CN115488468B - 双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法 - Google Patents

双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其涉及一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，通过增大流经搭接侧钨极的电流，保持流经另一侧钨极的电流不变，从而增大双钨极耦合电弧在搭接侧的加热范围，导致重熔区域向前一道顶点方向扩展，使位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距d，进而促进熔池熔融金属更多地向熔敷道搭接区域铺展填充，因此，该方法在保证熔敷层内各个熔敷道高度一致的前提下，大幅缩小了熔敷层表面的沟壑深度，实现了熔敷层表面平整度的优化。

Description

双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其涉及一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法。
背景技术
电弧增材制造技术是近年来发展最为迅速的增材制造技术之一。在多层多道结构的电弧增材制造过程中，熔敷道的搭接行为对熔敷层的表面平整度影响显著，研究表明：对于常用的电弧增材制造方法，搭接间距过小则表面倾斜，搭接间距过大则表面出现沟壑。而在多层堆积时，前一层的不平整表面会对当前层熔敷各个位置时的电弧弧长产生影响，这种影响将产生正反馈效应，导致误差累积，使得熔敷层的表面平整度逐渐恶化，不仅熔敷过程的稳定性无法保障，而且极大影响成形件的质量与性能。因此，优化增材制造的熔敷层表面平整度对改善增材制造成形件的成形和性能至关重要。
为此，学者们提出了通过改变工艺参数（焊接速度、送丝速度、焊接电流、焊接电压）和搭接间距优化熔敷层表面平整度的方法，然而，电弧增材制造的熔敷过程具有非平衡凝固特性，导致搭接熔敷道的熔池熔融金属没有充足的时间在前一道上铺展，故采用常用的电弧增材制造方法无法得到平整的熔敷层表面，只能在各个熔敷道高度一致、避免熔敷层表面倾斜的前提下，缩小熔敷层表面的沟壑深度。上述方法在单层堆积时效果较好，但在多层堆积过程中平整度误差逐渐累积，成形问题越来越严重，无法达到精度要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，以解决熔敷层表面不平整带来的成形问题。
基于上述目的，本发明提供了一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，采用的装置包括双钨极氩弧增材制造焊枪、第一偏钨极和第二偏钨极，其中第一偏钨极和所述第二偏钨极分别位于熔敷路径前进方向的两侧，其尖端靠近并呈镜像对称设置，且增材制造过程中，所述第一偏钨极和所述第二偏钨极始终垂直于基板；
本优化方法包括：
以熔敷层中央的第一熔敷道为基准，从第一熔敷道向两边进行堆积，在搭接过程中通过增加流经搭接侧钨极的电流，保持流经非搭接侧钨极的电流不变。
优选地，本优化方法还包括：在0.667w~0.738w范围内选择适当的搭接间距d，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到d的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，其中w为第一熔敷道的宽度。
优选地，本优化方法进一步包括：
S1、待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪向右移动，移动距离为搭接间距d，保持流经第二偏钨极的电流I2不变，增大流经第一偏钨极的电流I1，使重熔区域向左侧扩展，位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度应达到搭接间距d，开始搭接熔敷道的堆积过程；
S2、反复执行步骤S1，直到完成第一熔敷道右侧部分的熔敷加工；
S3、镜像操作，待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪移动到第一熔敷道起始点左方距离为d处，保持I1不变，增大I2，使重熔区域向右侧扩展，位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度应达到搭接间距d，开始搭接熔敷道的堆积过程；
