阅读说明：本技术 一种消除电弧增材制造构件边缘塌陷的路径修正方法 (Path correction method for eliminating edge collapse of arc additive manufacturing component ) 是由 刘海华 李亮玉 张文浩 高文强 赵淘 陈豪杰 王力斌 王天琪 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明适用于电弧增材制造技术领域,提供了一种消除电弧增材制造构件边缘塌陷的路径修正方法。本方法包括：根据焊缝尺寸计算边缘层单个焊缝高度下降量,确定增加边缘补偿焊道所需要的层数；将正常填充路径和边缘补偿焊道修正路径组合为一个制造周期,根据构件高度确定制造周期数。经过实验验证,构件的表面平整度得到提高,边缘塌陷完全消除。(The invention is suitable for the technical field of electric arc additive manufacturing, and provides a path correction method for eliminating edge collapse of an electric arc additive manufacturing component. The method comprises the following steps: calculating the height descending amount of a single welding seam of the edge layer according to the size of the welding seam, and determining the number of layers required for increasing the edge compensation welding bead; the normal fill path and the edge compensation bead modification path are combined into one manufacturing cycle, and the number of manufacturing cycles is determined based on the height of the component. Experiments prove that the surface flatness of the component is improved, and the edge collapse is completely eliminated.)

一种消除电弧增材制造构件边缘塌陷的路径修正方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其涉及一种消除电弧增材制造构件边缘塌陷的路径修正方法。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturin，WAAM)通过熔化同步供给的丝材，在基板上逐层堆积形成金属零件的一种直接制造技术。与传统制造方法相比，WAAM具有装置简单，使用材料广泛，成形尺寸大，生产周期短，材料利用率高，制造成本低等优势。该技术已广泛应用于航空航天，汽车制造，国防等领域。

将数控加工技术或机器人技术与WAAM技术相结合，不仅可以提高生产效率和材料利用率，而且可以提升金属构件的成形精度和成形质量。Yu Ming Zhang等人结合焊接工艺开发出一套适用于GMAW的快速制造系统(RP-system)，该RP系统中不同的应用模块适应不同的沉积工艺，并通过控制溶滴尺寸和过渡频率提高了构件的成形精度。Jun Xiong等人开发出一套视觉传感系统，用于实时监测控调焊枪和基板的工作距离，并且利用人工神经网络技术，建立了焊缝几何形状和焊接工艺参数之间的对应关系，预测所需焊道形状的最佳焊接工艺参数，该自适应调控系统和焊道预测模型可以明显提高焊接过程的稳定性和金属构件的几何精度。Kwak Y M等人提出沉积材料温度扫描控制法，消除了金属材料的热变形，提高了构件的几何精度。Karunakaran K P等人将数控铣床和焊接系统集合成数控增材制造系统，开发出适用于该系统的数控加工程序生成软件，该数控增材制造系统可直接用于复杂金属构件的近净成形和精加工。

方学伟等人将单层焊道横截面与抛物线、余弦和圆弧等标准曲线进行拟合，发现单层焊道横截面与抛物线的拟合度最好。Aiyiti W等人建立了相邻焊道重叠模型，系统研究了焊缝宽高比、相邻焊道中心距和重叠率之间的关系，该研究明显提高了单层多道焊缝上表面的平整度。Donghong Ding等人建立了焊缝搭接模型，得到相邻焊道最佳中心距为d＝0.738w(w为焊缝宽度)，该搭接率下单层多道焊缝上表面达到很高的平面度。Katou M等人通过优化成形参数，选用不同的合金材料交替堆积成形复杂薄壁零件，得到了较好的组织成分和机械性能。Ding D等人提出适用于薄壁构件的MAT路径规划方法，该路径规划方法明显提高了金属构件的成形质量和几何精度。Panchagnula J S等人采用多自由度机械装置，结合开发的路径生成软件，能够制造复杂薄壁金属构件。以上都是针对相邻焊道搭接率和薄壁构件精确成形的研究，使薄壁构件达到了很高的几何精度和良好的机械性能。Xu F等人针对多层多道实体构件提出循环交替的层叠策略，每相邻两层沉积路径旋转90°或180°，实验表明该层叠策略可以提高成形质量。Li Y等人提出针对多层多道构件的边缘层材料短缺的路径修正策略，将边缘焊道偏移一定距离以填充材料短缺区域，该修正策略提高了金属构件的成形质量。

目前，针对多层多道厚壁构件表面平整度和侧面塌陷的研究相对较少，本文提出一种消除电弧增材制造构件侧面塌陷的路径修正方法，及时补偿边缘层下降量，从而提高构件的表明平整度，消除侧面塌陷。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种消除电弧增材制造构件侧面塌陷的路径修正方法，具有装置简单，使用材料广泛，成形尺寸大，生产周期短，材料利用率高，制造成本低等优势。旨在解决构件平整度低和侧面塌陷的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种消除电弧增材制造构件边缘塌陷的路径修正方法，所述方法包括：

根据焊缝尺寸计算边缘层单个焊缝高度下降量，确定增加边缘补偿焊道所需要的层数；将正常填充路径和边缘补偿焊道修正路径组合为一个制造周期，根据构件高度确定制造周期数。具体方法为：

