CN113927131A - 一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法 - Google Patents

一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法。使用常规的熔化极惰性气体保护焊设备进行熔覆修复，能有效改善修复表面形貌，同时提升结构的强度，使之具有良好的缝合效果，实现结构件表面的修复。

Description

一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法
技术领域
本发明涉及金属修复再制造领域，特别是涉及一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法。
背景技术
再制造技术依托于增材技术，是一种以废旧机械零部件为对象，恢复废旧零件原始尺寸提升其材料服役性能的材料成形技术。堆焊制造与再制造技术逐步成为一种快速便捷的工艺修复途径。金属件表面在使用过程中会产生磨损，或受到外力冲击作用，表面出现不规则凹坑。久而久之，凹坑易扩大成破损，形成表面裂纹，从而造成构件的失效，影响机械零件的使用。金属修复再制造技术成为解决结构件表面凹坑缺陷的有效手段。但修复成形前后表面形貌差异大，微观组织不均匀等问题，成为制约金属修复再制造发展的一大难点。
发明内容
本发明改进现有金属表面修复再制造技术，提供了一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法。使用常规的熔化极惰性气体保护焊设备进行熔覆修复，能有效改善修复表面形貌，同时提升结构的强度，使之具有良好的缝合效果，实现结构件表面的修复。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：根据修复表面材料属性，进行修复参数仿真，得到堆焊尺寸与焊接参数，利用回归算法，建立修复模型；
步骤二：基于熔覆设备进行试验分析，验证所建立修复回归模型的准确性，根据不同的材料进行分类，建立修复数据库；
步骤三：利用反求设备识别凹坑表面，得到不规则凹坑缺陷表面三维模型；
步骤四：基于修复数据库中凹坑表面相同材料的修复参数，确定阶跃信号施加方案，进行凹坑修复动态仿真；
步骤五：规划熔覆修复方案，若步骤四仿真结果不理想，则调整修复方案重新模拟；
步骤六：进行表面缺陷熔覆修复，提取修复后表面模型，完成修复评估，将相关结果录入修复数据库。
所述步骤一的具体操作为，根据金属修复再制造原理及电磁学相关理论，规划熔覆尺寸模型，基于数值模拟手段结合试验分析，对焊接电流、送丝速度、行走速度参量进行探究，将得到的结果基于神经网络算法进行回归分析，得到堆焊尺寸与焊接参数的关系。
熔覆增材再制造模拟分析包括材料的选取、喷嘴的调整及步骤一中熔覆参量的确定，基于此得到的修复再制造模型能适用于该材料缺陷的修复填充。
对步骤三中所识别凹坑表面，提取出缺陷特征参数，针对特定较为精细或关键部位还需提取厚度等关键参数，作为动态仿真的边界条件。
所述步骤四中的参数阶跃方案包括熔覆电流阶跃响应和行走速度阶跃响应信号，即熔覆过程从凹坑前方若干距离的基板部位开始，熔覆路径行走到凹坑处响应参数阶跃信号，电流信号加大，熔覆尺寸扩大，更好的填充凹坑；行走速度减小，堆积时间延长，熔覆宽度增加，更好的修补缺陷。
所述步骤五中的动态仿真后，取凹坑表面平整度和凹坑填充度作为修复评价指标，若修复后的效果能满足需求，则选择该参数进行熔覆修复；若不满足修复要求，则返回步骤四，调整参数重新仿真。
所述步骤六中的具体操作为，待表面修复完成后，对比仿真和实际熔覆效果，提取上述评价指标进行修复质量评估；记录数据，录入数据库，为下次修复提供参照。