S4、待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪向左移动，移动距离为搭接间距d，继续堆积左侧的搭接熔敷道；
S5，反复执行步骤S4，直到完成第一熔敷道左侧部分的熔敷加工。
优选地，步骤S1之前还包括以下步骤：
S01、对待加工零件的三维几何模型分层切片得到各个熔敷层，根据各个熔敷层的尺寸进行路径规划，将熔敷层规划划分为第一熔敷道与多条搭接熔敷道；采用平行路径填充模式，熔敷层宽度W、熔敷道宽度w、搭接间距d、熔敷道数量n满足以下关系式：W=w+d，其中搭接间距d取值为0.667w~0.738w；
S02、将熔敷层中央的熔敷道设置为第一熔敷道，根据其几何尺寸，规划并设置熔敷规范参数，包括流经第一偏钨极的电流I1，流经第二偏钨极的电流I2，行走速度v和送丝速度vf，使I1=I2；
S03、熔敷道的堆积过程：将双钨极氩弧增材制造焊枪移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2~5秒，在第一偏钨极、第二偏钨极与基板之间引燃双钨极耦合电弧8，待熔池形成后，按照规划路径行走并送丝；当双钨极氩弧增材制造焊枪运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，衰减电流时间为0.2~1秒，5~10秒后停止通保护气。
优选地，步骤S5之后还包括以下步骤：
S6，将双钨极氩弧增材制造焊枪移动到第一熔敷道起始位置并抬高，抬高距离为前一熔敷层的高度，执行步骤S02到步骤S5；
反复执行步骤S6，直到完成所有熔敷层的堆积。
优选地，本第一偏钨极和所述第二偏钨极的尖端角度为25°~60°，尖端之间的间距为1.0~2.5mm；
流经非搭接侧钨极的电流为100~300A，流经搭接侧钨极的电流为非搭接侧钨极的电流的100%~150%；
优选地，增材制造过程中的保护气体选用氩气，保护气体的流量为10~20L/min。
优选地，增材制造的行走速度为 3~8mm/s，送丝速度为2~10m/min，送丝角度为30°~60°。
优选地，本优化方法采用的装置还包括第一钨极氩弧增材制造电源和第二钨极氩弧增材制造电源，分别用于控制流经第一偏钨极和第二偏钨极的电流，所述第一钨极氩弧增材制造电源和所述第二钨极氩弧增材制造电源均为恒流电源。
本发明的有益效果：
1.该方法的增材制造过程中，通过增大流经搭接侧钨极的电流，保持流经另一侧钨极的电流不变，从而增大双钨极耦合电弧在搭接侧的加热范围，导致重熔区域向前一道顶点方向扩展，使位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距d，进而促进熔池熔融金属更多地向熔敷道搭接区域铺展填充，因此，该方法在保证熔敷层内各个熔敷道高度一致的前提下，大幅缩小了熔敷层表面的沟壑深度，实现了熔敷层表面平整度的优化。
2.该方法的增材制造过程与常规电弧增材制造方法的区别在于，无需倾斜焊枪来改变电弧的熔化行为，只需要将本方法所述的双钨极氩弧增材制造焊枪垂直于基板，调节流经两根偏钨极的熔敷电流I1、I2，就能改变双钨极耦合电弧的加热范围以及搭接熔敷道的成形特性，不需要增加行走机构的运动自由度，双钨极氩弧增材制造装置可以更加简单。
3.该方法的增材制造过程中，所有的搭接熔敷道的堆积过程具有良好的一致性，即第j条熔敷道在第j-1条熔敷道上搭接的过程与结果，和搭接熔敷道在第一熔敷道上搭接的过程与结果相同。产生该效果的原理在于：采用本方法堆积搭接熔敷道时，在0.667w~0.738w范围内选择了适当的搭接间距d，补偿双钨极耦合电弧在非搭接侧收缩而引发熔敷道宽度w减小，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，因此，搭接熔敷道的非搭接侧成形与第一熔敷道相同，后续熔敷道继续搭接时，其堆积过程的初始条件、边界条件与搭接熔敷道相同，能够获得相同的搭接成形形貌与尺寸，提高了增材制造过程的一致性、稳定性，经过多层堆积后，依然能够保证熔敷层的表面平整度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的使用的双钨极氩弧增材制造装置示意图；
图2为使用本发明中优化方法后的双钨极氩弧增材制造道间搭接过程原理图，其中I1>I2；
