CN116713567A - 交叉结构金属构件tig电弧增材制造系统及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统及制造方法，该系统包括：机器人系统、增材电源、数字化送丝机和安装在机器人系统末端轴上的焊炬，机器人系统均与增材电源、数字化送丝机通讯连接，数字化送丝机将焊丝送至焊炬上。该系统和方法可以解决熔化极电弧增材制造工艺成型交叉结构金属构件路径规划难度大、成型质量控制困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材制技术领域，更具体的说是涉及交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统及制造方法。
背景技术
电弧增材制造技术(Wire+arcadditivemanufacturing，WAAM)，是一种以电弧为热源，金属丝材为原材料的增材制造技术。与其他金属增材制造工艺相比，WAAM具有生产效率高、原材料成本低、设备成本低、成型控制自由灵活、成型系统结构简单等优点，目前已经成为增材制造领域的研究热点。
在航空航天、轨道车辆和武器制造等领域，“轻质高强”成为了构件设计制造的重要目标之一，大尺寸框架设计得到了愈加广泛的应用。交叉结构是大尺寸框架零件的常见结构特征，也是成型控制难度最大的结构特征，交叉结构的成型质量直接决定着大尺寸框类构件的最终成型质量。
在当前电弧增材制造领域的理论研究和工程应用中，熔化极工艺凭借装备技术成熟度和制造效率较高等优点占据着垄断地位，但因熔化极工艺传热和传质过程强耦合的工艺特性，采用熔化极工艺成型交叉结构金属构件时，路径重叠处会不可避免的产生凸起(熔化极工艺使用焊丝做电极，只要引燃电弧就必须不断送丝，如果停止送丝则电弧也会熄灭，所以采用熔化极工艺成型交叉结构时。在未采取降低送丝速度或者在焊枪第二次经过交叉处时熄弧停止送丝等额外措施的情况下，路径交叉处的焊丝填充量一定会比其他位置大，造成凸起，如图1所示)，影响后续增材成型，需要在增材过程中采用复合减材加工(例如增材之后通过机械铣削工艺将重叠处多余的部分去除，使交叉处和其他位置高度保持一致)或采用相切圆弧路径方式(例如成型交叉结构时将两条相互交叉的直线路径改为两条相切的圆弧路径，从而有效避免两条路径的上下重叠，进而造成同一位置处的重复送丝导致凸起，如图2所示)消除路径交叉处凸起的干扰，既增加了设备成本和路径规划难度，也降低了制造效率(例如，增减材复合加工工艺一般需要增加配置有铣削头的机器人组成双机器人系统，大幅增加了成本，增材之后增加铣削工艺也大幅延长了构件制造时间，降低了生产效率；而采用圆弧相切路径方式可在一定程度上避免因路径上下重叠导致交叉位置凸起的问题，但是相切处极易产生缩颈等成型缺陷，实际采用的两条圆弧路径不可能完全相切，必须有一定重合，但重合尺寸如何选择，重合量为多少才能在保证交叉结构成型尺寸的前提下尽量减小缩颈等成型缺陷，路径的规划计算是非常困难的)。因此，针对交叉结构金属构件研发具有较高制造效率和较高成型质量的电弧增材制造工艺具有重要的理论研究和工程应用价值。
因此，如何提供一种能够同时保证交叉结构金属构件成型制造效率和成型质量的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统及制造方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够同时保证交叉结构金属构件成型制造效率和成型质量的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统及制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，包括：机器人系统、增材电源、数字化送丝机和安装在所述机器人系统末端轴上的焊炬，所述机器人系统均与所述增材电源、所述数字化送丝机通过工业总线连接，所述数字化送丝机将焊丝送至所述焊炬上，所述机器人系统可带动所述焊炬先按照横向单壁件的头端起弧点1→横向单壁件尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件的头端起弧点4→到达横向单壁件一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件另一侧的点8→纵向单壁件尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径进行交叉结构金属构件的增材制造。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，数字化送丝机与机器人系统连接并实现控制数据交互，在增材制造过程中数字化送丝机实时接收机器人系统的指令并对送丝速度参数进行调控；增材电源与机器人系统连接，并实现控制数据交互，在增材过程中增材电源实时接收机器人系统的指令并对电流参数进行调控。该系统使用ABB公司的Rapid编程语言，通过二次开发方式，在机器人系统的控制平台的基础上，完成增材控制系统的开发，使机器人系统可实现在机器人运动过程中，对增材电源和数字化送丝机参数的实时协同控制，此种方式在成本、参数控制的协同性、控制速度等方面均要优于现有的增材制造系统需要额外采用单独的控制上位机来控制机器人、增材电源和数字化送丝机的方案。因此，该系统通过在电弧增材制造过程中利用机器人对焊炬的空间位置及位姿、增材电流参数、送丝参数进行实时协同调控实现了交叉结构金属构件的高质高效增材制造。
