CN115007969A - 一种cmt+p电弧增材制造表面成形质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧增材制技术领域，公开了一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，包括以下步骤：对金属结构件模型进行分层切片处理；分别控制内部堆积路径和轮廓成形路径的工艺参数以及焊枪姿态，结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，控制电弧增材制造表面成形质量。本发明基于CMT+P电弧熔池、熔滴受力分析，获得不同类型材料电弧熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制工艺参数与焊枪姿态，通过分别控制轮廓成形路径和内部扫描路径的工艺参数和焊枪姿态控制方法，多层堆积成形过程结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，进而实现几何尺寸精度和表面成形质量控制。

Description

一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制技术领域，具体地说，是一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法。

背景技术

电弧增材制造技术是一种基于计算机辅助三维建模、分层切片，以电弧作为热源熔化丝材，按照规划的路径逐层堆积成形三维零件的技术。电弧增材制造技术具有工艺控制方便、生产效率高、成本低、成形尺寸不受限制等优势，特别适用于大尺寸、轻量化及复杂化结构件的制造。

目前，电弧增材制造技术主要包括熔化极电弧和非熔化极电弧两大类，熔化极电弧有MAG、MIG、CMT、双丝双弧、多丝多弧等方法。其中，冷金属过渡电弧(CMT)通过数字化控制系统，将焊丝送进同熔滴过渡过程相结合，实现焊丝熔化过程的“冷-热”交替，有效控制热输入量，具有热输入小、飞溅少、变形小等优点，广泛应用于机器人电弧增材制造领域。冷金属过渡+脉冲电弧(CMT+P电弧)是在CMT电弧基础上与脉冲电弧相结合。在CMT中加入脉冲不仅能够增大焊缝的深宽比，提高焊缝与基板之间的润湿程度，而且能保证焊缝具有良好的成形效果，因此，CMT+P的单道成形比CMT的单道成形效果更好。同时，CMT+P电弧由于脉冲的作用，对熔池金属具有搅拌作用，可以细化晶粒，获得晶粒尺寸细小的微观组织。因此，CMT+P电弧越来越多被用于增材制造。

CMT+P电弧增材制造过程，随着成形层道数的增加，热累积不断增大会导致熔池凝固时间增加，熔池流动性增强；另外，在脉冲的电弧力作用下，会出现射滴或射流过渡形式，在结构件边缘部分成形过程极易形成熔池液态金属“流淌”，进而造成表面质量下降和尺寸偏差。CMT+P电弧增材制造仍然存在成形精度较低、表面成形差、构件内部易形成气孔等冶金缺陷的问题。其中，表面成形质量是评价增材制造结构件质量的一个重要指标。目前改进其表面质量的方式，主要包括熔滴过渡形式控制、增材制造路径规划、增减材混合制造以及其他辅助措施等。

现有文献检索发现，中国专利申请号：202011119503.2名为“一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法”提供了一种提高电弧增材表面精度的增材系统激方法，该方法通过添加侧面约束装置，使熔池在侧面约束装置的约束下成形，提高增材制造表面精度；该方法只适合于表面直壁件的成形，不适用于复杂特征结构件电弧增材制造。中国专利申请号：201910484521.1，名为“一种多电弧枪增材制造系统及方法”通过滚珠丝杠移动滑台带动轮廓焊枪进行轮廓成形轨迹的打印，未对焊枪的姿态进行调整控制，并非轮廓姿态控制提高增材表面质量。因此，亟需提出一种提高复杂特征结构件电弧增材制造表面成形质量的方法。

本发明基于CMT+P电弧熔滴、熔池受力控制提供了一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，通过调整焊枪姿态实现熔滴可控过渡，提出一种轮廓成形路径扫描方法控制熔池稳定性，进而提高金属结构件表面成形精度和质量，拓展电弧增材制造技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，实现提高金属结构件表面成形精度和质量的功能，具有拓展电弧增材制造技术的应用范围的效果。

本发明通过下述技术方案实现：一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，包括以下步骤：

对金属结构件模型进行分层切片处理；

分别控制内部堆积路径和轮廓成形路径的工艺参数以及焊枪姿态，结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，控制电弧增材制造表面成形质量。

本发明基于CMT+P电弧熔池、熔滴受力分析，获得不同类型材料电弧熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制工艺参数与焊枪姿态，通过分别控制轮廓成形路径和内部扫描路径的工艺参数和焊枪姿态控制方法，多层堆积成形过程结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，进而实现几何尺寸精度和表面成形质量控制。

