CN112517924B - 一种基于反向补偿的电弧增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，通过在基板两侧进行增材件的制造，通过不同侧的热输入，离散并释放基板上的残余应力，在前后两次熔覆沉积过程中，形变方向相反并相互抵消，在许用变形量范围内，实现热应力和变形的控制，基板两侧交错进行熔覆，前层对后层进行预热，后层对前层进行后热，释放残余应力，减小熔覆变形。

Description

一种基于反向补偿的电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造成形件几何精度控制领域，特别涉及一种增材制造残余热应力及变形的控制方法。
背景技术
增材制造是采用电弧作为成形热源的一种金属增材制造技术，具有熔积效率和能量利用率高，设备成本低等优点，因此在航空航天、国防军工、轨道交通等领域高强度、大中型金属零件低成本、高效快速制造方面具有独特的优势，是最可望实现与激光、电子束增材制造方法优势互补的金属增材制造技术。
但在金属零件增材制造过程中，变形是影响成型构件的精度和机械性能的重要因素，影响自动化成形过程及零件最终几何尺寸精度，严重时甚至开裂，成形构件报废。导致该问题的根本原因是成形过程瞬时局域热源移动时序作用于工件表面形成非均匀温度场，导致零件残余热应力集中，进而引起较大变形甚至开裂问题。尤其对电弧增材制造技术而言，其热输入较大且应用目标为大尺寸构件近净成形，温度场的不均匀性更显著，变形问题更严重。因增材成形过程强烈依赖于上一层成形形貌及尺寸稳定性，残余热应力诱导的变形甚至开裂往往致使成形过程无法继续，成形件报废。目前，有效控制残余热应力，抑制产生较大的应力集中，防止变形，成为金属增材制造的难点问题。
在焊接技术中，普遍采用焊前控制，如预变形、预拉伸、刚性固定等，调节热输入及焊后处理，如滚压焊缝、锤击、温差拉伸、机械拉伸、焊后高温回火等控制焊接残余应力，抑制焊接变形。对增材制造而言，在金属沉积过程中，特别是在去除支撑结构时，很容易发生结构变形。已经发现层间停留时间，夹具夹紧和层厚度是直接金属沉积中残余应力和变形的影响因素。仅刚性固定、调节热输入、随焊滚压、锤击等变形抑制方法具有一定的可行性，但刚性固定移除后，原成形件尺寸、结构精度难以保证，调节热输入在多道往复的成形过程中，对宏观温度场的影响甚微。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，通过在基板两侧进行增材件的制造，通过不同侧的热输入，离散并释放熔覆层的残余应力，在前后两次沉积过程中，基板形变方向相反并相互抵消，在许用变形量范围内，实现热应力和变形的控制。
一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，具体包括以下步骤：
步骤一：建立增材件的三维模型，并将三维模型进行前处理，再导入到有限元分析软件进行热力耦合分析；
步骤二：对模型进行前处理，并对其进行仿真模拟，提取道间材料沉积的基板热应力以及变形；
步骤三：根据构件变形改进增材参数，增大或减小增材制造功率，沉积速率，送粉量，改善基板及试件变形；
步骤四：再次进行增材三维组合模型仿真，根据仿真结果改进工艺，重复步骤三，直到增材件变形在允许范围内；
步骤五：得出反向补偿的MIG增材工艺参数。
所述步骤一的具体操作为，根据实际电弧增材制造的工艺流程，在三维软件中建立增材件数模的三维模型，将三维模型导入有限元分析软件，通过有限元分析软件进行模型前处理，编写热源子程序，对三维模型进行热力耦合分析，得到初始增材制造之后的应力场、温度场和形变量。
电弧增材制造过程中有限元仿真分析包括增材件摆放方式设计、支撑设计、熔覆工艺设计、材料熔覆、补偿工艺设计以及每次增材后的应力场及变形，再对初始熔覆得到的热应力场以及变形工艺进行反向补偿。
在对有限元模型进行电弧增材制造初始过程进行有限元仿真分析之后得到初始电弧增材后的应力场、温度场和试件形变量，对基板变形的方向预测补偿侧的热应力分布以及变形。