本发明有如下有益效果：
1、基于阶跃信号下的修复再制造技术，相较于普通的电弧熔积修复再制造技术，能使得修复表面过渡更加自然且更为平整，在凹坑前后端不会出现由于电弧信号延迟造成的凸起或虚焊。
2、基于阶跃信号下的修复再制造技术，采用与修复表面相同的材料。当修复焊枪行走到凹坑缺陷处，在熔覆参数阶跃变化作用下，熔覆功率提升。凹坑周围出现局部重熔再结晶，由于丝材在组织性能上与修复表面相同，故修复后的金属表面力学性能不亚于甚至更优于修复之前。
3、基于阶跃信号下的修复再制造技术，利用反求设备获取缺陷表面形貌，在三维软件中建模并进行动态仿真，符合电磁学基本定理和流体力学知识。同时熔覆修复参数可以根据仿真结果及时反馈并调整，确保了修复的质量和效率。
4、基于阶跃信号下的修复再制造技术，使用常规的熔化极氩弧焊设备进行熔覆修复，相较于传统的零件更换或在线修复，具有更为有效的修复效率和更低的修复成本。其效率的提升不仅对单道多层修复，对于多道修复效率也具有显著提升。同时通过相关模型建立数据库，可供往后的其他修复参照，具有更为良好的适应性和推广性。
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为本发明熔覆修复方法流程图。
图2为本发明椭球凹坑参数示意图。
图3为本发明楔形凹坑参数示意图。
图4为本发明普通单层单道熔覆修复示的表面形貌示意图。
图5为本发明普通单层单道熔覆修复示的侧视图。
图6为本发明基于熔覆参数阶跃变化后单层单道熔覆修复表面的形貌示意图。
图7为本发明基于熔覆参数阶跃变化后单层单道熔覆修复表面的侧视图。
图8为本发明基于熔覆参数阶跃变化后单层多道熔覆修复示意图表面形貌示意图。
图9为本发明基于熔覆参数阶跃变化后单层多道熔覆修复示意图剖面图。
图10为本发明基于熔覆参数阶跃变化后多层单道熔覆修复示意图的表面形貌示意图。
图11为本发明基于熔覆参数阶跃变化后多层单道熔覆修复示意图的侧视图。
图中：af—前半长轴参数；ar—后半长轴参数；a—长度参数；b—宽度参数；bl—左半短轴参数；br—右半短轴参数；c—深度参数。
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：
参见图1-11，一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，它包括以下步骤：
步骤一：根据修复表面材料属性，进行修复参数仿真，得到堆焊尺寸与焊接参数，利用回归算法，建立修复模型；
步骤二：基于熔覆设备进行试验分析，验证所建立修复回归模型的准确性，根据不同的材料进行分类，建立修复数据库；
步骤三：利用反求设备识别凹坑表面，得到不规则凹坑缺陷表面三维模型；
步骤四：基于修复数据库中凹坑表面相同材料的修复参数，确定阶跃信号施加方案，进行凹坑修复动态仿真；
步骤五：规划熔覆修复方案，若步骤四仿真结果不理想，则调整修复方案重新模拟；
步骤六：进行表面缺陷熔覆修复，提取修复后表面模型，完成修复评估，将相关结果录入修复数据库。
进一步的，所述步骤一的具体操作为，根据金属修复再制造原理及电磁学相关理论，规划熔覆尺寸模型，基于数值模拟手段结合试验分析，对焊接电流、送丝速度、行走速度参量进行探究，将得到的结果基于神经网络算法进行回归分析，得到堆焊尺寸与焊接参数的关系。
进一步的，熔覆增材再制造模拟分析包括材料的选取、喷嘴的调整及步骤一中熔覆参量的确定，基于此得到的修复再制造模型能适用于该材料缺陷的修复填充。
进一步的，对步骤三中所识别凹坑表面，提取出缺陷特征参数，针对特定较为精细或关键部位还需提取厚度等关键参数，作为动态仿真的边界条件。