进一步的，所述数字化送丝机通过RS485总线与所述机器人系统连接，以实现控制数据交互。
进一步的，所述增材电源通过Ethernet/IP总线与所述机器人系统连接以实现控制数据交互。
本发明提供了交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，采用所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统进行如下步骤：
S1：规划出所述焊炬的空间移动增材路径：其路径为先按照横向单壁件的头端起弧点1→横向单壁件尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件的头端起弧点4→到达横向单壁件一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件另一侧的点8→纵向单壁件尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径；
S2：进行电弧增材制造前对增材基板进行前处理，充分去除所述增材基板表面的杂质；
S3：在所述机器人系统、所述增材电源、所述数字化送丝机的协同控制下，所述焊炬按照所述S1中的增材路径在所述增材基板的表面上进行一道工序的增材制作；
S4：重复S3进行多道工序的增材制造，直至完成交叉结构金属构件的增材制造。
进一步的，所述S3具体包括：
所述焊炬首先行进至横向单壁件的头端起弧点1位置处，在该位置的起弧电流和送丝速度分别为I0和0，然后电流和送丝速度分别提升至I1和S1，同时所述焊炬向横向单壁件尾端点2行进，当行进到横向单壁件尾端点2时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后所述焊炬反向行进至距离尾端L的熄弧点3处，此时熄弧电流和送丝速度分别为I0和0；
然后，所述焊炬行进到纵向单壁件的头端起弧点4位置处，此时电流和送丝速度分别由I0和0提升至I1和S1，同时所述焊炬向横向单壁件一侧的点5行进，当行进到横向单壁件一侧的点5时，电流和送丝速度分别降低至I2和S2，在点5处持续送丝1-3s，随后电流降至熄弧电流I0，送丝速度降为0，所述焊炬抬升3-5mm至点6，随后运动到点7，焊炬下降3-5mm至点8后，电流与送丝速度分别升高至I2和S2，并在点8处持续送丝1-3s，随后电流和送丝速度恢复为I1和S1，完成横向单壁件和纵向单壁件在交叉位置的电弧增材制造，随后所述焊炬继续向纵向单壁件尾端点9行进，当行进到纵向单壁件尾端点9时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后所述焊炬反向行进至距离尾端L的熄弧点10处，此时电流和送丝速度分别为I0和0。
采用上述技术方案产生的有益效果是：利用TIG工艺传热和传质过程解耦的工艺特点，即非熔化极工艺点燃引燃与否和送丝启停与否两个过程是独立的，即允许在电弧引燃的状态下停止送丝，这一点是熔化极工艺做不到的。并且，成型交叉结构时，在焊炬到达重叠位置时，可停止送丝同时将电流下降到较小值，停止送丝可避免交叉处因重复填丝而凸起，电流下降到较小值可避免频繁起收弧(起收弧处极容易产生气孔、裂纹等缺陷)，小电流也不足以熔化构件已成形部分，从而避免降低构件成型质量。此外，构件1、4点处为起弧点，3、10点处为熄弧点，其成型控制策略可按照申请人已授权专利(202111581391.7-提高铝合金GTAWWAAM精度及效率的系统及方法)进行电弧增材制造，从而可保证构件起弧和熄弧端的成型质量。
进一步的，在5点处抬升所述焊炬、由点6移动至点7、在点7处下降所述焊炬的速度范围应在10mm/s-30mm/s之间。
采用上述技术方案产生的有益效果是：可防止焊炬运动速度过慢导致电弧停留时间较长造成构件下塌和焊炬运动速度过快导致对机器人机械结构造成较大冲击。
进一步的，点5和点8距离已成型的横向单壁件边缘两侧各为0-3mm。
进一步的，所述S2中：前处理方式为采用械磨削方式对所述增材基板进行处理，并用酒精溶液对所述增材基板表面进行擦拭。
采用上述技术方案产生的有益效果是：可充分去除增材基板表面的磨屑和油脂等杂质，从而为避免杂质进入增材构件中形成夹渣、气孔等缺陷，影响构件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的采用熔化极工艺成型交叉结构金属构件时，路径重叠处产生凸起的结构示意图。
