一种电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法与流程

1.本发明属于航天结构件电弧增材制造技术领域，涉及一种电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法。


背景技术：

2.电弧增材制造技术(wire and arc additive manufacture，waam)是以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造出致密金属构件。与传统制造工艺相比，无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应速度快，特别适合于小批量、品种繁多的产品的制造；与激光、电子束、等离子为热源的增材制造技术相比，waam技术具有成形的构件致密度高、熔敷率高、原材料利用率高、成本低、受污染的可能性小等优点，因而在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。
3.电弧增材制造技术制造金属件实质上是一个微铸造的过程，熔池通过“点
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线
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面”的过程实现零件的实体制造。在其逐层堆积的过程中，控制沉积层的稳定性以提高成形件表面质量、控制热积累量的变化以实现对成形件的显微组织和力学性能的控制是推动电弧增材制造技术发展的重要因素。电弧增材制造成形过程中沉积层的稳定性主要受丝材直径、电弧增材热源种类及其工艺模式、送丝速度、熔敷速度、摆动参数、导电嘴端面与沉积层距离和层间温度的变化等因素的影响。
4.目前，在此方面的研究主要集中在分析上述参数对沉积层的层宽、层高及力学性能的影响规律，并利用线性回归分析法对工艺参数进行优化以提高成形件的表面质量。如天津大学尹玉环博士基于交流tig电弧增材制造技术，通过改变层间间隔时间来控制层间温度，研究了层间温度对成形质量的影响规律，实验证明通过合理的控制层间温度能够提高堆积过程的稳定性，制造出表面形貌良好、组织均匀致密的零件。虽然国内外学者已取得了积极的进展，但尚未建立电弧增材制造沉积层的工艺参数数据库。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电弧增材制造沉积层的工艺的数据库构建方法及主要要素，能实现电弧增材制造沉积层形貌曲线及特征尺寸与基板材料及状态、电弧增材热源种类及其工艺模式、工艺参数、摆动参数、起/熄弧参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度的快速匹配。
6.本发明提供了一种电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法，其特征在于，包括步骤：
7.步骤1：根据使用熔融丝材的种类建立对应的牌号和直径；
8.步骤2：建立基板材料对应的牌号及状态；
9.步骤3：建立电弧增材热源种类及其工艺模式；
10.步骤4；建立保护气种类；步骤5：输入单道沉积层宽度；
11.步骤6：建立匹配的沉积层形貌曲线，及其特征尺寸；
12.步骤7：建立电弧增材相关工艺参数。
13.优选地，所述步骤1中，熔融丝材包括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料。
14.优选地，所述步骤2中，基板材料包括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料；基板状态包括：正火态、退火态、淬火态、调制态、固溶处理态、时效态及其它热处理状态。
15.优选地，所述步骤3中，电弧增材热源包括以非熔化极气体保护焊(tig)、熔化极惰性/活性气体保护焊(mig/mag)、冷金属过渡(cmt)、等离子弧焊(paw)及其它电弧焊方式作为热源；工艺模式包括直流/交流、脉冲、变极性、变极性脉冲及其它工艺模式。
16.优选地，所述步骤4中，保护气种类包括氩气、氦气、二氧化碳及混合气体。
17.优选地，所述步骤6中，电弧增材制造沉积层的形貌包括起弧头部、沉积层中部及熄弧尾部的形貌曲线；起弧头部的特征尺寸包括：起弧半径、起弧宽度、起弧高度、起弧长度、起弧润湿角；沉积层中部的特征尺寸包括：沉积层宽度、沉积层高度、润湿角；熄弧尾部的特征尺寸包括：熄弧弧半径、熄弧宽度、熄弧长度、熄弧润湿角。
18.优选地，所述步骤7中，建立任一沉积层形貌曲线后相对应的电弧增材工艺参数、摆动参数、起/熄弧参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度。
19.优选地，所述电弧增材工艺参数包括起弧头部参数、熄弧尾部参数、熔敷速度和送丝速度；摆动参数包括摆动长度、摆动宽度、摆动曲线。
20.本发明提出了电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法及主要要素，实现了电弧增材制造沉积层形貌曲线及特征尺寸与基板材料及状态、电弧增材热源种类及其工艺模式、工艺参数、摆动参数、起/熄弧参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度的快速匹配，满足预设沉积层宽度要求的同时提高了电弧增材制造成形件表面质量、成形精度和成形效率，且能保证成形件的力学性能。
