CN112008198B - 一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，并公开了一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法，其通过旋转摩擦的塑性变形方式对已成形的铝合金堆积金属进行加工，可有效消除原堆积金属内部可能存在的气孔、裂纹等缺陷，同时细化铝合金堆积金属晶粒及沉淀相，提高力学性能，克服了铝合金电弧增材制造时成形质量难以有效控制的问题，完全不同于现有电弧增材制造铝合金构件质量控制技术中的工艺优化及选配丝材的方法，具有制造效率高、成本低、成形质量稳定等优点。

Description

一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法。

背景技术

铝合金具有较低的密度，良好的导电性、导热性、延展性，在航空、航天、船舶、兵器等领域皆有普遍应用。因此，铝合金是一种十分重要且应用广泛的金属材料，电弧熔丝增材制造利用电弧热源熔化金属丝材，并将熔化的金属通过层层堆积的方式成形，实现构件的制造。该制造方法成本低、效率高、污染小，可通过调控堆积工艺成形各种结构形式的大型复杂构件。因此，电弧熔丝增材制造是制造铝合金构件的有效方法。

由于铝合金本身的性质，电弧增材制造铝合金构件时，易出现如下问题，恶化电弧增材制造铝合金构件的质量：(1)电弧增材制造铝合金构件中易存在气孔：液态铝合金凝固时，氢在铝中的溶解度降低约95％，会析出大量氢气，然而，铝合金冷却速度是钢的4～7倍，电弧增材制造堆积后，铝合金快速冷却，氢气泡难以充分逸出，从而导致电弧增材制造铝合金构件中易存在气孔；(2)电弧增材制造铝合金构件中易存在裂纹：某些高溶质含量的铝合金，如7系铝合金，具有较大的凝固区间与脆性温度区间，同时，铝的凝固收缩率是钢的2倍，电弧增材制造堆积后，铝合金凝固收缩倾向较大，导致凝固时晶间切应力较大，凝固裂纹倾向较高，从而导致电弧增材制造铝合金构件中易存在裂纹；(3)电弧增材制造铝合金构件中晶粒及沉淀相粗大：尽管电弧增材制造为小熔池冶炼，但由于经历了凝固过程，所得铝合金堆积金属呈铸造态的大晶粒组织，与锻造态的破碎的细晶组织相比，仍须进一步细化晶粒，以提高堆积金属力学性能。此外，对于沉淀强化铝合金来说，电弧增材制造后，堆积金属中的沉淀相粒子易受较高的热作用而粗化，降低了其细小弥散的强化作用，从而导致电弧增材制造铝合金构件晶粒和沉淀相粗大。

如上所述，电弧增材制造铝合金构件中易存在气孔、裂纹、晶粒及沉淀相粗大的问题导致其无法满足使用要求，目前解决这些问题主要是采用工艺优化和选配铝合金丝材的方法。例如，专利CN110834133A提出了一种减少铝合金电弧熔丝增材制造气孔的方法，其将多个辅助电源的正极与GMA主路电源正极连接，使GMA主焊枪、多个辅助焊枪与基板间形成耦合电弧，减小堆积层热输入，同时控制辅助电流与总电流的比值。该专利是控制铝合金电弧增材制造质量的工艺方法，但是，多个辅助电源与主电源间会存在电磁干扰，会使堆积电流、电压存在较大波动，易导致铝合金电弧增材制造成形质量不稳定。再如，CN110181192A提出了一种弧焊增材制造用铝合金粉芯丝，其向丝材粉芯中引入Ba、Ca、Sr，以降低丝材在电弧增材制造过程中的气孔率，同时避免堆积金属中的氢脆现象，是控制铝合金电弧增材制造质量的材料选配方法，但是，该丝材对不同型号铝合金和不同电弧增材制造工艺，需要频繁试错配方和重复制造丝材，增加了丝材制造成本，降低了铝合金电弧增材制造效率。

因此，有必要进一步进行研究，以获得一种可有效控制成形质量且高效的制造系统及方法，并有效解决铝合金构件中易存在气孔、裂纹、晶粒及沉淀相粗大的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法，其通过旋转摩擦致使铝合金堆积金属发生塑性变形的方式，对已成形的堆积金属进行加工，可有效消除原堆积金属内部可能存在的气孔、裂纹等缺陷，同时细化铝合金堆积金属晶粒及沉淀相，提高力学性能，克服了铝合金电弧增材制造时成形质量难以有效控制的问题，完全不同于现有电弧增材制造铝合金构件质量控制技术中的工艺优化及选配丝材的方法，具有制造效率高、成本低、成形质量稳定等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种铝合金电弧增材制造质量控制系统，该控制系统包括测温机构、终端、变频器模块、控制机构、机器人、驱动机构和加工工具头，其中：

