CN114381627A - 一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置。利用仿真手段得到电弧增材制造构件应力应变实时云图，从而判断增材构件各个时刻的残余应力分布情况，有针对性地对增材构件进行超声波应力测量，减少超声波应力测量次数的同时降低了测量数据不能有效反映最大残余应力的可能性，提升了工作效率。同时通过仿真数据以及实际残余应力测量数据，使在增材过程中能及时有效地进行振动时效以及去应力退火处理，避免增材过程中残余应力的不断累积，从而有效地控制增材构件的残余应力及变形，使能有效地进行大型增材构件的制造并提高大型构件的整体使用性能。

Description

一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置

技术领域

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置。

背景技术

电弧增材制造是一种以电弧为热源，利用智能增材机器人系统自上而下地堆积出所需零件的先进数字化制造技术。与其他增材制造技术相比，电弧增材制造技术具有沉积效率高，丝材利用率高，可降低整体制造周期、减少成本等诸多优点。

但是对于大型构件电弧增材而言，堆积层数多，热输入过大，增材件不同部位存在明显的温度差，导致增材结束后构件内部会产生较大的残余应力以及变形。最终，影响零件的综合使用性能，从而限制了电弧增材制造技术的广泛应用。

目前针对上述缺点的应对方法主要有碾压法、锤击法、增材完后热处理法以及振动时效法。但是以上方法对于大型构件电弧增材也有一定的不足，碾压法、锤击法以及振动时效法去除残余应力有限，增材成形后仍然有较大残余应力及变形；大型构件增材完成后有些大变形已经发生，裂纹等缺陷已经生成，再进行热处理难以完全去除残余应力以及变形，裂纹等缺陷无法修复。

近年来，CN112894077A公开了一种用于电弧增材过程中的振动和增材后的构件的振动时效处理的装置和方法，对于小型增材构件能有效地消除构件的应力变形，但该装置与方法对于大型增材构件而言无法有效地消除应力变形；同时，每一层均进行振动时效导致增材总耗时过长，影响工作效率。另外，CN112935469A公开了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，该方法利用数值模拟进行工艺优化，确定最佳翻转时间，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，但是无法应用于大型增材构件的单面增材。因此，需要一种既能有效消除大型增材应力变形，又能高效率进行电弧增材的方法来进行大型增材构件的单面增材制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置，以解决目前电弧增材制造大型构件过程中残余应力分布集中、成形件变形大的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法，包括如下步骤：

步骤一，绘制电弧增材构件及其生产工位的整体3D模型并导入机器人离线编程软件，规划增材最优路径并生成切片文件，导入机器人操作控制系统，控制电弧增材过程；

步骤二，根据步骤一得到的增材路径，采用计算机仿真软件仿真得到电弧增材制造构件各个时刻的残余应力分布云图；同时整理每增材一层金属后，已增材部分的残余应力分布云图，分析得出每增材n层后，已增材部分构件残余应力最大的区域，其中n>1；

步骤三，增材工作台安装在大橡胶垫上方并接地，将基板固定在增材工作台上，安装振动时效系统；

步骤四，启动增材机器人进行构件逐层堆积，同时启动振动时效系统，调节振动频率，使基板振动加速度在1～5g之间，熔池处于微振动状态；

步骤五，根据步骤二得到的增材过程中每增完一层金属后构件的残余应力分布云图，判断是否需要进行振动时效处理；若云图显示已增材部分最大残余应力超过0.5σ_0.2，停止电弧增材，调节振动频率，使增材构件处于共振状态；若云图显示已增材部分最大残余应力低于0.5σ_0.2，进行后续增材；

步骤六，根据步骤二得到的增材仿真结果，得到每增材n层金属后构件残余应力分布云图；每当增材完第n的倍数层后，停止增材并关闭振动时效系统，将超声波探头放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，测量该区域实际残余应力值；根据实际测量残余应力值的大小，判定进行步骤七、八、九中的一个步骤；

步骤七，若实测值≥0.75σ_0.2，即材料屈服强度时，停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，待去应力退火完成后，重复步骤三、四、五、六，直至增材构件完成；

步骤八，若实测值低于0.5σ_0.2，则直接重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；

步骤九，若实测值介于0.5σ_0.2与0.75σ_0.2之间，则停止电弧增材过程，调节振动频率，使构件处于共振状态，然后重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；

步骤十，增材结束后，进行振动时效处理，关闭装置，完成增材制造全过程。

进一步的，步骤五中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为1±0.5h。

进一步的，步骤九中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为2±0.5h。

进一步的，步骤十中的振动时效处理具体为：振动加速度≥20g，共振时间为4±0.5h。

进一步的，所述电弧增材类型为可以为TIG、MIG或等离子电弧增材。

一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的装置，包括增材制造装置，振动时效装置，超声波测应力装置和计算机软件系统；