为了更好地实现本发明，进一步地，，所述对金属结构件模型进行分层切片处理的过程包括：

对金属结构件进行三维建模，对金属结构件模型结构特征进行分析，确定最优的电弧增材成形方向；

对金属结构件模型进行分层切片处理，确定分层切片特征，所述分层切片特征包括分层切片发方向、层厚、形状和尺寸。

为了更好地实现本发明，进一步地，，所述控制内部堆积路径的方法包括：

根据各分层切片特征，采用复合路径规划算法进行内部堆积路径规划；

内部堆积路径规划采用往复直线路径，基于分层切片和往复直线路径规划数据；

通过坐标变换和代码编译生成各分层切片内部路径机器人运动控制代码，并使焊枪姿态保持垂直于成形平面状态进行内部堆积路径成形。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述控制轮廓成形路径的方法包括：

根据各分层切片特征，采用复合路径规划算法进行轮廓成形路径规划；

采用轮廓偏置算法获得分层切片的轮廓路径和偏置距离；

对分层切片轮廓进行曲线拟合，将拟合的轮廓曲线进行微分求解得到切向向量，以切向向量作为轮廓成形方向；

通过坐标变化和代码编译生成轮廓路径运动代码和焊枪姿态控制代码，焊枪姿态与电弧增材成形平面法向量的夹角保持在10-20°角，进行表面轮廓成形。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述焊枪姿态控制方法包括：

基于CMT+P电弧熔池和熔丝受力分析，获得不同材料电弧熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制工艺参数和焊枪姿态，控制轮廓成形路径与焊枪姿态保证表面成形质量。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述层间温度控制的方法包括：

通过CMT+P电弧增材制造设定成形工艺参数，所述设定成形工艺参数包括送丝速度、成形速度和成形间距，按照内部堆积路径规划和轮廓成形路径规划中设定的程序路径，进行内部堆积路径成形和表面轮廓成形；

根据材料属性及工艺参数设定层间温度，令层间温度匹配控制温度处于100℃-150℃。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明不需要辅助措施，通过路径规划和焊枪姿态控制能够实现CMT+P电弧增材制造成形精度和表面质量；

(2)与现有CMT电弧增材技术相比，本发明在保证成形质量的条件下，可以减少增材缺陷、提升组织性能；

(3)本发明可以提高复杂结构的电弧增材成形质量和效率，拓展电弧增材制造技术的应用范围。

附图说明

本发明结合下面附图和实施例做进一步说明，本发明所有构思创新应视为所公开内容和本发明保护范围。

图1为本发明提供的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法的流程图。

图2为未采用本发明电弧增材制造的金属结构件表面成形质量示意图。

图3为采用了本发明电弧增材制造的金属结构件表面成形质量示意图。

图4为本发明提供的增材制造过程中采用复合路径规划算法计算分层切片轮廓曲线的一部分示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，CMT+P电弧：CMT为冷金属过渡焊接方法，CMT+P电弧为传统CMT模式与脉冲模式相结合的焊接工艺。

电弧熔池受力：CMT+P电弧增材熔池金属所受到的力，主要包括重力、浮力、表面张力、马兰格尼力、电弧压力、电磁力、液滴冲击力。

焊枪姿态：焊枪端部通过机器人相对绕X、Y、Z轴旋转一定角度所处的空间位置。

实施例1：

本实施例的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，如图1所示，本实施例通过分别控制轮廓成形路径和内部扫描路径的工艺参数和焊枪姿态方法，结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，进而实现几何尺寸精度和表面成形质量控制。

本实施例基于CMT+P电弧熔池、熔滴受力分析，获得不同类型材料电弧熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制工艺参数与焊枪姿态，控制轮廓成形路径与焊枪姿态保证表面成形质量，同时多层堆积成形过程控制层间温度提高熔池稳定性。如图2所示为未采用本发明电弧增材制造的金属结构件表面成形质量示意图，图3为采用本发明电弧增材制造的金属结构件表面成形质量图，可以看出，本发明明显提高了金属结构件几何尺寸精度和表面成形质量。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，在本实施例中，金属结构件模型分层处理是通过对金属结构件的三维模型结构特征进行分析，确定最优的电弧增材成形方向，对模型进行分层切片处理，确定切片方向、切片层厚。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，在本实施例中，内部堆积路径规划是根据各分层切片形状和尺寸特征，采用复合路径规划算法进行内部和轮廓路径规划，其中内部采用往复直线路径；基于分层切片和路径规划数据，通过坐标变换和代码编译，生成各层内部路径机器人运动控制代码，焊枪姿态保持垂直于成形平面状态进行堆积成形。

