铝合金法兰下颈部(7)，然后对上颈部(6)进行钻孔，最后对铝合金法兰进行整体精加工，直到产品尺寸与粗糙度达到要求为止。
2.根据权利要求1所述的椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，其特征在于步骤二中所述的视觉传感器由工业摄像机、中性密度片、中心波长为450-690的窄带滤光片组成。
3.根据权利要求1所述的椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，其特征在于步骤三中电弧熔丝增材制造电源为熔化极气体保护电源、钨极氩弧电源、熔化极气体保护电源与钨极氩弧电源组成的复合电源。
4.根据权利要求1所述的椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，其特征在于步骤三中图像处理流程包括图像滤波消除噪声、铝合金表面特征提取、铝合金边缘阈值自动分割、离散边缘点拟合。
5.根据权利要求1所述的椭球面箱底上铝合金法兰电弧熔丝增材制造方法，其特征在于步骤五热处理方式为在530-540°保温60-80min的固溶处理。
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