所述步骤四中在电弧增材仿真成形过程中，先在基板一侧进行材料的熔覆，第一层材料沉积过后，翻转基板，通过反向增材，在另一侧对应位置的基板上进行材料沉积，并进行构件2的制造，同时实现对一侧增材层的后热处理，如此反复，降低热应力，基板经过两次形变方向相反并相互抵消，改善零件变形，提高部件精度。
所述步骤四的仿真模拟过程中，微调增材参数，当基板材料变形偏向一侧时，减小同一侧增材制造热功率或者增加另一侧的增材制造热功率，为避免变形量过大，每次调整参数不超过原参数的10%，使成形件在允许范围之内，使每个补偿周期基板形变量和最终形变量最小。
所述增材参数包括：热输出功率和材料熔覆方向，熔覆速率，送粉率。
所述步骤五中具体操作为，根据设计的工艺进行MIG平板增材制造的仿真，经过多次应力场和变形的反向变换处理后，使基板变形量在允许范围内，减小热应力的不均匀分布，得到变形分布在允许范围之内的零件。
本发明有如下有益效果：
1、基于增材制造技术在复杂空间结构构型能力上的优势，结构可设计性强，提出基于反向补偿的增材结构设计，通过在基板的一侧进行熔覆补偿，促使基板反向变形，补偿侧对增材侧进行后热，释放基板及试件残余应力，实现热应力和变形的控制。
2、针对不同的两侧零部件，通过设计不同的补偿面形态和工艺参数，包括材料，熔覆功率，送粉速度，道间冷却时间等参数来达到零件的表面参数最佳以及参数来减小零件和基板的变形和应力，工艺参数调整更加灵活。
3、根据初始零件工艺依次经过每一次熔覆得到增材过程中构件的热应力场和变形， 可直接获得最终零件成型过程中每步应力分布和形变程度新模型。针对每层熔覆增材调整另一侧的熔覆工艺参数。
4、基板两侧交错进行熔覆，前层对后层进行预热，后层对前层进行后热，释放残余应力，减小焊接变形。该方法可实现热应力和变形的主动控制。
5、两个零件只需要一块基板做支撑，无需其他硬件设备的投入，实施成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为基于反向补偿的MIG增材制技术方法流程图。
图2为单侧平板增材壁形成形件三维示意图。
图3为反向补偿的双侧平板增材壁形成形件三维示意图。
图4为第一道熔覆层的数据提取路径。
图5为传统方法与反向补偿的电弧增材制造技术方法路径形变量比较。
图6为传统方法与反向补偿的电弧增材制造技术方法路径残余应力比较。
图7为壁形成形件反向补偿的电弧增材制造示意图。
图中：1、2、3、4为熔覆层，5为金属基板，6为基板夹具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1-7所示，一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，具体包括以下步骤：
步骤一：建立增材件的三维模型，并将三维模型进行前处理，再导入到有限元分析软件进行热力耦合分析；根据实际电弧增材制造的工艺流程，在三维软件中建立增材件数模的三维模型，将三维模型导入有限元分析软件，通过有限元分析软件进行模型前处理，编写热源子程序，对三维模型进行热力耦合分析，得到初始增材制造之后的应力场、温度场和形变量。
步骤二：对模型进行前处理，并对其进行仿真模拟，提取道间材料沉积的基板热应力以及变形；
步骤三：根据构件变形改进增材参数，增大或减小增材制造功率，减小基板及试件变形；
步骤四：再次进行增材三维组合模型仿真，根据仿真结果改进工艺，重复步骤三，直到增材件变形在允许范围内；
步骤五：得出反向补偿的MIG增材工艺参数。
进一步的，电弧增材制造过程中有限元仿真分析包括增材件摆放方式设计、支撑设计、熔覆工艺设计、材料熔覆、补偿工艺设计以及每次增材后的应力场及变形，再对初始熔覆得到的热应力场以及变形工艺进行反向补偿。
进一步的，在对有限元模型进行电弧增材制造初始过程进行有限元仿真分析之后得到初始电弧增材后的应力场、温度场和形变量，对基板变形的方向预测补偿侧的热应力分布以及变形。
