CN115647524B - 一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法 - Google Patents
一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，将单焊道锐角处的路径调整为圆弧路径，基于调整后的行走路径建立锐角处的多焊道搭接模型，求解多焊道临界搭接角，当锐角大于等于临界搭接角时，使用调整调整后的圆弧行走路径进行锐角处搭接，而当锐角小于临界搭接角时，提出一种“外层焊道路径的行走的速度+内层焊道的行走路径+内层焊道行走速度”的复合路径优化方法，该方法可以有效解决多焊道搭接处填充不足或过重叠问题，提高锐角成形精度。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材制造领域，更具体地，涉及一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法。
背景技术
电弧增材制造是定向能量沉积技术的一种，其采用电弧作为热源熔化金属丝材，通过机械臂或者机床按照模型预先设置的路径将熔融金属材料逐点、逐层添加进而堆积成形所需要的实体零件。该技术具有装置简单，可使用的材料范围广，成形尺寸大，生产周期短，材料利用率高，制造成本低等优点。在搭接熔积成形过程中，材料过多堆积会使成形件产生水平、高度方向上的误差，特别是具有锐角特征的搭接熔积成形，焊道锐角处路径较为“拥挤”，易发生材料自重叠现象，且随着焊道数的增加，锐角处产生的尺寸误差逐层累积，进而导致成形件的有显著的尺寸误差，最终直接影响到成形件的成形质量。本发明提出了一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，通过同时调整行走路径和行走速度的复合路径，提高锐角成形精度。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，来解决具有焊道锐角自重叠现象，并对搭接角小于临界角时的“外层焊道路径行走的速度+内层焊道的行走路径+内层焊道行走速度”进行调整，解决了锐角处焊道自重叠导致的材料过堆积的问题，进而减小成形焊道锐角处的高度差，提高了成形件成形精度。
为了实现上述技术效果，一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：单焊道锐角路径调整为圆弧路径；
S2：建立多焊道锐角搭接模型；
S3：求解多焊道临界搭接角；
S4：当锐角大于等于临界搭接角时，使用调整后的圆弧行走路径进行锐角搭接；
S5：当锐角小于临界搭接角时，采用一种“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”的复合路径优化方法。
所述步骤S1中单焊道行走路径的调整：将锐角路径简化为圆弧，D为圆弧直径，l1、l2为圆弧路径上任意两点的等效曲率半径，l1+l2＝D，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为D。
所述步骤S2中单层多道锐角搭接模型：L1、L2、L3、L4分别为第一条外层焊道行走路径，第二条内层焊道外轮廓，第一条外层焊道内轮廓、第二条内层焊道行走路径。
所述步骤S3中求取临界搭接角：当顶点填充不足时，存在某个临界角度，第一条外层焊道内轮廓顶点与第二条内层焊道外轮廓顶点相交于一点，将此时的焊道锐角定义为临界搭接角θ，第一条外层焊道内轮廓与第二条内层焊道外轮廓相较于一点N，M为未调整行走路径时第一条外层焊道行走路径锐角顶点，O为未调整行走路径时第二条内层焊道行走路径锐角顶点，P为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径顶点，K为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径所对应的圆心。
所述步骤S4当锐角角度大于临界搭接角时，将锐角路径简化为圆弧，D为圆弧直径，l1、l2为圆弧路径上任意两边的等效曲率半径，l1+l2＝D，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为D。
所述步骤S5当锐角角度小于临界搭接角时，通过调整“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”来改善锐角处焊道填充不足的缺陷。
所述步骤S5中复合路径优化方法具体过程如下述：
步骤一，外层焊道路径行走速度调整：
首先建立单焊道锐角搭接模型：将锐角处的行走路径分为两部分，即驶入路径和驶出路径，AB为焊道中心到锐角角平分线的距离，锐角自重叠区域定义为相邻路径中心距小于焊道宽度的区域，A到路径锐角的实时距离为LA，单焊道横截面轮廓用抛物线函数来表示，焊道锐角角度为θ，焊道宽度为w，高为h，理想条件下，行焊道自重叠部分为平整的面；