进一步的，所述步骤四中的参数阶跃方案包括熔覆电流阶跃响应和行走速度阶跃响应信号，即熔覆过程从凹坑前方若干距离的基板部位开始，熔覆路径行走到凹坑处响应参数阶跃信号，电流信号加大，熔覆尺寸扩大，更好的填充凹坑；行走速度减小，堆积时间延长，熔覆宽度增加，更好的修补缺陷。
进一步的，所述步骤五中的动态仿真后，取凹坑表面平整度和凹坑填充度作为修复评价指标，若修复后的效果能满足需求，则选择该参数进行熔覆修复；若不满足修复要求，则返回步骤四，调整参数重新仿真。
进一步的，所述步骤六中的具体操作为，待表面修复完成后，对比仿真和实际熔覆效果，提取上述评价指标进行修复质量评估；记录数据，录入数据库，为下次修复提供参照。
实施例2：
步骤一：针对不同的材料，在仿真软件中进行熔覆参数仿真，通过回归算法分析，得到最适合进行修复熔覆的参数，得到修复再制造数学模型。
步骤二：进行关键参数试验验证，即实际熔覆参数与模拟结果的误差在可接受范围内，通过封闭及非封闭路径试验验证其准确性后，根据不同材料建立修复数据库。
步骤三：通过熔覆修复设备上的反求设备，扫描缺陷表面凹坑，提取缺陷参数，如图2-3所示，常见的凹坑按照形状可大致分为楔形和椭球形。针对楔形凹坑，本发明所提供的方法需提取长度参数a、宽度参数b和深度参数c；针对椭球形凹坑，本发明所提供的方法需提取前半长轴参数af、后半长轴参数ar、左半短轴参数bl、右半短轴参数br和深度参数c，在计算机软件中建立凹坑三维模型。
步骤四：基于修复数据库中与待修复表面相同材料的模型，制定阶跃信号施加方案，在仿真软件中进行动态仿真，建立凹坑参数与修复参数之间的函数关系。
步骤五：规划熔覆修复方案，若仿真结果不理想，则调整修复方案，返回步骤四重新模拟。
步骤六：进行表面缺陷熔覆修复，提取修复后表面模型，将相关结果录入修复数据库，完成修复评估。
进一步的，在建立修复参数模型时，基于基板材料，通过模拟仿真得到熔覆电流、送丝速度、行走速度等参数与熔覆尺寸如熔宽、熔深等的关系。在常规焊接参数的合理范围内各选定若干组模拟参数进行仿真，通过单一变量对比分析探究各参量对熔覆尺寸的影响，利用回归算法得到熔覆尺寸和熔覆参数的关系，得到熔覆模型多项式，建立熔覆修复参数数学模型。
进一步的，进行模拟的准确度验证时，采用误差分析的方法，当相关参数的误差量在可接受范围内时认定参数模拟的有效性，否则返回修改模拟条件重新模拟，确保其参数的可用性与所建立数据库的准确性。
进一步的，通过反求设备扫描缺陷表面形貌后，进行图像识别和关键参数的提取。如图2-3所示，针对楔形凹坑，本发明所提供的方法需提取长度参数a、宽度参数b和深度参数c；针对椭球形凹坑，本发明所提供的方法需提取前半长轴参数af、后半长轴参数ar、左半短轴参数bl、右半短轴参数br和深度参数c，在计算机软件中建立凹坑三维模型。
进一步的，如图4-5所示为普通单层单道熔覆修复示意图，其修复后表面呈现两端凸起的趋势，且后续的二次加工并不便捷。本发明所提供的熔覆修复方案在此基础上结合熔覆参数阶跃变化。如图6-7所示，在制定阶跃信号的方案时，从凹坑前端若干距离开始熔覆修复，持续到凹坑修复后端若干距离结束。其中伸出距离的确定，应充分考虑凹坑的尺寸及焊机的反应时间。采用较小电流及较快的修复速度进行熔覆、确保熔覆焊道的平整及熔覆电弧的稳定。
进一步的，所规划的熔覆方案，应包括熔覆参数，伸出距离，修复路径，预期修复效果等。进一步的，熔覆参数应包含阶跃前参数、阶跃后参数及响应信号。进一步的，伸出距离视凹坑修复距离而定，按照凹坑总长度百分比确定前后伸出距离。
进一步的，如图8-9所示若单次熔覆无法完成凹坑的修复，应给出单层多道熔覆路径；若单道宽度无法满足凹坑宽度，应给出多道修复方案。如图10-11所示，各道修复路径间距也将作为自变量加入熔覆修复数学模型及修复数据库的建立中。同时为保证修复的连续性，采用单向连续多道熔覆修复的路径规划。