增材制造装置包括从下到上依次设置的大橡胶垫、增材工作台和基板，还包括增材机器人和机器人操作控制系统，增材工作台连接地线；增材机器人在基板上进行增材堆积；

振动时效装置包括：振动时效控制仪，激振器，加速度传感器；激振器固定在增材工作台上，加速度传感器固定于基板上表面侧边中心；

超声波测应力装置放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，用于测量该区域实际残余应力值；

计算机软件系统包括3D建模软件，机器人离线编程软件，网格划分软件以及计算机仿真软件。

进一步的，机器人离线编程软件用于计算规划增材机器人的增材运动轨迹；

3D建模软件用于绘制增材工位3D图以及增材构件每道焊缝的3D模型；

网格划分软件用于对增材构件每道焊缝的3D模型进行网格划分；

计算机仿真软件用于对构件增材过程中的应力变形进行仿真，得到每增材一层金属后已增材部分的应力变形情况，为超声波应力测量提供测量位置以及为振动时效何时开启提供根据。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的方法以及装置，通过电弧增材仿真预先了解增材过程中构件的应力分布以及变形情况，判断每增材一层金属后的最大残余应力区域以及数值，利用超声波测应力仪对构件残余应力可能为最大的区域进行测量，实时掌握构件的最大残余应力实际情况，再通过仿真模拟结果以及超声波测应力结果，及时有效地进行振动时效以及热处理，而不是盲目地进行振动时效处理或热处理，从而可以高效地单面增材制造出性能优良、应力变形小的大型构件。

(2)本发明方法以及装置将数值模拟与超声波测应力结合，通过实际应力测量弥补了电弧增材数值模拟结果存在的误差，同时电弧增材数值模拟结果为超声波测应力位置选择提供了参考，尽可能地避免了超声波应力测量位置并非已增材构件应力最大位置这种情况的存在。

(3)通过在增材过程中，利用数值模拟以及超声波测应力手段，及时有效地对增材构件采取去应力退火，从而避免了构件的残余应力以及变形过大，从而导致构件出现裂纹等缺陷，同时弥补了大型电弧增材构件难以有效消除残余应力以及大变形的缺点。

(4)通过数值模拟软件，对大型构件增材过程应力变形情况进行仿真，了解构件增材过程中应力分布状况，为进行振动时效的时机选择提供了一定根据，而不是笼统的每增材一层金属就进行振动时效，因而提高了工作效率；同时，避免了每增材完一层就进行一次残余应力测量，并提供了超声波测应力的测量位置，减少了残余应力测量的工作量以及提高了测量位置为最大残余应力区域的可靠性。

(5)通过超声波测应力仪，较为准确地掌握了构件的应力情况，能及时准确地对构件做出是否继续增材的判断，能有效避免因残余应力过大导致出现裂纹、变形等现象发生。

(6)通过加速度传感器对构件的振动加速度进行实时监测，通过振动时效控制仪实时控制振动加速度。

附图说明

图1为本发明消除大型构件电弧增材过程应力变形的装置示意图。

图2为本发明消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法的增材路径仿真流程图。

图3为本发明消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法的残余应力仿真流程图。

图4为本发明消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法的增材流程图。

图5为实施例1的热处理工艺曲线图。

附图标记说明：

1-振动时效控制仪，2-振动时效装置外接电源，3-激振器，4-加速度传感器，5-增材工作台，6-基板，7-增材构件，8-增材机器人，9-增材电源，10-机器人操作控制系统，11-超声波探头，12-测量主机，13-超声波测应力装置外接电源，14-用户终端操作系统，15-螺栓，16-零应力标准块，17-大橡胶垫。

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大型构件电弧增材过程应力变形控制的电弧增材装置。包括:增材制造装置，振动时效装置以及超声波测应力装置。

所述增材制造装置包括：增材工作台5，基板6，增材机器人8，增材电源9，机器人操作控制系统10、螺栓15。增材机器人8与增材工作台5分别增材电源的正极和负极相连接，增材工作台5放置在大橡胶垫17上并连接地线；通过螺栓15将基板6与增材工作台5固定在一起；增材机器人位于基板6上方，在基板6上进行增材堆积；机器人操作控制系统10与增材机器人8相连，用于控制增材机器人8的运动以及焊枪的起弧、收弧。

所述振动时效装置包括：振动时效控制仪1，振动时效装置外接电源2，激振器3，加速度传感器4。其中激振器3固定在增材工作台5上；加速度传感器4固定于基板6上表面侧边中心；振动时效装置外接电源2与振动时效仪1相连，负责该装置的供电。