图3为常规的双钨极氩弧增材制造道间搭接过程原理图，其中I1=I2；
图4为使用本发明中优化方法后的双钨极氩弧增材制造的熔敷层效果图；
图5为常规的双钨极氩弧增材制造的熔敷层效果图。
图中标记为：
1、基板；2、待加工零件；3、双钨极氩弧增材制造焊枪；4、第一钨极氩弧增材制造电源；5、第二钨极氩弧增材制造电源；6、第一偏钨极；7、第二偏钨极；8、双钨极耦合电弧；9、第一熔敷道；10、熔敷道搭接区域；11、重熔区域；12、搭接熔敷道；13、送丝机；14、焊丝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1-图5所示，本说明书实施例提供一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，采用的装置包括基板1、双钨极氩弧增材制造焊枪3、第一偏钨极6和第二偏钨极7，其中第一偏钨极6和所述第二偏钨极7分别位于熔敷路径前进方向的两侧，其尖端靠近并呈镜像对称设置，且增材制造过程中，所述第一偏钨极6和所述第二偏钨极7始终垂直于基板1；
本优化方法包括：
以熔敷层中央的第一熔敷道9为基准，从第一熔敷道9向两边进行堆积，在搭接过程中通过增加流经搭接侧钨极的电流，保持流经非搭接侧钨极的电流不变，从而增大双钨极耦合电弧8在搭接侧的加热范围，导致重熔区域11向前一道顶点方向扩展，使位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距d，进而促进熔池熔融金属更多地向熔敷道搭接区域10铺展填充，因此，该方法在保证熔敷层内各个熔敷道高度一致的前提下，大幅缩小了熔敷层表面的沟壑深度，实现了熔敷层表面平整度的优化。
并且本方法无需倾斜焊枪来改变电弧的熔化行为，只需要将本方法所述的双钨极氩弧增材制造焊枪3垂直于基板1，调节流经两根偏钨极的熔敷电流I1、I2，就能改变双钨极耦合电弧8的加热范围以及搭接熔敷道12的成形特性，不需要增加行走机构的运动自由度，双钨极氩弧增材制造装置可以更加简单。
作为一种实施方式，本方法还包括：在0.667w~0.738w范围内选择适当的搭接间距d，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到d的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，其中w为第一熔敷道9的宽度。
该方法使所有的搭接熔敷道12的堆积过程具有良好的一致性，即第j条熔敷道在第j-1条熔敷道上搭接的过程与结果，和搭接熔敷道12在第一熔敷道9上搭接的过程与结果相同。产生该效果的原理在于：采用本方法堆积搭接熔敷道12时，在0.667w~0.738w范围内选择了适当的搭接间距d，补偿双钨极耦合电弧8在非搭接侧收缩而引发熔敷道宽度w减小，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，因此，搭接熔敷道12的非搭接侧成形与第一熔敷道9相同，后续熔敷道继续搭接时，其堆积过程的初始条件、边界条件与搭接熔敷道12相同，能够获得相同的搭接成形形貌与尺寸，提高了增材制造过程的一致性、稳定性，经过多层堆积后，依然能够保证熔敷层的表面平整度。
本说明书实施例提供的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，该方法的增材制造过程中，所有的搭接熔敷道12的堆积过程具有良好的一致性，即第j条熔敷道在第j-1条熔敷道上搭接的过程与结果，和搭接熔敷道12在第一熔敷道9上搭接的过程与结果相同。产生该效果的原理在于：采用本方法堆积搭接熔敷道12时，在0.667w~0.738w范围内选择了适当的搭接间距d，补偿双钨极耦合电弧8在非搭接侧收缩而引发熔敷道宽度w减小，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，因此，搭接熔敷道12的非搭接侧成形与第一熔敷道9相同，后续熔敷道继续搭接时，其堆积过程的初始条件、边界条件与搭接熔敷道12相同，能够获得相同的搭接成形形貌与尺寸，提高了增材制造过程的一致性、稳定性，经过多层堆积后，依然能够保证熔敷层的表面平整度。
作为一种实施方式，使用的装置还包括待加工零件2、第一钨极氩弧增材制造电源4、第二钨极氩弧增材制造电源5、送丝机13、焊丝等。