进一步的，所述步骤四中在电弧增材仿真成形过程中，先在基板一侧进行材料的熔覆，第一层材料沉积过后，翻转基板，通过反向增材，在另一侧对应位置的基板上进行材料沉积，并进行构件2的制造，同时实现对一侧增材层的后热处理，如此反复，降低热应力，基板经过两次形变方向相反并相互抵消，改善零件变形，提高部件精度。
进一步的，所述步骤四的仿真模拟过程中，微调增材参数，当基板材料变形偏向一侧时，减小同一侧增材制造热功率或者增加另一侧的增材制造热功率，为避免变形量过大，每次调整参数不超过原参数的10%，使成形件在允许范围之内，使每个补偿周期基板形变量和最终形变量最小。
进一步的，所述增材参数包括：热输出功率和增材方向。通过控制热输入功率和增材方向能够有效的控制增材过程中材料的变形。
进一步的，所述步骤五中具体操作为，根据设计的工艺进行MIG平板增材制造的仿真，经过多次应力场和变形的反向变换处理后，使基板变形量在允许范围内，减小热应力的不均匀分布，得到变形分布在允许范围之内的零件。
图5所示为充分冷却后路径上形变量的比较线图，双侧平板增材壁形成形件相较于单侧平板增材壁形成形件的变形较小，双侧平板增材过程中一侧增材件的成型过程中对基板的后热使基板反向弯曲，减小了成形件1的变形。
图6所示为充分冷却后路径上残余应力的比较线图，除焊趾处出现较大的应力集中外，第一道熔覆层路径上残余应力大致相等。

Claims (2)

1.一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，其特征在于：通过在基板两侧进行增材件的制造，通过不同侧的热输入，离散并释放熔覆层的残余应力，在前后两次沉积过程中，基板形变方向相反并相互抵消，在许用变形量范围内，实现热应力和变形的控制；
具体包括以下步骤：
步骤一：建立增材件的三维模型，并将三维模型进行前处理，再导入到有限元分析软件进行热力耦合分析；
步骤二：对模型进行前处理，并对其进行仿真模拟，提取道间材料沉积的基板热应力以及变形；
步骤三：根据构件变形改进增材参数，增大或减小增材制造功率，沉积速率，送粉量，改善基板及试件变形；
步骤四：再次进行增材三维组合模型仿真，根据仿真结果改进工艺，重复步骤三，直到增材件变形在允许范围内；
步骤五：得出反向补偿的MIG增材工艺参数；
所述步骤一的具体操作为，根据实际电弧增材制造的工艺流程，在三维软件中建立增材件数模的三维模型，将三维模型导入有限元分析软件，通过有限元分析软件进行模型前处理，编写热源子程序，对三维模型进行热力耦合分析，得到初始增材制造之后的应力场、温度场和形变量；
电弧增材制造过程中有限元仿真分析包括增材件摆放方式设计、支撑设计、熔覆工艺设计、材料熔覆、补偿工艺设计以及每次增材后的应力场及变形，再对初始熔覆得到的热应力场以及变形工艺进行反向补偿；
在对有限元模型进行电弧增材制造初始过程进行有限元仿真分析之后得到初始电弧增材后的应力场、温度场和试件形变量，对基板变形的方向预测补偿侧的热应力分布以及变形；
所述步骤四中在电弧增材仿真成形过程中，先在基板一侧进行材料的熔覆，第一层材料沉积过后，翻转基板，通过反向增材，在另一侧对应位置的基板上进行材料沉积，并进行构件2的制造，同时实现对一侧增材层的后热处理，如此反复，降低热应力，基板经过两次形变方向相反并相互抵消，改善零件变形，提高部件精度；
所述步骤四的仿真模拟过程中，微调增材参数，当基板材料变形偏向一侧时，减小同一侧增材制造热功率或者增加另一侧的增材制造热功率，为避免变形量过大，每次调整参数不超过原参数的10%，使成形件在允许范围之内，使每个补偿周期基板形变量和最终形变量最小；
所述步骤五中具体操作为，根据设计的工艺进行MIG平板增材制造的仿真，经过多次应力场和变形的反向变换处理后，使基板变形量在允许范围内，减小热应力的不均匀分布，得到变形分布在允许范围之内的零件。
2.根据权利要求1所述的一种基于反向补偿的电弧增材制造方法，其特征在于：所述增材参数包括：热输出功率和材料熔覆方向，熔覆速率，送粉率。
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