如图2、3所示，本发明提供了一种大型构件电弧增材过程应力应变分布状况模拟仿真，包括使用以下软件：3D建模软件，机器人离线编程软件，网格划分软件以及计算机仿真软件。其中机器人离线编程软件用于计算规划增材机器人的增材运动轨迹；3D建模软件用于绘制增材工位3D图以及增材构件每道焊缝的3D模型；网格划分软件用于对增材构件每道焊缝的3D模型进行网格划分。计算机仿真软件用于对构件增材过程中的应力变形进行仿真，得到每增材一层金属后已增材部分的应力变形情况，为超声波应力测量提供测量位置以及为振动时效何时开启提供根据。

如图4所示，本发明提供了一种大型构件电弧增材过程应力变形控制方法，包括以下步骤：

步骤一，绘制电弧增材构件7及其生产工位的整体3D模型并导入机器人离线编程软件，规划增材最优路径并生成切片文件，并导入机器人操作控制系统11，控制电弧增材过程。

步骤二，根据步骤一得到的增材路径，采用计算机仿真软件仿真得到电弧增材制造构件8各个时刻的残余应力分布云图。同时整理每增材一层金属后，已增材部分的残余应力分布云图，分析得出每增材8层后，已增材部分构件残余应力最大的区域。

步骤三，增材工作台5安装在大橡胶垫17上方并连接地线，打磨清洁基板6，利用螺栓15，将基板6固定在增材工作台5上，将激振器3放置在增材工作台5上，加速度传感器4安装于基板6上表面并与振动时效控制仪1相连。

步骤四，启动增材机器人8进行构件逐层堆积，同时启动振动时效系统，调节振动频率，使基板6处于微振动状态，振动加速度在1～5g之间。熔池处于微振动状态，促进了熔池内气体的溢出以及凝固时细晶的生成，减少了气孔的产生以及细化了晶粒，从而提高了增材构件8的使用性能。

步骤五，根据步骤二得到的增材过程中每增完一层金属后构件的残余应力分布云图，判断是否需要进行振动时效处理。若云图显示已增材部分最大残余应力超过0.5σ_0.2，停止电弧增材，调节振动频率，使增材构件7处于共振状态，此时加速度一般≥20g，共振时间为1h，结束后检查螺栓15是否夹紧再进行后续增材。若云图显示已增材部分最大残余应力低于0.5σ_0.2，则检查螺栓15是否夹紧后进行后续增材。

步骤六，根据步骤二得到的增材仿真结果，得到每增材8层金属后构件残余应力分布云图。每当增材完第8的倍数层后，停止增材并关闭振动时效装置，将超声波探头11放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，测量该区域实际残余应力值。根据实际测量残余应力值的大小，判定进行步骤七、八、九中的一个步骤。

步骤七，若实测值≥0.75σ_0.2(材料屈服强度)时，此时应停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，工艺参数根据实际材料决定，待去应力退火完成后，重复步骤三、四、五、六，直增材构件7完成。

步骤八，若实测值低于0.5σ_0.2，则直接重复步骤四、五、六，直至增材构件7完成。

步骤九，若实测值介于0.5σ_0.2与0.75σ_0.2之间，则停止电弧增材过程，调节振动频率，使构件处于共振状态，此时加速度一般≥20g，共振时间为2h。然后重复步骤四、五、六，直至增材构件7完成。

步骤十，增材结束后，再次调节振动频率，使增材构件7处于共振状态，此时加速度一般≥20g，共振时间为4h。

步骤十一，振动时效处理完成后，关闭振动时效装置以及超声波测应力装置，卸载螺栓、振动时效装置以及超声波测应力装置，完成增材制造全过程。

实施例1：使用本发明控制不锈钢电弧增材的应力变形

绘制增材工位以及不锈钢增材构件3D模型并导入机器人离线编程软件中，仿真生成增材路径切片文件，将切片文件导入机器人操作控制系统。

对不锈钢增材构件的3D模型进行网格划分，导入计算机仿真软件中，按照增材路径设定仿真过程中热源移动轨迹，设定热源参数、材料参数、初始温度条件、初始边界条件等仿真参数，进行仿真，得出不锈钢增材构件不同时刻的残余应力分布云图。

选择与增材构件相同的不锈钢材料作为基板材料，将基板打磨平整并清理表面污渍。安装并调试振动时效装置，使用零应力标准块对超声波测应力装置校准。使用螺栓将基板固定在增材工作台上，启动激振器，使基板处于微振动状态，振动加速度为1～5g。焊枪类型为MIG，增材电流为205A，增材电压为23.1V，送丝速度为7.0m/min，增材速度为6mm/s，焊丝直径为1.2mm，增材保护气为95％Ar+5％CO₂,气流量为20L/min。