图2为本发明提供的采用相切圆弧路径方式成型交叉结构金属构件时的路径示意图。
图3为本发明提供的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统的结构示意图。
图4为交叉结构金属构件TIG电弧增材制造成型路径示意图。
图5为电弧增材成型路径及控制点示意图。
图6为增材路径不同位置增材电流调控策略示意图。
图7为增材路径不同位置送丝速度调控策略示意图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
图1和图2参考文献为DonghongDing,ChenShen,ZengxiPanetal.Towardsanautomatedroboticarc-welding-basedadditivemanufacturingsystemfromCADtofinishedpart[J].Computer-AidedDesign.2016.73:66-75。
参见图3-图7，本发明实施例公开了交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，包括：机器人系统100、增材电源200、数字化送丝机300和安装在机器人系统100末端轴上的焊炬400，机器人系统100均与增材电源200、数字化送丝机300通讯连接，数字化送丝机300将焊丝送至焊炬400上，机器人系统100可带动焊炬400先按照横向单壁件5001的头端起弧点1→横向单壁件5001尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件5002的头端起弧点4→到达横向单壁件5001一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件5001另一侧的点8→纵向单壁件5002尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径进行交叉结构金属构件500的增材制造。
具体的，数字化送丝机300通过RS485总线与机器人系统100连接，以实现控制数据交互。
增材电源200通过Ethernet/IP总线与机器人系统100连接以实现控制数据交互。
本发明的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，采用上述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统进行如下步骤：
S1：规划出焊炬400的空间移动增材路径：其路径为先按照横向单壁件5001的头端起弧点1→横向单壁件5001尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件5002的头端起弧点4→到达横向单壁件5001一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件5001另一侧的点8→纵向单壁件5002尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径；
S2：采用械磨削方式对增材基板600进行处理，并用酒精溶液对增材基板600表面进行擦拭，充分去除增材基板表面的磨屑和油脂等杂质；
S3：在机器人系统100、增材电源200、数字化送丝机300的协同控制下，焊炬400按照S1中的增材路径在增材基板600的表面上进行一道工序的增材制作；
S4：重复S3进行多道工序的增材制造，直至完成交叉结构金属构件500的增材制造。
其中，S3具体包括：
焊炬400首先行进至横向单壁件5001的头端起弧点1位置处，在该位置的起弧电流和送丝速度分别为I0和0，然后电流和送丝速度分别提升至I1和S1，同时焊炬400向横向单壁件尾端点2行进，当行进到横向单壁件尾端点2时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后焊炬400反向行进至距离尾端L的熄弧点3处，此时熄弧电流和送丝速度分别为I0和0；然后，焊炬400行进到纵向单壁件5002的头端起弧点4位置处，此时电流和送丝速度分别由I0和0提升至I1和S1，同时焊炬400向横向单壁件5001一侧的点5行进，当行进到横向单壁件5001一侧的点5时，电流和送丝速度分别降低至I2和S2，在点5处持续送丝1-3s(焊炬应在点5处持续送丝一段时间防止因焊丝填充量不足导致缩颈缺陷，如果电流不降低，非常容易导致构件已成形部分受热熔化下塌，小电流和小送丝速度工艺虽然会在一定程度上降低制造效率，但能够有效避免构件已成形部分的熔化下塌，而且即便采用小送丝速度参数，焊炬在点5处需要停留送丝的时间一般也不会超过3s，对制造效率的影响有限)，随后电流降至熄弧电流I0，送丝速度降为0，焊炬400抬升3-5mm至点