本实施方式中，待加工零件2为长方体结构，长为100mm，宽为50mm，高为220mm，基板1为10mm厚的Q235B钢板，焊丝为直径1.2mm的H08Mn2Si低碳钢焊丝，保护气为氩气。
具体来说，第一偏钨极6与第二偏钨极7的尖端角度为40°，第一偏钨极6与第二偏钨极7的尖端靠近并呈镜像对称设置，第一偏钨极6与第二偏钨极7的间距为1.5mm，第一钨极氩弧增材制造电源4和第二钨极氩弧增材制造电源5分别控制流经第一偏钨极6和第二偏钨极7的电流，第一钨极氩弧增材制造电源4和第二钨极氩弧增材制造电源5均为恒流电源。
本优化方法进一步包括以下步骤：
S01：对所述待加工零件2的三维几何模型分层切片得到各个熔敷层，根据各个熔敷层的尺寸进行路径规划，将熔敷层规划划分为第一熔敷道9与多条搭接熔敷道12；采用平行路径填充模式，熔敷层宽度W为49.98mm，熔敷道宽度w为9.84mm，搭接间距d取值为6.89mm，每个熔敷层由七个熔敷道搭接而成，层高2.0mm，共堆积110层。
S02：将熔敷层中央的熔敷道设置为第一熔敷道9，根据其几何尺寸，规划熔敷规范参数，包括电弧电流I，其中流经第一偏钨极6的电流I1=200A，流经第二偏钨极7的电流I2=200A，行走速度v=5mm/s和送丝速度vf=4.5m/min，送丝角度为30°~60°，此时I1=I2。
S03：将双钨极氩弧增材制造焊枪3移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2秒，在第一偏钨极6、第二偏钨极7与基板1之间引燃双钨极耦合电弧8，待熔池形成后，按照规划路径行走并送丝。当双钨极氩弧增材制造焊枪3运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，衰减电流时间为0.5秒，10秒后停止通保护气。
S1：待熔敷道表面冷却到道间温度100摄氏度，将双钨极氩弧增材制造焊枪3向右移动，移动距离为搭接间距d，保持I2不变，增大I1至235A，使位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距d，开始下一熔敷道的堆积过程，执行S03。
S2：反复执行S1，直到完成第一熔敷道9右侧部分的熔敷加工。
S3：待熔敷道表面冷却到道间温度100摄氏度，将双钨极氩弧增材制造焊枪3移动到第一熔敷道9起始点左方距离为d处。保持I1=200A不变，增大I2至235A，使位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到搭接间距d，执行S03。
S4：待熔敷道表面冷却到道间温度100摄氏度，将双钨极氩弧增材制造焊枪3向左移动，移动距离为搭接间距d，开始下一熔敷道的堆积过程，执行S03。
S5：反复执行S4，直到完成第一熔敷道9左侧部分的熔敷加工。
S6：将双钨极氩弧增材制造焊枪3移动到第一熔敷道9起始位置并抬高，抬高距离为2.0mm，执行S02到S5。
S7：反复执行S6，直到完成所有熔敷层的堆积。
经过测量，使用本发明中优化方法后的双钨极氩弧增材制造，经过多层堆积，熔敷层表面的低谷与峰顶之间的高度差为0.2mm，而常规的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面高度差为0.4mm，双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面的平整度得到了显著优化。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，采用的装置包括双钨极氩弧增材制造焊枪(3)、第一偏钨极(6)和第二偏钨极(7)，其特征在于，所述第一偏钨极(6)和所述第二偏钨极(7)分别位于熔敷路径前进方向的两侧，其尖端靠近并呈镜像对称设置，且增材制造过程中，所述第一偏钨极(6)和所述第二偏钨极(7)始终垂直于基板(1)；
所述优化方法包括：
以熔敷层中央的第一熔敷道(9)为基准，从第一熔敷道(9)向两边进行堆积，在搭接过程中增加流经搭接侧钨极的电流，保持流经非搭接侧钨极的电流不变。
2.根据权利要求1所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，所述优化方法还包括：在0.667w~0.738w范围内选择适当的搭接间距d，在确保位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度达到d的同时，使位于熔敷路径中心线的非搭接侧的熔池宽度保持为0.5w，其中w为第一熔敷道(9)的宽度。