AB大于d/2时，d为理想搭接间距，焊枪匀速行走，假设行走速度为TS，当AB小于d/2时，通过调节行走速度来避免过多的材料堆积而引起的较大的形状误差，以理想条件下锐角处的材料体积为设计量，行走速度TS随LA变化如式所示：
步骤二：内层焊道行走路径调整：
内层焊道行走路径调整具体方法：在角平分线上到内层焊道驶入路径距离为d/2处取一点B，此时L4上对应的垂足点为C，其中C为驶入路径转折点，D、E、F分别为垂线与L3、L2、L1的交点；LA *为D到Q的距离，LA *＝0.375w/tan(θ/2)，将点C与第一条路径内轮廓顶点Q连接得到新的路径，新路径长为LC，与L2的夹角为α，驶出路径部分类似，转折点坐标为Co，则由图中几何关系可知LC＝LA */cosα，假设焊枪行走过程中L2上对应点到Q的实时距离为LA，此时BQ、DQ上所对应的点为Bt、Dt；
步骤三：内层焊道行走速度调整：
通过控制锐角处理想状态下焊道部分对应的材料体积来调整行走速度，成形过程中送丝机保持匀速送丝，单位时间内焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，行走过程中重叠部分轮廓曲线是不断变化的，模型外轮廓曲线较为复杂，为了方便计算，对重叠处焊道进行简化，假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，简化后对应的焊道高为ht；
模型横截面不变，因此有：
求解得：
由简化后锐角处搭接的几何关系可知，当LA＝0时，模型重叠区内层焊道，横截面面积计算过程如下式所示：
lOG长度计算过程如下式所示：
因为焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，因此Q点处，即LA＝0，焊枪瞬时行走速度TSQ计算过程如下式所示：
已假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，因为焊道高度相等，因此焊枪行走速度与简化后的内焊道矩形截面宽成反比，进一步地，焊枪实时行走速度可以表示为：
由几何关系可知cosα＝lCQ/lBQ，可进一步化简为：
锐角内层行走速度沿调整后的路径分布，焊枪行走速度在与Q距离为LC时开始变化，与距Q点距离的减小呈非线性增加，在Q点处瞬时速度接近6TS，驶出过程与驶入路径速度变化趋势相反，且呈轴对称分布，LC由锐角角度决定，不同锐角下路径对应行走速度不同，但变化趋势一致。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明提供了一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，首先将单焊道锐角路径调整为圆弧路径，有效改善锐角处焊道自重叠导致的材料过堆积问题，进一步减小了成形焊道锐角处的高度误差
2、其次，建立了多焊道锐角搭接模型，准确求解了多道搭接成形中焊道临界搭接角度，为内/外层焊道路径行走速度、行走路径的调整与规划提供了理论依据。
3、针对焊接锐角与临界角的大小关系，提出一种同时调整行走路径和行走速度的复合路径优化方法，有效解决了多焊道搭接处的填充不足或过重叠问题，提高了锐角成形精度。
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是本发明单焊道锐角行走路径调整示意图。
图2是本发明单层多道锐角搭接模型示意图。
图3是本发明临界角搭接示意图。
图4是本发明单焊道锐角搭接示意图。
图5是本发明内层焊道行走路径调整示意图。
图6是本发明简化后锐角处焊道搭接示意图。
图7是本发明内层行走速度调整后的路径分布。
图8是本发明实验验证示意图。
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。
为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。
实施例1：
参见图1-8，一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，该方法包括如下步骤：S1：单焊道锐角路径调整为圆弧路径；
将锐角路径简化为圆弧，D为圆弧直径，l1、l2为圆弧路径上任意两点的等效曲率半径，l1+l2＝D，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为D。
S2：建立多焊道锐角搭接模型；
L1、L2、L3、L4分别为第一条外层焊道行走路径，第二条内层焊道外轮廓，第一条外层焊道内轮廓、第二条内层焊道行走路径。
S3：求解多焊道临界搭接角；