6，随后运动到点7，焊炬下降3-5mm至点8后，电流与送丝速度分别升高至I2和S2，并在点8处持续送丝1-3s(焊炬应在点8处持续送丝一段时间防止因焊丝填充量不足导致缩颈缺陷，如果电流不降低，非常容易导致构件已成形部分受热熔化下塌，小电流和小送丝速度工艺虽然会在一定程度上降低制造效率，但能够有效避免构件已成形部分的熔化下塌，而且即便采用小送丝速度参数，焊炬在点5处需要停留送丝的时间一般也不会超过3s，对制造效率的影响有限)，随后电流和送丝速度恢复为I1和S1，完成横向单壁件5001和纵向单壁件5002在交叉位置的电弧增材制造，随后焊炬400继续向纵向单壁件5002尾端点9行进，当行进到纵向单壁件5002尾端点9时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后焊炬400反向行进至距离尾端L的熄弧点10处，此时电流和送丝速度分别为I0和0。
在上述中，起弧、熄弧电流I0数值一般较小，起到维持电弧不熄灭，避免重复起收弧的作用，一般在10-30A范围内选取。
在上述的制造方法中，为防止焊炬运动速度过慢导致电弧停留时间较长造成构件下塌和焊炬运动速度过快导致对机器人机械结构造成较大冲击，在5点处抬升焊炬400、由点6移动至点7、在点7处下降焊炬400的速度范围应在10mm/s-30mm/s之间。
在上述规划路径中，点5和点8距离已成型的横向单壁件边缘两侧各为0-3mm(选择依据主要为材料种类(铝合金、钛合金、高温合金等)和成型构件壁厚)。
在上述制造系统和制造方法中，机器人系统中的机器人采用六轴式，最大臂展1.44m，空间重复定位精度0.05mm，第六轴腕部最大负载5kg，基于Rapid语言通过二次开发使机器人具备CAN总线和RS485总线通信控制接口，支持Modbus和标准CAN通信协议，可在运动过程中依据工艺需求通过工业总线实时对增材电源和数字化送丝机下发参数控制指令。
TIG增材电源额定输出基值电流幅值为300A，支持普通直流、复合脉冲直流、普通交流、复合脉冲交流等多种电流输出模式，电源交流变极性频率0-100Hz，占空比0-100％；电源脉冲电流频率0-50kHz，脉冲电流幅值0-100A，占空比0-100％。电源具备CAN总线通信控制功能，可在电弧增材制造过程中实时接收机器人系统的指令并对增材电流幅值、频率、占空比等参数进行更改，接收到机器人系统指令后电源输出电流参数切换时间小于5ms。
数字化送丝机支持在0.5-12m/min范围内对送丝速度进行高精度调节，支持连续送丝、脉动送丝、定长度送丝等多种送丝模式，能够对送丝速度上升/下降速率、送丝速度、回抽速度、填弧速度等多项参数进行调控。数字化送丝机具备RS485总线接口并支持Modbus通信协议，可在增材过程中实时接收机器人系统的指令并对送丝速度、填弧速度等参数进行更改，接收到控制指令后送丝参数切换时间小于10ms。
本发明实施例中提供的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统及制造方法，针对交叉结构金属构件电弧增材制造成型控制策略进行了开发优化，利用TIG工艺传热(电弧)和传质(送丝)过程独立解耦的工艺特性，通过对焊炬空间位置及位姿、增材电流参数和送丝参数进行实时协同控制，并采用5→6→7→8路径规划方式完成交叉位置的成型，其中，点2到点3和点9到点10为熄弧控制策略，其可参见已授权专利的内容(202111581391.7-提高铝合金GTAWWAAM精度及效率的系统及方法)。本发明无需增加减材及其它辅助设备，降低了设备成本和路径规划难度，简化了交叉结构金属构件的增材制造流程，提高了增材制造效率。
本发明较好的解决了熔化极电弧增材制造工艺成型交叉结构金属构件时，其路径重叠处会不可避免的产生凸起，影响后续制造过程的缺点。且与熔化极工艺采用圆弧相切路径等方式相比，该策略路径规划难度较低(十字交叉路径)，构件成型质量控制难度较低。本发明提出的系统及方法具备较高的理论研究和工程应用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，其特征在于，包括：机器人系统(100)、增材电源(200)、数字化送丝机(300)和安装在所述机器人系统(100)末端轴上的焊炬(400)，所述机器人系统(100)均与所述增材电源(200)、所述数字化送丝机(300)通讯连接，所述数字化送丝机(300)将焊丝送至所述焊炬(400)上，所述机器人系统(100)可带动所述焊炬(400)先按照横向单壁件(5001)的头端起弧点1→横向单壁件(5001)尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件(5002)的头端起弧点4→到达横向单壁件(5001)一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件(5001)另一侧的点8→纵向单壁件(5002)尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径进行交叉结构金属构件(500)的增材制造。