测温机构与控制机构相连，用于对电弧增材制造时铝合金堆积金属的起弧端进行实时温度测量，并将测得的温度数据发送给控制机构；

终端与控制机构相连，用于根据电弧增材制造的堆积路径生成机器人控制代码并发送给控制机构；

变频器模块与控制机构及驱动机构相连，用于接收控制机构的变频指令，并基于该变频指令控制驱动机构动作；

机器人与控制机构相连，其上固定有驱动机构，该驱动机构上连接有加工工具头，该加工工具头用于与堆积金属直接接触执行旋转摩擦加工操作；

控制机构用于记录测温机构测得的铝合金堆积金属起弧端的实时温度，并在温度低于预设温度时，发送变频指令给变频器模块，以通过变频器模块控制驱动机构动作进而控制加工工具头以预设的速度进行自旋转，同时还用于根据机器人控制代码生成机器人运动指令并发送给机器人，以通过机器人控制驱动机构动作进而控制加工工具头的空间位移运动。

作为进一步优选的，加工工具头由热作模具钢制成，其长度为4cm～8cm。

作为进一步优选的，加工工具头包括夹持部及设置在该夹持部上的端部，端部为半球形，其直径为单道堆积金属宽度的85％～90％。

作为进一步优选的，测温机构为红外成像仪。

按照本发明的另一方面，提供了一种铝合金电弧增材制造质量控制方法，其包括如下步骤：

S1根据电弧增材制造的堆积路径生成机器人控制代码，并基于控制代码生成机器人运动指令；

S2利用测温机构实时测量铝合金电弧增材制造过程中的堆积金属起弧端的温度，并将测得的温度发送给控制机构；

S3控制机构实时监测接收到的温度数据，当温度低于预设温度时，发送变频指令给变频器模块使其达到预设频率，以通过该变频器模块控制驱动机构动作进而控制其上的加工工具头以所需的速度进行自旋转，同时发送机器人运动指令给机器人，使机器人带动驱动机构动作进而带动加工工具头垂直压入堆积金属起弧处，当加工工具头压入所需深度时，机器人带动加工工具头沿堆积路径向熄弧处平移，以完成整个堆积金属的旋转摩擦加工。

作为进一步优选的，预设温度为200℃～300℃，优选为270℃。

作为进一步优选的，预设频率为48Hz～66Hz，以控制加工工具头的自旋转速度为1600r/min～2200r/min。

作为进一步优选的，加工工具头压入深度优选为单道堆积金属余高的17％～26％。

作为进一步优选的，加工工具头沿堆积路径的平移速度优选为150mm/min～260mm/min。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的质量控制系统通过设置加工工具头，并通过该加工工具头与其他部件的配合对已成形的堆积金属进行旋转摩擦加工，可使得堆积金属内部产生均匀的塑性变形和动态再结晶，可消除已存在的气孔、裂纹缺陷。

2.本发明通过对已成形的堆积金属进行旋转摩擦加工，使得堆积金属内部粗大的晶粒、沉淀相发生破碎，产生细晶强化及沉淀相弥散强化的效果，提高了堆积金属力学性能。

3.本发明的旋转摩擦加工针对已成形的堆积金属，且从堆积起弧端开始，直至熄弧端结束，可实现全堆积金属质量的有效控制。

4.本发明在旋转摩擦加工后堆积金属表面向内小范围塌陷，可有效改善在其上堆积下一层时，液态金属沿两侧流淌的不良现象。

5.本发明还对温度阈值进行了研究与设计，获得最佳阈值范围，即温度阈值为200℃～300℃，优选为270℃，在该温度范围内，铝合金具有较好的塑性，加工时可发生均匀的塑性变形，不会被大量切削导致减材，利于加工的进行。

6.本发明还对加工工具头的尺寸、自旋转速度、压入深度及平移速度等参数进行了研究与设计，获得最佳工艺参数，在上述参数设计范围内，可保证堆积金属均匀变形，所加工的堆积金属不产生飞边、不会大量减材，加工质量较好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种铝合金电弧增材制造质量控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种铝合金电弧增材制造质量控制系统的模块框图；