当顶点填充不足时，存在某个临界角度，第一条外层焊道内轮廓顶点与第二条内层焊道外轮廓顶点相交于一点，将此时的焊道锐角定义为临界搭接角θ，第一条外层焊道内轮廓与第二条内层焊道外轮廓相较于一点N，M为未调整行走路径时第一条外层焊道行走路径锐角顶点，O为未调整行走路径时第二条内层焊道行走路径锐角顶点，P为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径顶点，K为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径所对应的圆心。
S4：当锐角大于等于临界搭接角时，使用调整后的圆弧行走路径进行锐角搭接；
将锐角路径简化为圆弧，D为圆弧直径，l1、l2为圆弧路径上任意两边的等效曲率半径，l1+l2＝D，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为D。
S5：所述步骤S5当锐角角度小于临界搭接角时，通过调整“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”来改善锐角处焊道填充不足的缺陷。
当锐角小于临界搭接角时，采用一种“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”的复合路径优化方法。
步骤一，外层焊道路径行走速度调整：
首先建立单焊道锐角搭接模型：将锐角处的行走路径分为两部分，即驶入路径和驶出路径，AB为焊道中心到锐角角平分线的距离，锐角自重叠区域定义为相邻路径中心距小于焊道宽度的区域，A到路径锐角的实时距离为LA，单焊道横截面轮廓用抛物线函数来表示，焊道锐角角度为θ，焊道宽度为w，高为h，理想条件下，行焊道自重叠部分为平整的面；
AB大于d/2时，d为理想搭接间距，焊枪匀速行走，假设行走速度为TS，当AB小于d/2时，通过调节行走速度来避免过多的材料堆积而引起的较大的形状误差，以理想条件下锐角处的材料体积为设计量，行走速度随LA变化如式所示：
步骤二：内层焊道行走路径调整：
内层焊道行走路径调整具体方法：在角平分线上到内层焊道驶入路径距离为d/2处取一点B，此时L4上对应的垂足点为C，其中C为驶入路径转折点，D、E、F分别为垂线与L3、L2、L1的交点；LA *为D到Q的距离，LA *＝0.375w/tan(θ/2)，将点C与第一条路径内轮廓顶点Q连接得到新的路径，新路径长为LC，与L2的夹角为α，驶出路径部分类似，转折点坐标为Co，则由图中几何关系可知LC＝LA */cosα，假设焊枪行走过程中L2上对应点到Q的实时距离为LA，此时BQ、DQ上所对应的点为Bt、Dt；
步骤三：内层焊道行走速度调整：
通过控制锐角处理想状态下焊道部分对应的材料体积来调整行走速度，成形过程中送丝机保持匀速送丝，单位时间内焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，行走过程中重叠部分轮廓曲线是不断变化的，模型外轮廓曲线较为复杂，为了方便计算，对重叠处焊道进行简化，假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，简化后对应的焊道高为ht；
模型横截面不变，因此有：
求解得：
由简化后锐角处搭接的几何关系可知，当LA＝0时，模型重叠区内层焊道(焊道2)横截面面积计算过程如下式所示：
lOG长度计算过程如下式所示：
因为焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，因此Q点处，即LA＝0，焊枪瞬时行走速度TSQ计算过程如下式所示：
已假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，因为焊道高度相等，因此焊枪行走速度与简化后的内焊道矩形截面宽成反比，进一步地，焊枪实时行走速度可以表示为：
由几何关系可知cosα＝lCQ/lBQ，可进一步化简为：
锐角内层行走速度沿调整后的路径分布，焊枪行走速度在与Q距离为LC时开始变化，与距Q点距离的减小呈非线性增加，在Q点处瞬时速度接近6TS，驶出过程与驶入路径速度变化趋势相反，且呈轴对称分布，LC由锐角角度决定，不同锐角下路径对应行走速度不同，但变化趋势一致。
实施例2：
图8所示，是按照本发明的一个优选实施例，为了验证优化策略的有效性，进行锐角为30°、45°、60°的双焊道成形实验。实验所选用焊丝和基本均为304不锈钢，焊丝直径为1.2mm，焊接方式为TIG焊，钨极直径为3.2mm，焊接电流为190A，行走速度为4mm/s，送丝速度2400mm/min，保护气体流量为18L/min。实验表明，锐角角度越大，相对误差越小，在60°的锐角处，高度误差从3.56mm减少至1.75mm，误差减少了50％以上，有效地提高了锐角局部成形精度。
Claims (1)
1.一种基于电弧增材制造锐角特征的搭接熔积成形工艺参数优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：单焊道锐角路径调整为圆弧路径；
S2：建立多焊道锐角搭接模型；
S3：求解多焊道临界搭接角；