2.根据权利要求1所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，其特征在于，所述数字化送丝机(300)通过RS485总线与所述机器人系统(100)连接，以实现控制数据交互。
3.根据权利要求1所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统，其特征在于，所述增材电源(200)通过Ethernet/IP总线与所述机器人系统(100)连接以实现控制数据交互。
4.交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造系统进行如下步骤：
S1：规划出所述焊炬(400)的空间移动增材路径：其路径为先按照横向单壁件(5001)的头端起弧点1→横向单壁件(5001)尾端点2→反向距离尾端L的熄弧点3；然后再按照纵向单壁件(5002)的头端起弧点4→到达横向单壁件(5001)一侧的点5→抬升高度点6→纵向平移点7→下降到横向单壁件(5001)另一侧的点8→纵向单壁件(5002)尾端点9→反向距离尾端L的熄弧点10的增材路径；
S2：进行电弧增材制造前对增材基板(600)进行前处理，充分去除所述增材基板(600)表面的杂质；
S3：在所述机器人系统(100)、所述增材电源(200)、所述数字化送丝机(300)的协同控制下，所述焊炬(400)按照所述S1中的增材路径在所述增材基板(600)的表面上进行一道工序的增材制作；
S4：重复S3进行多道工序的增材制造，直至完成交叉结构金属构件(500)的增材制造。
5.根据权利要求4所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，其特征在于，所述S3具体包括：
所述焊炬(400)首先行进至横向单壁件(5001)的头端起弧点1位置处，在该位置的起弧电流和送丝速度分别为I0和0，然后电流和送丝速度分别提升至I1和S1，同时所述焊炬(400)向横向单壁件尾端点2行进，当行进到横向单壁件尾端点2时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后所述焊炬(400)反向行进至距离尾端L的熄弧点3处，此时熄弧电流和送丝速度分别为I0和0；
然后，所述焊炬(400)行进到纵向单壁件(5002)的头端起弧点4位置处，此时电流和送丝速度分别由I0和0提升至I1和S1，同时所述焊炬(400)向横向单壁件(5001)一侧的点5行进，当行进到横向单壁件(5001)一侧的点5时，电流和送丝速度分别降低至I2和S2，在点5处持续送丝1-3s，随后电流降至熄弧电流I0，送丝速度降为0，所述焊炬(400)抬升3-5mm至点6，随后运动到点7，焊炬下降3-5mm至点8后，电流与送丝速度分别升高至I2和S2，并在点8处持续送丝1-3s，随后电流和送丝速度恢复为I1和S1，完成横向单壁件(5001)和纵向单壁件(5002)在交叉位置的电弧增材制造，随后所述焊炬(400)继续向纵向单壁件(5002)尾端点9行进，当行进到纵向单壁件(5002)尾端点9时，电流和送丝速度分别下降至I2和S2，然后所述焊炬(400)反向行进至距离尾端L的熄弧点10处，此时电流和送丝速度分别为I0和0。
6.根据权利要求4所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，其特征在于，在5点处抬升所述焊炬(400)、由点6移动至点7、在点7处下降所述焊炬(400)的速度范围应在10mm/s-30mm/s之间。
7.根据权利要求4所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，其特征在于，点5和点8距离已成型的横向单壁件边缘两侧各为0-3mm。
8.根据权利要求4所述的交叉结构金属构件TIG电弧增材制造方法，其特征在于，所述S2中：前处理方式为采用械磨削方式对所述增材基板(600)进行处理，并用酒精溶液对所述增材基板(600)表面进行擦拭。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117359640A (zh) * | 2023-11-22 | 2024-01-09 | 南京衍构科技有限公司 | 一种用于交叉型工件的增材制造路径规划方法 |
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- 2023-05-30 CN CN202310623810.1A patent/CN116713567A/zh active Pending
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