CN113042868B - 一种磁控等离子弧熔丝增材制造层宽自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开一种磁控等离子弧熔丝增材制造层宽自适应控制方法。该方法通过改变经过焊枪所加纵向交流磁场励磁电流的大小，使电弧产生偏转角θ，再通过建立电流I和偏转角θ函数关系，获得层宽的实时信息。得到宽度误差之后通过计算机进行判断，用FPGA控制模块结合实时情况，控制Lc震荡电路开关的通断，合理的交替控制开关的通断，来控制电容器的放电和充电，调整等离子弧柱外加纵向磁场的大小，进一步来调节等离子弧柱的压缩程度。从而控制单位时间内沉积层金属的熔覆量，来实现磁控等离子弧熔丝增材制造的层宽实时控制。

Description

一种磁控等离子弧熔丝增材制造层宽自适应控制方法

技术领域

本发明属于金属构件的电弧增材制造技术领域，涉及一种磁控等离子弧熔丝增材制造的层宽自适应控制方法。

背景技术

1.随着航空航天、轨道交通等重要领域对金属结构件的性能、精度、生产周期和生产成本的要求日趋苛刻，采用增材制造技术直接成形金属零件成为研究热点。

2.在增材制造领域，以电弧热为热源、丝材为原材料的电弧增材制造技术具有设备投资少、材料利用率高、生产成本低、生产周期短、冶金结合性能好、综合性能优异等优点，十分适合航空航天等领域小批量、多品种产品的快速、低成本研制生产。目前可用于熔丝增材制造的方法包括：激光增材制造和电子束增材制造。其中激光增材制造过程中由于激光能量输出较大，使得热输入量增大，不利于控制气孔和裂纹缺陷，且易氧化；而电子束增材制造需要利用真空室，对设备的要求较高，经济性较差。而等离子弧熔丝增材制造具有热量输出不大，设备要求不高，成型精度较高的特点，对于保证结构质量和提高经济性具有重要的意义。

3.等离子弧主要由带点粒子组成，当施加与带电粒子的运动方向相同的纵向磁场时，带点粒子将会受到电磁力的作用，产生磁收缩作用，使得电弧的弧柱收缩，具有能量高、挺度大、成型速度快的特点。因为等离子焊对弧柱区约束太多，形成的等离子弧挺度大，不易控制，由于纵向磁场对加工段的等离子弧具有一定的约束作用，所以加工段的等离子弧具有较高的刚性和稳定性，对成型产生一定的积极影响。

4.专利《一种机器人等离子弧双冷填丝自动增材制造方法及装置》申请号201610994357.5.该发明公开了一种机器人等离子弧双冷填丝增材制造的方法和装置。该方法是通过控制送丝机的同步或交替送进，根据送丝信号的不同，以及改变丝材的材质实现增材制造的一种方法。该方法相对于单丝的增材制造而言，提高了效率。但是没有考虑到等离子弧的一些基本特性对增材制造的影响，所以对一些精度要求高的的复杂构件无法满足。

5.专利《一种金属激光熔化增材制造方法》申请号201711402065.该发明公开了一种金属激光熔化增材制造方法。该方法在增材制造的每一层都要进行激光熔化、扫描探伤、机械去除、增材再制造。激光能量输出比较大，不易于控制且易氧化。等离子弧具有能量高、挺度大、成型速度快的特点。通过磁控的方式给予了等离子弧约束作用，使得加工段的等离子弧具有较高的刚性和稳定性，对比于激光熔化增材制造具有更积极的影响。

发明内容

本发明目的是克服电弧熔丝在精密精度增材制造过程中精准可控性的难点，提供一种磁控等离子弧熔丝增材制造层宽实时自适应控制方法。

具体的实施方式：

该焊接方法对层宽实时信息获取方式主要是通过以下步骤：

1.焊接开始时，将焊枪在一个外接纵向交变磁场下进行焊接，磁控电弧传感器控制电弧摆动以T₁为周期进行焊缝扫描。

其中：

L为预设工件长度；V₀为送丝速度

由霍尔传感器采集原始信号，对原始信号进行硬件滤波处理；首先进行熔宽宽度信号测试，通过电流传感器检测脉冲电弧信号I，并在对该信号进行硬件滤波和脉冲整形等预处理后，输入计算机中，通过以下步骤获得熔宽的宽窄信息变化，然后由计算机传送信号至电路中的传感器上。电弧摆动扫描获取层宽S₁的主要步骤如下：