图3为本发明实施例提供的加工工具头的形状示意图；

图4为本发明实施例提供的加工工具头的截面及尺寸设计图；

图5为本发明实施例提供的一种铝合金电弧增材制造质量控制方法的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-测温机构，2-终端，3-变频器模块，4-控制机构，5-机器人，6-驱动机构，7-加工工具头，71-夹持部，72-端部。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

电弧增材制造铝合金构件时，易出现氢气孔、纵向裂纹、凝固裂纹、粗大晶粒及沉淀相等问题，因此，需尽力优化铝合金的电弧增材制造工艺，或选用合适的铝合金丝材，以保证铝合电弧增材制造质量。然而，当由于突发因素导致铝合金电弧增材制造过程中出现不符合预期的意外情况时(如工艺参数异常波动、电弧增材制造设备发生短路、铝合金丝材不达标，等)，仍然会导致已成形的铝合金堆积金属内出现气孔、裂纹、粗大组织等不良现象，且这些现象很可能无法被工人察觉到，这就导致了铝合金电弧增材制造质量下降，或铝合金电弧增材制造构件存在安全隐患。本发明基于二次成形的思路对铝合金电弧增材制造质量进行实时控制，二次成形的具体方式为旋转摩擦加工。二次成形，即在铝合金的电弧增材制造过程中，对已成形的堆积金属进行实时的二次加工，本发明利用一个机器人执行二次加工作业，实现旋转摩擦加工。使用时，可与电弧增材制造系统的机器人协同配合，以在执行电弧增材制造时进行旋转摩擦的二次加工，提高堆积金属的成形质量和成形效率，解决铝合金构件中易存在气孔、裂纹、晶粒及沉淀相粗大的问题。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种铝合金电弧增材制造质量控制系统，其包括测温机构1、终端2、变频器模块3、控制机构4、机器人5、驱动机构6和加工工具头7，通过上述各组件的相互配合，可有效消除原堆积金属内部可能存在的气孔、裂纹等缺陷，同时细化铝合金堆积金属晶粒及沉淀相，提高力学性能，克服了铝合金电弧增材制造时成形质量难以有效控制的问题。

下面逐一对上述各组件进行详细说明。

对于测温机构1而言，其与控制机构4相连，用于对电弧增材制造所得铝合金堆积金属的起弧端进行实时温度测量，并将测得的温度数据发送给控制机构4。具体的，测温机构1可为红外成像仪，其与控制机构4连接后，可通过与红外成像仪搭配使用的成像软件将铝合金堆积金属起弧处的三维温度分布呈现在控制机构4的显示面板上。其中，电弧增材制造工艺可以为利用钨极惰性气体焊(TIG，Tungsten Inert Gas)、熔化极惰性气体保护焊(MIG，metal inert-gas welding)、富氩混合气体保护焊(MAG，Metal Active Gas ArcWelding)、埋弧自动焊(SAW，Submerged-arc Welding)等，电弧增材制造工艺所用丝材为铝及铝合金丝材，例如ER5183铝丝材、ER5356铝丝材、ER2319铝丝材，母材例如为6061铝、2219铝，堆积电流为200A～250A，堆积行进速度为300mm/min～350mm/min，送丝速度为1800mm/min～2100mm/min。

对于终端2而言，其与控制机构4相连，用于根据电弧增材制造时的堆积路径，生成机器人控制代码，发送给控制机构4。具体的，终端2生成机器人控制代码的具体实现为：将电弧增材制造时的堆积路径文件在机器人运动规划软件包中生成，该机器人控制代码中包含机器人5第6轴端部的空间位移路径信息，以及在每段路径上移动时的速度信息。该机器人控制代码可控制机器人第6轴固定的驱动机构在堆积金属路径上以150mm/min～260mm/min的速度进行位移，因此，受驱动机构夹持的加工工具头也以150～260mm/min的速度对堆积金属进行加工。

对于变频器模块3而言，其与控制机构4、驱动机构6相连，用于接收控制机构4的变频指令，以直接控制驱动机构6，从而通过驱动机构6间接控制加工工具头7的自旋转速度。具体的，通过调节变频器模块3的频率，可间接调节加工工具头的自旋转转速，其中，1rpm转速＝0.03Hz频率，优选的，控制变频器模块的频率为48Hz～66Hz，该频率范围可控制加工工具头的自旋转速度为1600r/min～2200r/min。