构件中间位置不存在材料短缺区域，因此不考虑中间焊道。假设用B(x，y)代表第x层第y个焊道，焊道B(1，1)为沉积在基板上的首个焊道，焊道B(1，n)为沉积在基板上的最后一个焊道。沉积顺序从左至右，B(1，2)为搭接焊道，B(2，1)为第二层边缘焊道，其沉积路径和B(1，1)位于同一轴线。焊道B(1，1)轴线一侧存在材料短缺区域，当焊道B(2，1)在B(1，1)上方沉积时，B(2，1)部分材料对B(1，1)材料短缺区域进行填补，导致B(2，1)实际沉积量少于理想沉积量。通过计算B(2，1)的材料损失量，可以得到单道焊缝高度下降量。

随着构件高度的累积，当边缘焊缝高度下降量接近一个焊道高度时，增加边缘焊道轴线1和轴线n同位置的高度差补偿焊道。将正常填充路径和边缘补偿焊道修正路径组合为一个制造周期根据实际构件的高度确定需要的制造周期，消除层边缘和主体之间的高度差。

与现有技术相比，本发明一种消除电弧增材制造构件侧面塌陷的路径修正方法具有以下特点：

1.电弧增材制造构件的表面平整度得到提高；

2.电弧增材制造构件边缘的塌陷完全消除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例提供地技术方案，下面将对本发明中所使用地附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中地附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获的其他的附图。

图1为路径修正数学模型

图2为路径修正方法示意图

图3为实验结果，其中(a)为传统沉积路径制造的长方体构件；(b)为传统沉积路径制造的长方体构件横截面；(c)为采用本路径修正方法制造的长方体构件；(d)为采用本路径修正方法制造的长方体构件横截面

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细进一步叙述本发明。

本发明为一种消除电弧增材制造构件侧面塌陷的路径修正方法，采用的技术方案如下：

构件中间位置不存在材料短缺区域，因此不考虑中间焊道。如图1路径修正数学模型所示，假设用B(x，y)代表第x层第y个焊道，焊道B(1，1)为沉积在基板上的首个焊道，焊道B(1，n)为沉积在基板上的最后一个焊道。沉积顺序从左至右，B(1，2)为搭接焊道，B(2，1)为第二层边缘焊道S_ACD，其沉积路径和B(1，1)位于同一轴线。焊道B(1，1)轴线左侧存在材料短缺区域，当焊道B(2，1)在B(1，1)上方沉积时，B(2，1)部分材料对B(1，1)材料短缺区域S_ACD进行填补，导致B(2，1)实际沉积量少于理想沉积量，其焊缝高度小于h。通过计算B(2，1)的材料损失量，可以得到单道焊缝高度下降量。

该模型中，焊道截面形状采用二次抛物线形，式中w为焊缝宽度，h为焊缝高度，其函数表达式为：

f(x)＝ax²+c

h＝c

为了求得焊道B(2，1)的高度下降值，必须计算出焊道B(1，1)材料短缺区域面积S_ACD。其计算公式为：

S_ACD＝S_ABCD-S_ABC

焊道B(2，1)的部分材料对焊道B(1，1)的材料短缺区域进行填补，只要求得焊道B(2，1)的材料缺少量，便可以定量求得焊道的高度下降值。假设下降高度为h′，下降之后顶点对应的横坐标为x₀，B(2，1)材料损失量计算方法如下：

S_EFGH＝2(S_EFIA-S_GFIA)

当B(1，1)的材料短缺面积和B(2，1)材料损失量相等时，便可以求得下降之后顶点对应的坐标值x₀、下降高度h′、层主体和层边缘之间的高度差H′，其计算方法如下：

S_ACD＝S_EFGH

根据焊缝尺寸计算边缘层单个焊缝高度下降量h′，确定增加边缘补偿焊道所需要的层数；将正常填充路径和边缘补偿焊道修正路径组合为一个制造周期，根据构件高度确定制造周期数。

如图2路径修正方法示意图所示，首层堆积于基板，层边缘形成材料短缺区域，焊道B(2，1)对首层材料短缺区域进行填补，焊道高度下降h′，焊道B(3，1)对B(2，1)材料短缺区域进行填补，高度差累积为2h′，以此类推，第四层边缘高度下降值接近一个焊道高度，增加边缘焊道轴线1和轴线n同位置的高度差补偿焊道，消除层边缘和主体之间的高度差。采用该路径修正方法后，边缘层高度即H_cd与主体层高保持一致，最高层上表面为光整平面。该修正方法无需更改制造参数，只需增加高度差补偿焊道就能提高构件表面的平整度，消除侧面塌陷。

通过实验对本路径修正方法进行验证，本实验分别通过传统的沉积路径和本路径修正方法制造了两个长方体构件。实验结果如图3所示，(a)为传统沉积路径制造的长方体构件，其上表面平整度较低：(c)为采用本路径修正方法制造的长方体构件，其上表面平整度得到提高。将两种方法得到的构件从图3中红色虚线所示的位置切开，观察其横截面，其横截面如图(b)(d)所示，理想截面轮廓用红色的虚线标出。实验结果表明采用本路径修正方法得到的构件，表面平整度得到提高，侧面塌陷完全消除。