CN112935469A - 基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，具体为一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法。包括焊枪，基板，用于基板旋转的旋转变位机，用于实时监控构件应力的实时应力监控机构，和控制系统；控制系统中设有数值模拟子系统，控制系统和焊枪、旋转变位机以及实时应力监控机构相连，控制系统根据实时应力监控机构监控的应力值进行数值模拟，优化工艺，并控制基板的旋转。本发明通过在与旋转变位机连接的基板的上下表面分别交替进行电弧增材，使得在两个构件上的产生的应力相互作用，达到减少残余应力，控制应力变形的目的。且实时监测增材制造过程中构件中的应力，通过有限元分析方法模拟并优化增材制造工艺，提高控制应力变形的效果。

Description

基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法。

背景技术

电弧增材制造技术是金属增材制造技术的一种，以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，其过程是以电弧为载能束将焊丝融化，再以传统机床或机械臂为运动载体将高温液态金属熔滴按照设定的路径逐层堆积成形。电弧增材制造技术具有设备简易、熔敷率高、生产周期短、生产成本较低等特点，是一种低成本、高效率的成形新工艺和新方法。

但是由于在电弧增材过程中，热量输入不均匀，材料发生在空间和时间上的不均匀膨胀和收缩，最终成形件内部会产生较大的残余拉应力，甚至出现微裂纹、变形等缺陷，成形质量难以控制。这样的缺陷也限制了电弧增材的应用和推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置，包括分别与电源两级连接的焊枪和基板，用于基板旋转的旋转变位机，用于实时监控构件应力的实时应力监控机构，和控制系统；

所述控制系统中设有数值模拟子系统，控制系统和焊枪、旋转变位机以及实时应力监控机构相连，控制系统根据实时应力监控机构监控的应力值进行数值模拟，优化工艺，并控制基板的旋转。

进一步的，所述旋转变位机通过夹具夹持基板的两端。

进一步的，所述实时应力监控机构包括超声波应力测试设备和超声波换能器；

所述超声波换能器与超声波应力测试设备连接，所述超声波换能器安装于基板和构件上方用于实时监控构件中的应力。

一种采用上述的装置进行双面电弧增材制造的方法，基板的两侧面均进行电弧增材制造，基板的一侧在电弧增材多层之后，翻转基板180度，进行基板另一侧的电弧增材，交替进行直至完成。

所述方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：采用数值模拟方法获得电弧增材制造结构件残余应力分布及应力值及翻转时间；

步骤(2)：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入控制系统，控制系统根据模型生成加工程序文件；

步骤(3)：将基板打磨清理后，通过夹具将侧边与旋转变位机连接，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；

步骤(4)：将超声波应力测试设备和超声波换能器安装于基板上方并启动；

步骤(5)：焊枪沿预设路径运动，同时通过超声波应力测试设备实时监测构件中的应力变化，当监测构件中应力超过设定的阈值时，对增材工艺进行调整，以调整后的工艺为设定的模拟条件重新进行步骤(1)，模拟计算得到可行的工艺方法后按重新设定的工艺继续进行增材过程；

步骤(6)：完成预设的堆积层数的成形后，启动旋转变位机，将基板翻转180°，使焊枪在基板另一面上起弧并完成预设堆积层数的成形；

步骤(7)：重复步骤(5)-(6)，完成剩余堆积层的成形，基板两个表面上成形出两个所需的零件。

进一步的，所述步骤(1)具体包括如下步骤：

步骤(11)：确定热分析种类及求解方法；

步骤(12)：定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物参数；

步骤(13)：建立电弧增材制造结构件的三维模型，并划分网络，生成有限元模型；

步骤(14)：定义初始温度，并分别以增材制造1层、2层、4层后进行翻转增材为初始条件进行模拟；

步骤(15)：进入移动热源加载循环，得到结果；

步骤(16)：对结果进行后处理分析得出翻转时间以及电弧增材制造结构件残余应力分布和应力值。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过在基板两个面上交替进行增材制造成形，使得在双面增材制造成形的过程中分别产生的残余应力相互作用，抑制金属构件堆积过程堆积层的热积累导致的应力集中，从而控制在电弧增材中产生的应力变形，提高构件的成形质量。

(2)本发明同时交替进行两个构件的增材成形，在堆积过程中可以同时散热，可以减少层间等待时间，提高成形效率。

(3)本发明通过超声波应力检测设备实时监测增材制造过程中构件中的应力，并通过有限元分析方法模拟并优化增材制造工艺，提高控制应力变形的效果。

附图说明

图1为本发明的双面电弧增材制造装置示意图。

附图标记说明：

1-基板，2-增材制造构件，3-焊枪，4-电源，5-夹具，6-旋转变位机，7-控制系统，8-超声波应力测试设备，9-超声波换能器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种电弧增材制造装置，包括增材制造电源、焊枪、夹具、基板、旋转变位机、计算机控制系统、超声波应力测试设备、超声波换能器。焊枪和基板分别与电弧增材制造电源两极相连。基板侧边通过夹具与旋转变位机连接。基板上方为焊枪。计算机控制系统控制焊枪与旋转变位机的旋转。超声波换能器安装于基板和构件上方并与超声波应力测试设备连接，确保能实时监控构件中的应力变化。