对于控制机构4而言，其与测温机构1、机器人5、驱动机构6相连，控制机构4用于记录测温机构1得到的铝合金堆积金属起弧端的实时温度，此外，控制机构内嵌有温度判断算法，当识别到温度低于预设的温度阈值时，发送变频指令给变频器模块3，以通过变频器模块3间接控制加工工具头7的自旋转转速；同时，控制机构4根据机器人控制代码，生成机器人运动指令，发送给机器人5，控制加工工具头7的空间位移运动，该空间位移运动包括加工工具头垂直压入堆积金属起弧处、加工工具头沿堆积路径向熄弧处平移运动以及加工工具头从堆积金属熄弧处移出等运动。

具体的，控制机构通过控制面板进行人机交互，预设参数时，直接在控制面板输入与加工参数相对应的变频器模块的参数即可。控制机构4发送给变频器模块3的变频指令由于可间接控制加工工具头7自旋转转速，该变频指令可被认为是加工参数指令，加工参数指令可启动驱动机构，使加工工具头开始自旋转，并控制加工工具头的自旋转速度为1600r/min～2200r/min。进一步的，设置加工工具头自旋转速度的加工参数指令通过如下方法实现：加工工具头的自旋转速度通过变频器模块调节，变频器模块的控制面板内嵌于控制机构中，在控制机构的控制面板中调节变频器模块的频率在48Hz～66Hz，该频率范围可控制加工工具头的自旋转速度为1600r/min～2200r/min。

具体的，温度阈值为200℃～300℃，优选为270℃，在该温度范围内，铝合金具有较好的塑性，加工时可发生均匀的塑性变形，不会被大量切削导致减材，利于加工的进行。因此，确定上述数值为本发明的温度阈值范围。温度阈值通过如下方法实现：在控制机构上调节测温机构的三维温度分布成像软件颜色梯度阈值为与确定的温度相同，以显著区分低于及高于阈值的铝合金堆积金属。

对于机器人5而言，其与控制机构4相连，用于根据控制机构4发送的机器人运动指令，控制加工工具头7的空间位移运动；对于驱动机构6而言，其固定在机器人5上，具体固定在机器人5的第6轴上，其还与控制机构4、加工工具头7相连，用于根据控制机构4发送的指令，控制加工工具头7的自旋转转速。驱动机构6为数字化电主轴系统，是成熟的现有技术，对其具体结构和原理不进行详述。

对于加工工具头7而言，其与驱动机构6相连，用于与堆积金属直接接触执行旋转摩擦加工操作。具体的，加工工具头7的材质为热作模具钢，由机加工得到，例如选用材质为3Cr₃Mo₃W₂V钢、H11钢、H13钢。加工时，加工工具头自堆积金属起弧端开始，沿堆积路径向熄弧端行进，进行全堆积金属的旋转摩擦加工，促进铝合金堆积金属发生晶粒细化与动态再结晶，有效改善金属内部组织和表面成形质量，消除气孔、裂纹等缺陷，显著提高铝合金构件综合性能，实现了电弧增材制造质量的实时、有效、精确控制。

优选的，请参阅图3和图4，图3为本发明实施例提供的加工工具头的形状示意图，图4为本发明实施例提供的加工工具头的截面及尺寸设计示意图，加工工具头7由夹持部71和端部72组成，端部72形状为半球形，半球形的直径D为单道堆积金属宽度的85％～90％，优选为87％。具体的，加工工具头7整体长度L为4cm～8cm，优选为5cm，加工工具头在旋转摩擦时自旋转速度为1600r/min～2200r/min，压入深度为单道堆积金属余高的17％～26％，沿堆积路径平移速度为150mm/min～260mm/min，在上述参数设计范围内，可保证堆积金属均匀变形，所加工的堆积金属不产生飞边、不会大量减材，加工质量较好。