S4：当锐角大于等于临界搭接角时，使用调整后的圆弧行走路径进行锐角搭接；
S5：当锐角小于临界搭接角时，采用一种“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”的复合路径优化方法；
所述步骤S1中单焊道行走路径的调整：将锐角路径简化为圆弧，为圆弧直径，/>、/>为圆弧路径上任意两点的等效曲率半径，/>，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为/>；
所述步骤S2中单层多道锐角搭接模型：、/>分别为第一条外层焊道行走路径，第二条内层焊道外轮廓，第一条外层焊道内轮廓、第二条内层焊道行走路径；
所述步骤S3中求取临界搭接角：当顶点填充不足时，存在某个临界角度，第一条外层焊道内轮廓顶点与第二条内层焊道外轮廓顶点相交于一点，将此时的焊道锐角定义为临界搭接角，第一条外层焊道内轮廓与第二条内层焊道外轮廓相较于一点/>，/>为未调整行走路径时第一条外层焊道行走路径锐角顶点，/>为未调整行走路径时第二条内层焊道行走路径锐角顶点，/>为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径顶点，/>为调整后的第二条内层焊道行走路径的圆弧路径所对应的圆心；
所述步骤S4当锐角角度大于临界搭接角时，将锐角路径简化为圆弧，为圆弧直径，/>、为圆弧路径上任意两边的等效曲率半径，/>，即圆弧处任意两段焊道等效中心距始终为/>；
所述步骤S5当锐角角度小于临界搭接角时，通过调整“外层焊道路径行走速度+内层焊道行走路径+内层焊道行走速度”来改善锐角处焊道填充不足的缺陷；
所述步骤S5中复合路径优化方法具体过程如下述：
步骤一，外层焊道路径行走速度调整：
首先建立单焊道锐角搭接模型：将锐角处的行走路径分为两部分，即驶入路径和驶出路径，为焊道中心到锐角角平分线的距离，锐角自重叠区域定义为相邻路径中心距小于焊道宽度的区域，/>到路径锐角的实时距离为/>，单焊道横截面轮廓用抛物线函数来表示，焊道锐角角度为/>，焊道宽度为/>，高为/>，理想条件下，行焊道自重叠部分为平整的面；
AB大于时，d为理想搭接间距，焊枪匀速行走，假设行走速度为/>，当AB小于/>时，通过调节行走速度来避免过多的材料堆积而引起的较大的形状误差，以理想条件下锐角处的材料体积为设计量，行走速度/>随/>变化如式所示：
步骤二：内层焊道行走路径调整：
内层焊道行走路径调整具体方法：在角平分线上到内层焊道驶入路径距离为处取一点B，此时/>上对应的垂足点为C，其中C为驶入路径转折点，D、E、F分别为垂线与/>、/>、的交点；/>为D到Q的距离，/>，将点C与第一条路径内轮廓顶点Q连接得到新的路径，新路径长为/>，与/>的夹角为α，驶出路径部分类似，转折点坐标为/>，则由图中几何关系可知/>，假设焊枪行走过程中/>上对应点到Q的实时距离为/>，此时BQ、DQ上所对应的点为/>、/>；
步骤三：内层焊道行走速度调整：
通过控制锐角处理想状态下焊道部分对应的材料体积来调整行走速度，成形过程中送丝机保持匀速送丝，单位时间内焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，行走过程中重叠部分轮廓曲线是不断变化的，模型外轮廓曲线较为复杂，为了方便计算，对重叠处焊道进行简化，假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，简化后对应的焊道高为；
模型横截面不变，因此有：
求解得：
由简化后锐角处搭接的几何关系可知，当时，模型重叠区内层焊道，横截面面积计算过程如下式所示：
长度计算过程如下式所示：
因为焊枪行走速度与内焊道横截面面积成反比，因此Q点处，即，焊枪瞬时行走速度/>计算过程如下式所示：
已假设焊道过渡区域为平面，且两条焊道材料均匀分布，因为焊道高度相等，因此焊枪行走速度与简化后的内焊道矩形截面宽成反比，进一步地，焊枪实时行走速度可以表示为：
由几何关系可知，可进一步化简为：
锐角内层行走速度沿调整后的路径分布，焊枪行走速度在与Q距离为时开始变化，与距Q点距离的减小呈非线性增加，在Q点处瞬时速度接近6TS，驶出过程与驶入路径速度变化趋势相反，且呈轴对称分布，/>由锐角角度决定，不同锐角下路径对应行走速度不同，但变化趋势一致。
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| CN112517924A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-19 | 三峡大学 | 一种基于反向补偿的电弧增材制造方法 |
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2022
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