本发明还提供一种控制大型结构电弧增材过程中应力变形的方法，包括以下步骤：

步骤一：采用数值模拟方法获得电弧增材制造结构件残余应力分布及应力值以及最佳的翻转时间

步骤二：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入数控系统，数控系统根据模型生成加工程序文件。

步骤三：将基板打磨清理后，通过夹具将侧边与旋转变位机连接。将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板。

步骤四：将超声波应力测试设备安装于基板上方并启动。

步骤五：引燃电弧，焊枪沿预设路径运动，同时通过超声波应力测试设备实时监测构件中的应力变化，当监测构件中应力超过设定的阈值时，对增材工艺进行调整，以调整后的工艺为设定的模拟条件重新进行步骤一，模拟计算得到可行的工艺方法后按重新设定的工艺继续进行增材过程。

步骤六：完成预设的堆积层数的成形后，启动旋转变位机，将基板翻转180°。使焊枪在基板另一面上起弧并完成第预设堆积层数的成形。

步骤七：重复步骤五、六，完成剩余堆积层的成形。基板两个表面上成形出两个所需的零件。

步骤一的具体方法如下：

第一步，对成型过程进行分析，确定热分析种类及求解方法；

第二步，定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物参数；

第三步，建立电弧增材制造结构件的三维模型，并划分网络，生成有限元模型；

第四步，定义初始温度，并分别以增材制造1层、2层、4层后进行翻转增材为初始条件进行模拟；

第五步，进入移动热源加载循环，得到结果；

第六步，对结果进行后处理分析得出最佳的翻转时机以及电弧增材制造结构件残余应力分布和应力值；

实施例1：使用双面增材制造低碳钢构件

使用有限元分析方法分别以增材制造1层、2层、4层后进行翻转增材为初始条件进行模拟，获得电弧增材制造结构件残余应力分布及应力值以及最佳的翻转时间为在增材制造2层后进行翻转其最终构件应力最小。

将基板用角磨机打磨干净并清理油污。

安装并调试装置，将基板通过夹具将侧边与旋转变位机连接。焊枪在基板上表面起弧。焊枪的类型为MAG，焊枪的电弧电流为180A、电弧电压为20V；焊丝直径为φ1.0mm；焊枪的保护气为氩气和二氧化碳的混合气体、气体流量为20L/min。增材制造过程中每在双面各自成形一层后通过风冷，将层间温度控制在150℃以下。

Claims (6)

1.一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置，其特征在于，包括分别与电源两级连接的焊枪和基板，用于基板旋转的旋转变位机，用于实时监控构件应力的实时应力监控机构，和控制系统；

所述控制系统中设有数值模拟子系统，控制系统和焊枪、旋转变位机以及实时应力监控机构相连，控制系统根据实时应力监控机构监控的应力值进行数值模拟，优化工艺，并控制基板的旋转。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转变位机通过夹具夹持基板的两端。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述实时应力监控机构包括超声波应力测试设备和超声波换能器；

所述超声波换能器与超声波应力测试设备连接，所述超声波换能器安装于基板和构件上方用于实时监控构件中的应力。

4.一种采用权利要求3所述的装置进行双面电弧增材制造的方法，其特征在于，基板的两侧面均进行电弧增材制造，基板的一侧在电弧增材多层之后，翻转基板180度，进行基板另一侧的电弧增材，交替进行直至完成。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤(1)：采用数值模拟方法获得电弧增材制造结构件残余应力分布及应力值及翻转时间；

步骤(2)：根据零件形状构建三维实体模型，将三维实体模型进行切片处理，并导入控制系统，控制系统根据模型生成加工程序文件；

步骤(3)：将基板打磨清理后，通过夹具将侧边与旋转变位机连接，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；

步骤(4)：将超声波应力测试设备和超声波换能器安装于基板上方并启动；

步骤(5)：焊枪沿预设路径运动，同时通过超声波应力测试设备实时监测构件中的应力变化，当监测构件中应力超过设定的阈值时，对增材工艺进行调整，以调整后的工艺为设定的模拟条件重新进行步骤(1)，模拟计算得到可行的工艺方法后按重新设定的工艺继续进行增材过程；

步骤(6)：完成预设的堆积层数的成形后，启动旋转变位机，将基板翻转180°，使焊枪在基板另一面上起弧并完成预设堆积层数的成形；

步骤(7)：重复步骤(5)-(6)，完成剩余堆积层的成形，基板两个表面上成形出两个所需的零件。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括如下步骤：

步骤(11)：确定热分析种类及求解方法；

步骤(12)：定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物参数；

步骤(13)：建立电弧增材制造结构件的三维模型，并划分网络，生成有限元模型；

步骤(14)：定义初始温度，并分别以增材制造1层、2层、4层后进行翻转增材为初始条件进行模拟；

步骤(15)：进入移动热源加载循环，得到结果；

步骤(16)：对结果进行后处理分析得出翻转时间以及电弧增材制造结构件残余应力分布和应力值。

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