步骤一：

建立LC电路中电流和等离子弧偏转角度的数学模型，建立通过励磁线圈的电流和摆幅角度之间的数学关系式，得到电流大小和摆幅角度的函数关系，通过图2电路的满电电容C进行放电，每改变电路中的固定电流大小，得到对应的电弧偏转角度大小，根据对应的函数关系式得到实时层宽信息S₁。

步骤二：

得到层宽宽度实时信息S₁之后，通过FPGA控制系统对LC电路中控制的四个电容的开关的通断进行有机控制，进行放电充电的操作来调整纵向磁场的大小来调节等离子弧柱的压缩程度，从而控制单位时间内熔池中金属的熔覆量，实现层宽的自适应控制。

其中宽度误差信息通过下面的步骤进行分析处理：

首先预设出待成形件的宽度S，第一个周期内经过第一轮的熔覆结束后，第一层到达的宽度通过以上操作获得实时宽度信息S₁.宽度误差ΔS＝S₁-S，当ΔS＞0时，说明实时熔覆宽度超过预设宽度；ΔS＜0时，说明实时熔覆宽度低于预设宽度。

在得到了计算机反馈的宽度信息误差之后，再对下一层的熔覆层宽进行调整，当ΔS＞0且

时，接通LC震荡电路中开关L₃对已充满电的电容器C₃进行放电。当ΔS＞0且

时，接通LC震荡电路中开关L₁对已充满电的电容器C₁进行放电。使得电容C₁或C₃中存储的电场能转换为磁场能，使得通过励磁线圈的励磁电流变大，增大等离子弧的压缩程度，进而减小工件下一层的熔覆量。当ΔS＜0且

时，接通LC震荡电路中开关L₄对未充电的电容器C₄进行充电。当ΔS＜0且

时，接通LC震荡电路中预充电容C₂进行充电，使得电容C₂或C₄中存储电场能，通过励磁线圈的励磁电流变小，减小等离子弧的压缩程度，进而加大工件下一层的熔覆量。

每完成一个周期的熔覆，断开开关L₂和L₄，接通L；L₁和L₃.通过电源将电容器C₁和C₃充满电，使得整个电路回归到初始状态。通过上述方法控制单位时间T内单位宽度沉积层金属的熔覆量，实现磁控等离子弧熔丝增材制造的层宽实时自适应控制。

附图说明

图1整体流程框架图

图2产生纵向磁场LC震荡电路图

图3等离子弧摆幅θ与层宽关系

本发明的目的通过以下技术方案实现：

1.采用一种电阻趋于0，由两个并联的电容C₁和C₂组成完全闭合的LC电路来实现电磁震荡，根据电路固有周期

可知T由电路的电感L和电容C共同决定，且在熔覆过程中电弧的送丝速度为V₀,预设工件长度为L，可知熔覆一层所需时间

假设T＝T₁，可知电路所选电感L和电容C的固定值。根据在震荡电路产生震荡电流的过程中，通过线圈中的电流以及磁场都发生有规律周期性的变化，从而能使得磁场大小有一个上限，更好的根据计算机反馈磁感应强度和电流的变化规律，更精准的控制等离子弧柱的大小。

2.焊枪处于一个纵向外接的交变磁场下，焊炬离工件的距离为H,并且焊枪向外喷出等离子弧的v保持恒定。首先，以一定的速率v通入氩气等离子气体，当送进氩气并且流过电弧时，等离子弧在周围的交变磁场的影响下，发生偏转，设焊接电弧阴极区域偏离焊丝轴线的角度为θ，当电路电容充放电工作完成后，由电流传感器显示励磁电流的变化，并反馈信号到计算机中，经计算机的计算和处理，执行机构开始工作，实现对于等离子弧摆幅的调节。当对电弧施加频率为f的交变磁场时，电弧将以频率f做摆动运动，频率一定，则有以下关系：