通过路径规划软件，根据各分层切片形状和尺寸特征，采用轮廓偏置路径与往复直线路径相结合的复合路径规划算法进行路径规划；内部采用往复直线路径进行路径规划，相邻路径之间的间距h＝0.7W(W为堆积熔宽)；基于分层切片和路径规划数据，通过坐标变换和代码编译，生成各层内部路径机器人运动控制代码，焊枪姿态保持垂直于成形平面状态进行堆积成形。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，在本实施例中，轮廓成形路径采用轮廓偏置算法获得轮廓路径；对分层切片轮廓进行曲线拟合，拟合轮廓曲线进行微分求解得到切向向量，以切向向量作为成形方向；同时通过熔滴、熔池受力分析可知：表面张力是维持熔池稳定的作用力，CMT+P模式的混合过渡形式会增大热输入、电弧力、熔滴冲击力，因此基于熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制，通过调整熔池金属受力分布，可计算得到不同材料增材过程焊枪绕Z轴旋转角度；

焊枪姿态是指焊枪端部通过机器人相对绕X、Y、Z轴旋转一定角度所处的空间位置，X、Y、Z轴的坐标原点指增材制造过程中机器人使用的全局坐标或局部工具坐标的原点。机器人的移动距离主要通过坐标的相对值确定。通过对轮廓成形路径进行逼近拟合，得到焊枪绕X、Y轴的旋转角度，最终获得机器人焊枪的姿态特征参数，使焊枪与增材成形平面法向量的夹角始终保持在10-20°角范围内；通过坐标变化和代码编译生成轮廓路径运动代码和焊枪姿态控制代码，进行表面轮廓成形。

轮廓成形路径采用轮廓偏置算法获得轮廓路径，偏置距离l＝0.6W；对分层切片轮廓路径进行曲线拟合，轮廓拟合曲线进行微分求解得到切向向量，以切向向量作为成形方向；同时基于熔滴稳定过渡、熔池稳定凝固控制，计算得到不同材料增材过程焊枪绕Z轴旋转角度；通过对轮廓成形路径进行逼近拟合，得到焊枪绕X、Y轴的旋转角度，最终获得机器人焊枪的姿态特征参数，使焊枪与增材成形平面法向量的夹角保持在10-20°角范围内。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项基础上做进一步优化，在本实施例中设定工艺从参数及层间温度堆积成形。

设定成形工艺参数包括送丝速度、成形速度、成形间距，按照内部堆积路径规划和轮廓成形路径规划中设定的程序路径，进行轮廓成形和内部成形。并根据材料属性及工艺参数设定层间温度，逐层堆积成形三维结构实体，最终获得几何尺寸精度和表面质量良好的结构件。

设定成形工艺参数：送丝速度、成形速度、成形间距、弧长修正、起弧收弧时间等，例如，不锈钢材料采用CMP+P电弧增材制造工艺参数：送丝速度＝6.0m/min(焊接电流＝185A，焊接电压＝21.4V)、成形速度＝8mm/s、成形间距＝5mm；并根据材料属性及工艺参数设定层间温度处于100-150℃；按照内部堆积路径规划和轮廓成形路径规划中设定的路径程序和焊枪姿态逐层堆积成形，最终获得表面质量良好的结构件。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例1-5任一项基础上做进一步优化，在本实施例中采用复合路径规划算法进行内部和轮廓路径规划中复合路径规划算法过程如下：

增材制造过程分层切片轮廓是由多道线段组成的封闭轮廓曲线。通过轮廓曲线填充、计算可以获得内部和外部轮廓路径。轮廓路径规划算法的计算是通过模型坐标点偏置一定距离求得。以切片轮廓曲线的一部分为例，模型路径顶点N_i偏置一定距离d后得到新的轮廓顶点M_i。顶点N_i的坐标由模型确定，只需求出矢量N_iM_i的值，即可得到新顶点M_i的坐标值。设原顶点N_i+1、N_i、N_i-1的坐标分别为(x_i+1，y_i+1)、(x_i，y_i)、(x_i-1，y_i-1)，e₁，e₂分别为有向线段M_i+1M_i，M_iM_i-1的单位矢量，i、j分别为X轴和Y轴的单位向量。延长N_i+1N_i和N_iN_i-1分别与直线M_i+1M_i，M_iM_i-1交于K和L，得到如图4所述的平行四边形N_iKM_iL，通过计算即可获得轮廓点Mi的坐标，按照各点的顺序连接即可得到轮廓路径曲线。

内部直线路径通过计算扫描线与轮廓线的交点连接获得。首先根据轮廓的x坐标确定扫描线的坐标范围[x_min，x_max]，再依据扫描间距计算得到扫描线的个数。根据扫描间距和扫描线数量确定扫描线的x坐标矩阵[x_min，x_min+d，…x_min+id，…x_min+nd]，扫描线与模型坐标线的交点坐标即为扫描线的y坐标。通过计算当前扫描线的终点与下一条扫描线的两个端点之间的距离，以距离较短的点作为下一个连接点，以此反复计算连接，即可获得完整的内部直线路径。