附图说明
21.图1为本发明的电弧增材沉积层的工艺数据库构建路线图；
22.图2为沉积层中部形貌及其特征尺寸示意图；
23.图3为沉积层起弧头部形貌及其特征尺寸示意图；
24.图4为沉积层熄弧尾部形貌及其特征尺寸示意图；
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.本发明提供了一种电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法，其特征在于，包括步骤：
27.步骤1：根据使用熔融丝材的种类建立对应的牌号和直径；
28.步骤2：建立基板材料对应的牌号；
29.步骤3：建立电弧增材热源种类及其工艺模式；
30.步骤4；建立保护气种类；
31.步骤5：输入单道沉积层宽度；
32.步骤6：建立匹配的沉积层形貌曲线，及其特征尺寸；
33.步骤7：建立电弧增材相关工艺参数。
34.电弧增材制造沉积层的工艺数据库的主要要素，包括(1)熔融丝材和基板材料及状态；(2)电弧增材热源种类及其工艺模式；(3)保护气种类；(4)单道沉积层的形貌曲线及其特征尺寸；(5)电弧增材工艺参数和摆动参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度组成。建立了上述主要构成之间的对应关系。
35.本发明将熔丝材料、电弧增材热源及工艺模式和预设的沉积层宽度作为输入，将沉积层形貌和特征尺寸对应的电弧增材相关工艺参数作为输出，从而实现电弧增材制造成形质量的主动控制且能实现沉积层变化规律预测。
36.根据本发明的一个实施例，所述步骤1中，熔融丝材包括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料。
37.根据本发明的一个实施例，所述步骤2中，基板材料包括金属、金属间化合物及它们之间的梯度功能材料。基板状态包括：正火态、退火态、淬火态、调制态、固溶处理态、时效态及其它热处理状态。
38.根据本发明的一个实施例，所述步骤3中，电弧增材热源包括以非熔化极气体保护焊(tig)、熔化极惰性/活性气体保护焊(mig/mag)、冷金属过渡(cmt)、等离子弧焊(paw)及其它电弧焊方式作为热源；工艺模式包括直流/交流、脉冲、变极性、变极性脉冲及其它工艺模式。
39.根据本发明的一个实施例，所述步骤4中，保护气种类包括氩气、氦气、二氧化碳及混合气体。
40.根据本发明的一个实施例，所述步骤6中，电弧增材制造沉积层的形貌包括起弧头部、沉积层中部及熄弧尾部的形貌曲线。相比于仅采集起弧头部和熄弧尾部之间一段焊道的焊接工艺参数和焊道形貌作为步骤2中模型训练的有效数据，本发明不略过沉积层的起弧头部和熄弧尾部的形貌和工艺参数。起弧头部的特征尺寸包括：起弧宽度d1、起弧高度h1、起弧长度l1、起弧润湿角α1；沉积层中部的特征尺寸包括：沉积层宽度d、沉积层高度h、润湿角α；熄弧尾部的特征尺寸包括：熄弧宽度d2、熄弧弧坑半径r2、熄弧长度l2、熄弧润湿角α2。
41.根据本发明的一个实施例，所述步骤7中，建立任一沉积层形貌曲线后相对应的电弧增材工艺参数、摆动参数、起/熄弧参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度。
42.所述的电弧增材制造沉积层的形貌及工艺数据库，其特征在于：电弧增材工艺参数包括起弧头部参数、熄弧尾部参数、熔敷速度和送丝速度；摆动参数包括摆动长度、摆动宽度、摆动曲线，包括起弧电流、起弧时间、过渡时间、熄弧电流、过渡时间、熄弧时间等。
43.下面结合附图1
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3说明本发明的具体实施实例。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
44.本发明根据电弧增材制造成形过程中沉积层形貌受丝材直径、电弧增材热源种类
及其工艺模式、送丝速度、熔敷速度、摆动参数、导电嘴端面与沉积层距离和层间温度的变化等因素的影响，提出了电弧增材制造沉积层的工艺数据库构建方法及主要要素。通过建立电弧增材制造沉积层的工艺数据库，将熔丝材料的牌号和直径、电弧增材的热源种类、保护气种类及工艺模式和预设的沉积层宽度作为输入，将沉积层形貌曲线和特征尺寸对应的电弧增材相关工艺参数作为输出，从而实现电弧增材制造沉积层形貌曲线及特征尺寸与基板材料及状态、电弧增材的热源种类及工艺模式、工艺参数、摆动参数、起/熄弧参数、导电嘴端面与沉积层距离、层间温度范围和基板初始温度的快速匹配。
45.通过视觉传感系统可获得电弧增材过程中沉积层形貌曲线和温度场图像，将图像二值化处理或其它处理方法后，可提取沉积层形貌曲线及其特征尺寸和沉积层温度范围。相同工艺反复试验并修正沉积层形貌曲线和特征尺寸后即可建立1种沉积层形貌曲线和特征尺寸与工艺参数的对应关系。以此便可建立电弧增材沉积层的工艺数据库。通过选用任意一组参数，即可实现相应的沉积层曲线及其特征尺寸，满足预设沉积层宽度的要求，提高了电弧增材制造成形件表面质量、成形精度和成形效率，且能保证成形件的力学性能。
46.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。