请参阅图5，本发明还提供了一种铝合金电弧增材制造质量控制方法，其通过上述质量控制系统实现，具体包括如下步骤：

S1根据电弧增材制造的堆积路径生成机器人控制代码，并基于控制代码生成机器人运动指令；

S2利用测温机构实时测量铝合金电弧增材制造过程中堆积金属起弧端的温度，并将测得的温度发送给控制机构；

S3控制机构通过判断已成形堆积金属起弧处的温度，向机器人、驱动机构发送指令，由堆积金属起弧处开始对堆积金属进行旋转摩擦加工直至熄弧处结束，以此完成整道堆积金属的加工。具体的，控制机构实时监测接收到的温度数据，当温度低于预设温度时，发送预设的变频指令给变频器模块，以通过该变频器模块控制驱动机构动作进而控制加工工具头以所需的速度进行自旋转，同时发送机器人运动指令给机器人，使机器人带动驱动机构动作进而带动加工工具头垂直压入堆积金属起弧处，当加工工具头压入所需深度时，机器人带动加工工具头沿堆积路径向熄弧处平移，以完成对整个堆积金属的旋转摩擦加工，促进铝合金堆积金属发生晶粒细化与动态再结晶，有效改善金属内部组织和表面成形质量，消除气孔、裂纹等缺陷，显著提高铝合金构件综合性能，实现了电弧增材制造质量的实时、有效、精确控制。

具体的，预设温度为200℃～300℃，优选为270℃。预设的变频指令具体为变频器模块的频率设置在48Hz～66Hz，该频率范围可控制加工工具头的自旋转速度为1600r/min～2200r/min。所需深度优选为单道堆积金属余高的17％～26％，加工工具头沿堆积路径的平移速度优选为150mm/min～260mm/min。

旋转摩擦加工的物理机制及其对铝合金堆积金属质量控制的机理如下：

根据机器人运动指令，由机器人带动自旋转的加工工具头以一定速度进行移动；

首先，加工工具头的半球面顶端与堆积金属接触；受机器人带动，加工工具头的半球面顶端压入堆积金属内，并不断深入，此时，加工工具头半球面压入的挤压力，与其自旋转对堆积金属内产生的剪切力，共同产生摩擦热作用；

之后，机器人带动加工工具头进一步深入堆积金属，由于加工工具头形状为半球面，则使得压入堆积金属的曲面范围不断增大，堆积金属受挤压力、剪切力和摩擦热作用的范围不断增大；

当加工工具头压入深度达到单道堆积金属余高的17％～26％时，机器人不再带动加工工具头进一步压入，此时，根据机器人运动指令，机器人带动加工工具头沿堆积路径移动，移动时，加工工具头对堆积金属进一步产生与移动方向相反的摩擦力。

由上述可知，旋转摩擦加工时，加工工具头压入堆积金属内产生的挤压力，加工工具头自旋转对堆积金属产生的剪切力，以及加工工具头移动时对堆积金属内产生的摩擦力，共同形成较高的摩擦热作用和机械力作用，使本来在预设温度下(例如270℃)的堆积金属温度进一步提高，同时内部堆积金属在挤压力、剪切力、摩擦力的作用下更容易发生均匀的塑性变形和动态再结晶，这使得：(1)堆积金属凝固后形成的内部气孔、宏观纵向裂纹、微观凝固裂纹发生塑性变形，并大幅减小气孔和裂纹的空隙尺寸；(2)在堆积金属内部，由于堆积热过程产生的铸造态粗大晶粒，在经过塑性变形后发生大幅破碎，并在摩擦热作用下产生动态回复与再结晶，使得晶粒细化，且尺寸更加均匀，同时，动态再结晶使得气孔和裂纹的微小空隙处发生细小晶粒的固态下形核与生长，当空隙内相对位置的细小晶粒联结在一起时，即可消除气孔与裂纹缺陷；(3)在堆积金属内部，由于堆积热过程导致的粗化的沉淀相也发生破碎，以更细小的亚稳态形式出现，并随着塑性变形，在堆积金属内弥散、均匀分布，提高了沉淀相的强化效果。

进一步的，由于加工工具头端部形状为半球形，被加工后的堆积金属呈向内小范围塌陷的形态，而不再呈向上拱起的曲面形态，该拱起的曲面形态易导致在此处堆积下一层时，液态金属沿拱起的曲面向下流淌，而经过旋转摩擦加工后的向内塌陷形态可使得下一层液态金属在凹陷处稳定存聚和流动，因此，经过旋转摩擦加工后再进行堆积，可有效改善堆积时液态金属沿两侧流淌的不良现象，提高铝合金堆积金属的表面质量。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