3.根据权利要求2所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，所述优化方法进一步包括：
S1、待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪(3)向右移动，移动距离为搭接间距d，保持流经第二偏钨极(7)的电流I2不变，增大流经第一偏钨极(6)的电流I1，使重熔区域(11)向左侧扩展，位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度应达到搭接间距d，开始搭接熔敷道(12)的堆积过程；
S2、反复执行步骤S1，直到完成第一熔敷道(9)右侧部分的熔敷加工；
S3、镜像操作，待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪(3)移动到第一熔敷道(9)起始点左方距离为d处，保持I1不变，增大I2，使重熔区域(11)向右侧扩展，位于熔敷路径中心线的搭接侧的熔池宽度应达到搭接间距d，开始搭接熔敷道(12)的堆积过程；
S4、待熔敷道表面冷却到道间温度，将双钨极氩弧增材制造焊枪(3)向左移动，移动距离为搭接间距d，继续堆积左侧的搭接熔敷道(12)；
S5，反复执行步骤S4，直到完成第一熔敷道(9)左侧部分的熔敷加工。
4.根据权利要求3所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，步骤S1之前还包括以下步骤：
S01、对待加工零件(2)的三维几何模型分层切片得到各个熔敷层，根据各个熔敷层的尺寸进行路径规划，将熔敷层规划划分为第一熔敷道(9)与多条搭接熔敷道(12)；采用平行路径填充模式，熔敷层宽度W、熔敷道宽度w、搭接间距d、熔敷道数量n满足以下关系式：W=w+d，其中搭接间距d取值为0.667w~0.738w；
S02、将熔敷层中央的熔敷道设置为第一熔敷道(9)，根据其几何尺寸，规划并设置熔敷规范参数，包括流经第一偏钨极(6)的电流I1，流经第二偏钨极(7)的电流I2，行走速度v和送丝速度vf，使I1=I2；
S03、熔敷道的堆积过程：将双钨极氩弧增材制造焊枪(3)移动到熔敷道起始点并提前通入保护气2~5秒，在第一偏钨极(6)、第二偏钨极(7)与基板(1)之间引燃双钨极耦合电弧(8)，待熔池形成后，按照规划路径行走并送丝；当双钨极氩弧增材制造焊枪(3)运动到熔敷道终点时，先停止送丝，再衰减电流并熄弧，衰减电流时间为0.2~1秒，5~10秒后停止通保护气。
5.根据权利要求4所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，步骤S5之后还包括以下步骤：
S6，将双钨极氩弧增材制造焊枪(3)移动到第一熔敷道(9)起始位置并抬高，抬高距离为前一熔敷层的高度，执行步骤S02到步骤S5；
反复执行步骤S6，直到完成所有熔敷层的堆积。
6.根据权利要求1所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于：所述第一偏钨极(6)和所述第二偏钨极(7)的尖端角度为25°~60°，尖端之间的间距为1.0~2.5mm；
流经非搭接侧钨极的电流为100~300A，流经搭接侧钨极的电流为非搭接侧钨极的电流的100%~150%。
7.根据权利要求1所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，增材制造过程中的保护气体选用氩气，保护气体的流量为10~20L/min。
8.根据权利要求1所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，增材制造的行走速度为3~8mm/s，送丝速度为2~10m/min，送丝角度为30°~60°。
9.根据权利要求1所述的双钨极氩弧增材制造的熔敷层表面平整度优化方法，其特征在于，本优化方法采用的装置还包括第一钨极氩弧增材制造电源(4)和第二钨极氩弧增材制造电源(5)，分别用于控制流经第一偏钨极(6)和第二偏钨极(7)的电流，所述第一钨极氩弧增材制造电源(4)和所述第二钨极氩弧增材制造电源(5)均为恒流电源。
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