在电弧增材制造过程中根据残余应力仿真云图判断每增材一层后是否需要进行振动时效处理。若残余应力云图显示增材到该层时，构件最大残余应力大于0.5σ_0.2则停止增材，调节振动频率，使构件处于共振状态，持续一小时，再次调节振动频率使基板处于微振动状态，检查螺栓是否紧固，继续增材。每当增材完8的倍数层后，停止增材并关闭振动时效装置，将超声波探头放置在仿真分析得出的残余应力最大的区域，测量实际残余应力值。若实测值低于0.5σ_0.2，继续增材；若实测值≥0.75σ_0.2时，此时应停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，去应力退火工艺参数如图5及表1所示，退火结束后，重新安装装置，继续增材；若实测值介于0.5σ_0.2与0.75σ_0.2之间，则停止电弧增材过程，调节振动频率，使构件处于共振状态，此时加速度一般≥20g，共振时间为2h，再次调节振动频率使基板处于微振动状态，检查螺栓是否紧固，继续增材。在增材制造整体完成后，调节振动频率，使构件处于共振状态，持续4h。

表1不锈钢电弧增材构件去应力退火工艺参数

Claims (7)

1.一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，绘制电弧增材构件及其生产工位的整体3D模型并导入机器人离线编程软件，规划增材最优路径并生成切片文件，导入机器人操作控制系统，控制电弧增材过程；

步骤二，根据步骤一得到的增材路径，采用计算机仿真软件仿真得到电弧增材制造构件各个时刻的残余应力分布云图；同时整理每增材一层金属后，已增材部分的残余应力分布云图，分析得出每增材n层后，已增材部分构件残余应力最大的区域，其中n>1；

步骤三，增材工作台安装在大橡胶垫上方并接地，将基板固定在增材工作台上，安装振动时效系统；

步骤四，启动增材机器人进行构件逐层堆积，同时启动振动时效系统，调节振动频率，使基板振动加速度在1～5g之间，熔池处于微振动状态；

步骤五，根据步骤二得到的增材过程中每增完一层金属后构件的残余应力分布云图，判断是否需要进行振动时效处理；若云图显示已增材部分最大残余应力超过0.5σ_0.2，停止电弧增材，调节振动频率，使增材构件处于共振状态；若云图显示已增材部分最大残余应力低于0.5σ_0.2，进行后续增材；

步骤六，根据步骤二得到的增材仿真结果，得到每增材n层金属后构件残余应力分布云图；每当增材完第n的倍数层后，停止增材并关闭振动时效系统，将超声波测应力装置探头放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，测量该区域实际残余应力值；根据实际测量残余应力值的大小，判定进行步骤七、八、九中的一个步骤；

步骤七，若实测值≥0.75σ_0.2，即材料屈服强度时，停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，待去应力退火完成后，重复步骤三、四、五、六，直至增材构件完成；

步骤八，若实测值低于0.5σ_0.2，则直接重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；

步骤九，若实测值介于0.5σ_0.2与0.75σ_0.2之间，则停止电弧增材过程，调节振动频率，使构件处于共振状态，然后重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；

步骤十，增材结束后，进行振动时效处理，关闭装置，完成增材制造全过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为1±0.5h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤九中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为2±0.5h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤十中的振动时效处理具体为：振动加速度≥20g，共振时间为4±0.5h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电弧增材类型可以为TIG、MIG或等离子电弧增材。

6.一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的装置，其特征在于，包括增材制造装置，振动时效装置，超声波测应力装置和计算机软件系统；

增材制造装置包括从下到上依次设置的大橡胶垫(17)、增材工作台(5)和基板(6)，还包括增材机器人(8)和机器人操作控制系统(10)，增材工作台(5)连接地线；增材机器人(8)在基板(6)上进行增材堆积；

振动时效装置包括：振动时效控制仪(1)，激振器(3)、加速度传感器(4)；激振器(3)固定在增材工作台(5)上，加速度传感器(4)固定于基板(6)上表面侧边中心；

超声波测应力装置放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，用于测量该区域实际残余应力值；

计算机软件系统包括3D建模软件，机器人离线编程软件，网格划分软件以及计算机仿真软件。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，机器人离线编程软件用于计算规划增材机器人的增材运动轨迹；

3D建模软件用于绘制增材工位3D图以及增材构件每道焊缝的3D模型；

网格划分软件用于对增材构件每道焊缝的3D模型进行网格划分；

计算机仿真软件用于对构件增材过程中的应力变形进行仿真，得到每增材一层金属后已增材部分的应力变形情况，为超声波应力测量提供测量位置以及为振动时效何时开启提供根据。

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