本实施例采用所述质量控制系统实现铝合金电弧增材制造质量的控制，执行之前先确定各项参数：本实施例中所用电弧增材制造工艺为钨极惰性气体焊(TIG，TungstenInert Gas)，堆积电流200A，堆积行进速度300mm/min，送丝速度2000mm/min，所用丝材为ER2319铝丝材，所用母材为2219铝，单道堆积金属宽度为7.6mm；确定加工工具头的材质，并根据铝合金电弧增材制造单道堆积金属的宽度确定加工工具头的尺寸参数，本实施例中加工工具头材质选用H13钢，其端部直径D取单道堆积金属宽度的90％，为6.8mm，加工工具头整体长度L为6cm，控制机构内部预设如下参数：温度判断阈值270℃，设置加工工具头自旋转速度的加工参数指令。

具体包括如下步骤：

S1根据电弧增材制造的堆积路径在终端上生成机器人控制代码，发送给控制机构，控制机构根据机器人控制代码，生成机器人运动指令；

S2在铝合金电弧增材制造过程中，利用测温机构实时测量堆积金属起弧端的温度，并将所测得温度随时间变化数据发送给控制机构；

S3控制机构得到温度数据，在三维温度分布成像软件上显示温度分布，并逐时刻判断起弧位置温度是否低于270℃，当温度低于270℃时，发送变频指令给变频器模块使其频率为66Hz，以控制驱动机构动作进而控制加工工具头以2200r/min的速度进行自旋转，并保持所设置的自旋转速度，同时发送机器人运动指令给机器人，使机器人带动驱动机构动作进而带动加工工具头垂直压入堆积金属起弧处，当加工工具头压入深度达到单道堆积金属余高的26％时，机器人带动加工工具头沿堆积金属(即堆积路径)以180mm/min的速度向熄弧处平移，以完成对整个堆积金属的旋转摩擦加工，获得的堆积金属的性能结果参见表1。

对比例1

采用与实施例1同样的电弧增材制造工艺进行金属的堆积，不同之处在于不进行旋转摩擦加工，以与本发明进行对比，该对比例获得的堆积金属的性能结果参见表1。

表1堆积金属的性能指标

实施例2

本实施例采用所述质量控制系统实现铝合金电弧增材制造质量的控制，执行之前先确定各项参数：本实施例中所用电弧增材制造工艺为熔化极惰性气体保护焊(MIG，metalinert-gas welding)，堆积电流230A，堆积行进速度300mm/min，送丝速度1800mm/min，所用丝材为ER5183铝丝材，所用母材为6061铝，单道堆积金属宽度为8.2mm；确定加工工具头的材质，并根据铝合金电弧增材制造单道堆积金属的宽度确定加工工具头的尺寸参数，本实施例中加工工具头材质选用H11钢，其端部直径D取单道堆积金属宽度的85％，为7mm，加工工具头整体长度L为8cm，控制机构内部预设如下参数：温度判断阈值250℃，设置加工工具头自旋转速度的加工参数指令。

具体包括如下步骤：

S1根据电弧增材制造的堆积路径在终端上生成机器人控制代码，发送给控制机构，控制机构根据机器人控制代码，生成机器人运动指令；

S2在铝合金电弧增材制造过程中，利用测温机构实时测量堆积金属起弧端的温度，并将所测得温度随时间变化数据发送给控制机构；

S3控制机构得到温度数据，在三维温度分布成像软件上显示温度分布，并逐时刻判断起弧位置温度是否低于250℃，当温度低于250℃时，发送变频指令给变频器模块使其频率为54Hz，以控制驱动机构动作进而控制加工工具头以1800r/min的速度进行自旋转，并保持所设置的自旋转速度，同时发送机器人运动指令给机器人，使机器人带动驱动机构动作进而带动加工工具头垂直压入堆积金属起弧处，当加工工具头压入深度达到单道堆积金属余高的20％时，机器人带动加工工具头沿堆积金属(即堆积路径)以260mm/min的速度向熄弧处平移，以完成对整个堆积金属的旋转摩擦加工，获得的堆积金属的性能结果参见表2。