式中θ是等离子电弧偏角，I是励磁电流，B是磁感应强度，v是气体流动速度，H为焊炬与工件之间距离，M为单位时间内流过气体质量。

而因为在一定范围内摆动频率f与摆幅θ之间成近似反比关系：

式中k为比例系数。则：

磁感应强度计算公式：

B＝φ/S

式中：B为磁感应强度；Φ为感应磁通(测量值)；

S为励磁线圈的有效截面积

根据安培环路定理

NI＝φ(Rc+r)

式中：N为励磁线圈匝数；Φ为感应磁通(测量值)；Rc为铁损电阻，单位为欧姆；

I为励磁电流；r为励磁线圈内阻。

可以得到励磁线圈电流I与电弧偏转角之间的关系为

旋转电弧在工件上的作用区域如图3所示，半径为R的粗实线圆表示旋转电弧在工件上的加热区域，而半径a的小圆表示旋转电弧在运动过程中始终作用在工件上的区域，而外部半径为b的大圆与半径为a的小圆之间的带环表示旋转电弧扫过工件的区域。

施加纵向磁场后，a、b的大小可以表示为：

a＝R-Htanθ

b＝R+Htanθ

H：电弧高度；θ：电弧偏角

故层宽可以用旋转电弧在工件上总的作用区域表示：

S₁＝2b

将获取的实时宽度信息S₁和预设的宽度信息进行数据处理之后得到实时宽度误差反馈给计算机。通过图2电路中并联电容C₁、C₂、C₃、C₄交替充电放电，改变电路中的励磁电流大小来改变纵向磁场大小，来改变等离子弧的压缩程度。通过上述方法控制LC震荡电路周期T内的层宽，实现磁控等离子弧熔丝增材制造的层宽实时自适应控制。

Claims (1)

1.一种磁控等离子弧熔丝增材制造的层宽自适应控制方法，其主要特征是：通过LC振荡电路中励磁电流I和电弧高度H、焊接电弧摆幅θ大小的关系建立数学模型，得到电流改变固定值对应摆幅角度大小改变值，获得宽度实时信息S₁，将获取的宽度实时信息S₁和预设宽度信息S进行数据处理之后，得到实时宽度误差反馈给计算机，根据宽度实时信息和预设宽度信息进行对比判断，通过对LC振荡电路的电容器进行充放电来改变磁场的大小，进而改变等离子弧柱的压缩程度，通过等离子弧柱的收缩和拓宽来对单位时间内沉积层金属的熔覆量宽度进行实时控制，采用一种电阻趋于0且完全闭合的LC振荡电路来实现电磁振荡，选取四个电容器C₁、C₂、C₃、C₄，其电容量的大小关系为

熔覆开始前将C₁和C₃处于满电的状态，C₂和C₄处于预充电状态，该电路通过控制4个电容器的充放电过程，进而控制等离子弧柱的外加磁场，从而实现磁控等离子弧熔丝沉积的层宽自适应控制，熔覆前，通过计算机获得熔覆工件预设宽度信息S、电路中预设电流I₀大小，熔覆时，通过上述已建立的数学模型得到电路中实时电流I对应的宽度实时信息S₁，将宽度实时信息S₁和预设宽度信息S做差处理得到ΔS，当ΔS＞0且

时，接通电路中已经充满电的电容器C₁进行放电操作，当ΔS＞0且

时，接通电路中已经充满电的电容器C₃进行放电操作，放电操作使得电路中的电流增大，用来加大等离子弧的外加纵向磁场，使等离子弧收缩，进而减小单位时间内下一层工件的熔覆量，在工件熔覆周期完成之前使得I＝I₀，当ΔS＜0且

时，接通电路中电容器C₂进行充电操作，当ΔS＜0且

时，接通电路中电容器C₄进行充电操作，充电操作使得电路中的电流减小，电路电流在工件熔覆周期完成之前使得电流I＝I₀，让等离子弧柱拓宽，加大单位时间内的熔覆量使得S₁无限接近于S，通过电路中电容器C₁、C₂、C₃、C₄的交替充电放电，从而实现周期T内熔覆量层宽的实时控制。

Images