进一步的，预期修复效果应包含凹坑表面平整度，凹坑填充度等；进一步的，凹坑表面平整度采用提取焊道上表面形貌与水平直线拟合度，采用方差分析作为评价指标，方差越小，则平整度越高，修复效果越好；进一步的，凹坑填充度为缺陷水平表面以下熔覆修复部分体积与凹坑总体积之比，将百分比换算为分数，分数越高，则填充度越高。上述凹坑表面平整度和凹坑填充度作为评价指标来反映预期修复效果。
进一步的，在修复过程完成后，应再次通过反求装置获取修复后表面形貌，提取上述凹坑表面平整度、凹坑填充度等评价指标，与预期修复效果做对比，记录修复数据，录入修复数据库，为今后的修复工作做为参照。

Claims (7)

1.一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：根据修复表面材料属性，进行修复参数仿真，得到堆焊尺寸与焊接参数，利用回归算法，建立修复模型；
步骤二：基于熔覆设备进行试验分析，验证所建立修复回归模型的准确性，根据不同的材料进行分类，建立修复数据库；
步骤三：利用反求设备识别凹坑表面，得到不规则凹坑缺陷表面三维模型；
步骤四：基于修复数据库中凹坑表面相同材料的修复参数，确定阶跃信号施加方案，进行凹坑修复动态仿真；
步骤五：规划熔覆修复方案，若步骤四仿真结果不理想，则调整修复方案重新模拟；
步骤六：进行表面缺陷熔覆修复，提取修复后表面模型，完成修复评估，将相关结果录入修复数据库。
2.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：所述步骤一的具体操作为，根据金属修复再制造原理及电磁学相关理论，规划熔覆尺寸模型，基于数值模拟手段结合试验分析，对焊接电流、送丝速度、行走速度参量进行探究，将得到的结果基于神经网络算法进行回归分析，得到堆焊尺寸与焊接参数的关系。
3.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：熔覆增材再制造模拟分析包括材料的选取、喷嘴的调整及步骤一中熔覆参量的确定，基于此得到的修复再制造模型能适用于该材料缺陷的修复填充。
4.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：对步骤三中所识别凹坑表面，提取出缺陷特征参数，针对特定较为精细或关键部位还需提取厚度等关键参数，作为动态仿真的边界条件。
5.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：所述步骤四中的参数阶跃方案包括熔覆电流阶跃响应和行走速度阶跃响应信号，即熔覆过程从凹坑前方若干距离的基板部位开始，熔覆路径行走到凹坑处响应参数阶跃信号，电流信号加大，熔覆尺寸扩大，更好的填充凹坑；行走速度减小，堆积时间延长，熔覆宽度增加，更好的修补缺陷。
6.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：所述步骤五中的动态仿真后，取凹坑表面平整度和凹坑填充度作为修复评价指标，若修复后的效果能满足需求，则选择该参数进行熔覆修复；若不满足修复要求，则返回步骤四，调整参数重新仿真。
7.根据权利要求1所述一种基于熔覆参数阶跃变化的缺陷修复方法，其特征在于：所述步骤六中的具体操作为，待表面修复完成后，对比仿真和实际熔覆效果，提取上述评价指标进行修复质量评估；记录数据，录入数据库，为下次修复提供参照。
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