本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例1-6任一项基础上做进一步优化，在本实施例中，焊枪与电弧增材成形平面法向量的夹角始终保持在10-20°角范围内，这是因为由于CMT+P模式的混合过渡形式会增大电弧力和熔滴冲击力，通过调整焊枪与成形平面法向量的夹角，可以将一部分电弧力和熔滴冲击力分解至成形平面方向，同时减小竖直打印方向的作用力，有助于控制熔滴过得的稳定性和熔池凝固的稳定性。

本实施例的其他部分与上述实施例1-6任一项相同，故不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例1-7任一项基础上做进一步优化，在本实施例中，路径规划数据的坐标变换：路径数据变换主要针对路径点数据与机器人坐标之间的相对位置关系变换，模型坐标系相对于实际工件坐标系的转换矩阵

模型坐标系相对机器人基坐标系的转换矩阵为

增材成形基板坐标系相对于机器人坐标系的转换矩阵为

模型路径规划数据左边变换为增材成形基板坐标过程为：

焊枪姿态的坐标变换：焊枪的姿态用(φ，θ，Ψ)表示，φ为绕X轴的旋转角度，θ为绕Y轴的旋转角度，Ψ为绕Z轴的旋转角度。在机器人坐标系下，机器人焊枪姿态的调整采用四元数Q(q1，q2，q3，q4)表示，Q为机器人末端焊枪的姿态，q1，q2，q3，q4为四元数。因此需要将路径规划获得的焊枪角度转变为机器人坐标系下的四元数，使用四元数表示机器人末端焊枪的姿态。欧拉角转换为四元数过程为：

本实施例的其他部分与上述实施例1-7任一项相同，故不再赘述。

实施例9：

本实施例在上述实施例1-8任一项基础上做进一步优化，在本实施例中，代码编译过程主要指将轨迹坐标文件导入到机器人仿真软件Robotstudio中，将坐标数据编译为机器人使用的Rapid语言，此为通用技术。

本实施例的其他部分与上述实施例1-7任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对金属结构件模型进行分层切片处理；

分别控制内部堆积路径和轮廓成形路径的工艺参数以及焊枪姿态，结合层间温度控制实现熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固，控制电弧增材制造表面成形质量。

2.根据权利要求1所述的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，所述对金属结构件模型进行分层切片处理的过程包括：

对金属结构件进行三维建模，对金属结构件模型结构特征进行分析，确定最优的电弧增材成形方向；

对金属结构件模型进行分层切片处理，确定分层切片特征，所述分层切片特征包括分层切片发方向、层厚、形状和尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，所述控制内部堆积路径的方法包括：

根据各分层切片特征，采用复合路径规划算法进行内部堆积路径规划；

内部堆积路径规划采用往复直线路径，基于分层切片和往复直线路径规划数据；

通过坐标变换和代码编译生成各分层切片内部路径机器人运动控制代码，并使焊枪姿态保持垂直于成形平面状态进行内部堆积路径成形。

4.根据权利要求1所述的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，所述控制轮廓成形路径的方法包括：

根据各分层切片特征，采用复合路径规划算法进行轮廓成形路径规划；

采用轮廓偏置算法获得分层切片的轮廓路径和偏置距离；

对分层切片轮廓进行曲线拟合，将拟合的轮廓曲线进行微分求解得到切向向量，以切向向量作为轮廓成形方向；

通过坐标变化和代码编译生成轮廓路径运动代码和焊枪姿态控制代码，焊枪姿态与电弧增材成形平面法向量的夹角保持在10-20º角，进行表面轮廓成形。

5.根据权利要求1所述的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，所述焊枪姿态控制方法包括：

基于CMT+P电弧熔池和熔丝受力分析，获得不同材料电弧熔滴稳定过渡和熔池稳定凝固控制工艺参数和焊枪姿态，控制轮廓成形路径与焊枪姿态保证表面成形质量。

6.根据权利要求1所述的一种CMT+P电弧增材制造表面成形质量控制方法，其特征在于，所述层间温度控制的方法包括：

通过CMT+P电弧增材制造设定成形工艺参数，所述设定成形工艺参数包括送丝速度、成形速度和成形间距，按照内部堆积路径规划和轮廓成形路径规划中设定的程序路径，进行内部堆积路径成形和表面轮廓成形；

根据材料属性及工艺参数设定层间温度，令层间温度匹配控制温度处于100ºC-150 ºC。

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