对比例2

采用与实施例2同样的电弧增材制造工艺进行金属的堆积，不同之处在于不进行旋转摩擦加工，以与本发明进行对比，该对比例获得的堆积金属的性能结果参见表2。

表2堆积金属的性能指标

本发明的一种铝合金电弧增材制造质量控制系统及方法，通过旋转摩擦的塑性变形方式，对已成形的铝合金堆积金属进行加工，可有效消除原堆积金属内部可能存在的气孔、裂纹等缺陷，同时细化铝合金堆积金属晶粒及沉淀相，提高力学性能，克服了铝合金电弧增材制造时成形质量难以有效控制的问题，完全不同于现有电弧增材制造铝合金构件质量控制技术中的工艺优化及选配丝材的方法。本发明可有效解决铝合金电弧增材制造过程中出现气孔、裂纹缺陷时难以及时消除，铝合金电弧增材制造过程中出现粗大的晶粒和沉淀相时难以及时改善等问题，同时解决铝合金电弧增材制造质量难以有效实时控制的问题。

需要说明的是，对于前述的各系统实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种铝合金电弧增材制造质量控制系统，其特征在于，该控制系统包括测温机构（1）、终端（2）、变频器模块（3）、控制机构（4）、机器人（5）、驱动机构（6）和加工工具头（7），其中：

所述测温机构（1）与所述控制机构（4）相连，用于对电弧增材制造时铝合金堆积金属的起弧端进行实时温度测量，并将测得的温度数据发送给所述控制机构（4）；

所述终端（2）与所述控制机构（4）相连，用于根据电弧增材制造的堆积路径生成机器人控制代码并发送给控制机构（4）；

所述变频器模块（3）与所述控制机构（4）及所述驱动机构（6）相连，用于接收所述控制机构（4）的变频指令，并基于该变频指令控制所述驱动机构（6）动作；

所述机器人（5）与所述控制机构（4）相连，其上固定有所述驱动机构（6），该驱动机构（6）上连接有所述加工工具头（7），该加工工具头（7）用于与堆积金属直接接触执行旋转摩擦加工操作；

所述控制机构（4）用于记录所述测温机构（1）测得的铝合金堆积金属起弧端的实时温度，并在温度低于预设温度时，发送变频指令给所述变频器模块（3），以通过所述变频器模块（3）控制所述驱动机构（6）动作进而控制加工工具头（7）以预设的速度进行自旋转，同时还用于根据机器人控制代码生成机器人运动指令并发送给所述机器人（5），以通过机器人（5）控制所述驱动机构（6）动作进而控制加工工具头（7）的空间位移运动。

2.如权利要求1所述的铝合金电弧增材制造质量控制系统，其特征在于，所述加工工具头（7）由热作模具钢制成，其长度为4cm~8cm。

3.如权利要求2所述的铝合金电弧增材制造质量控制系统，其特征在于，所述加工工具头（7）的长度为5cm。

4.如权利要求1-3任一项所述的铝合金电弧增材制造质量控制系统，其特征在于，所述加工工具头（7）包括夹持部（71）及设置在该夹持部（71）上的端部（72），所述端部（72）为半球形，其直径为单道堆积金属宽度的85%~90%。

5.如权利要求4所述的铝合金电弧增材制造质量控制系统，其特征在于，所述端部（72）的直径为单道堆积金属宽度的87%。

6.一种铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1根据电弧增材制造的堆积路径生成机器人控制代码，并基于控制代码生成机器人运动指令；

S2利用测温机构实时测量铝合金电弧增材制造过程中的堆积金属起弧端的温度，并将测得的温度发送给控制机构；

S3控制机构实时监测接收到的温度数据，当温度低于预设温度时，发送变频指令给变频器模块使其达到预设频率，以通过该变频器模块控制驱动机构动作进而控制其上的加工工具头以所需的速度进行自旋转，再发送机器人运动指令给机器人，使机器人带动驱动机构动作进而带动所述加工工具头垂直压入堆积金属起弧处，当加工工具头压入所需深度时，机器人带动加工工具头沿堆积路径向熄弧处平移，以完成整个堆积金属的旋转摩擦加工。

7.如权利要求6所述的铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，所述预设温度为200℃~300℃。

8.如权利要求7所述的铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，所述预设温度为270℃。

9.如权利要求6所述的铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，所述预设频率为48Hz~66Hz，以控制所述加工工具头的自旋转速度为1600r/min~2200r/min。

10.如权利要求6所述的铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，所述加工工具头压入深度为单道堆积金属余高的17%~26%。

11.如权利要求6~10任一项所述的铝合金电弧增材制造质量控制方法，其特征在于，所述加工工具头沿堆积路径的平移速度为150mm/min~260mm/min。

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