阅读说明：本技术 圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法 (Method for controlling shape of circular ring structural member during wire arc additive manufacturing ) 是由 王鑫 刘飞 谭峰 李海青 王淑娴 任文举 冯松 于 2021-01-29 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护一种圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法,属于丝弧増材与3D成形领域；针对圆环结构件的成形,提出逐层错位的成形的方式,并采取分阶段划分控制起始端恒流提速、尾端恒速降流的分级衰减电弧控制方法：从第一层到第五层的过渡成形中,采用逐层降低10％左右能量密度的方法降低层间热累积效应,第六层后的稳定成形过程中,在起始端速度比稳定阶段高60％左右,尾端能量衰减30％左右。本发明提出一种圆环结构件丝弧增材制造成形控制的新思路,降低了启弧次数,极大的降低了逐层沉积过程中热累积引起的金属熔体沉积高度不稳定,有效解决了圆环结构件成形时Z轴运动点上金属瘤堆积与路径规划的控制等难题。(The invention discloses a method for controlling the wire arc additive manufacturing appearance of a circular ring structural member, belonging to the field of wire arc additive and 3D forming; aiming at the forming of the circular ring structural member, a layer-by-layer staggered forming mode is provided, and a graded attenuation electric arc control method for controlling constant current acceleration at a starting end and constant current reduction at a tail end by grading is adopted: in the transition forming from the first layer to the fifth layer, the interlayer heat accumulation effect is reduced by adopting a method of reducing the energy density by about 10 percent layer by layer, in the stable forming process after the sixth layer, the speed at the starting end is about 60 percent higher than that in the stable stage, and the energy at the tail end is attenuated by about 30 percent. The invention provides a new idea for controlling the wire arc additive manufacturing and forming of the circular ring structural member, which reduces the arc starting times, greatly reduces the unstable deposition height of the metal melt caused by heat accumulation in the layer-by-layer deposition process, and effectively solves the problems of the control of the metal nodule accumulation and the path planning on the Z-axis movement point during the forming of the circular ring structural member.)

圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法

技术领域

本发明属于TIG电弧増材制造技术领域，具体涉及一种圆环结构件丝弧增材制造成形控制方法。

背景技术

TIG电弧増材制造技术是一种新兴的金属快速成形技术，其具有成形效率高、热输入可控、设备成本低的特点，适用于复杂工件的个性化制造。

圆环结构是一类典型结构件，其特点是表面轮廓尺寸与厚度之比大，具有重量轻、结构紧凑、承载能力强等诸多优点，目前，圆环结构件TIG电弧増材制造时，存在以下两大主要难点：(1)多层热累积下沉积层的形貌波动。随着成形层数的增加，散热条件逐渐由三维过渡到二维，热传递的通道减少使多层热累积效果逐渐明显，造成了成形过程中熔化金属过渡流淌，呈现不规则波动，从而未达到预期的形状。(2)Z轴运动点上金属瘤堆积，导致此点形貌凸起，送丝困难，且钨极端部易与熔池接触，无法继续成形。上述问题将给圆环结构件的制造带来巨大挑战，因此，有必要开展圆环结构件TIG电弧増材制造成形控制研究。

目前，对于圆环结构件成形精准控制的研究较少，有学者提出在Z轴下降时精准熄弧、启弧，但多次在同一点启弧对已成形的尺寸结构造成破坏。也有学者提出增大送丝量然后对堆积的金属瘤进行铣削，但这种方法不仅降低的制造效率而且浪费材料。因此，亟需开发一种简单、实用、有效的控制方法，从而进一步提高圆环结构件TIG电弧増材制造成形稳定性与质量。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的圆环结构件TIG电弧増材制造过程成形形貌波动、金属瘤堆积等难题问题。提出了一种圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法。本发明的技术方案如下：

一种圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法，用于制造圆环结构类零件及多层闭合的薄壁零件结构件，通过电弧增材制造系统3D打印系统进行成形，其包括以下步骤：

步骤一：设计圆环结构件，包括设计零件的直径、总高度、每层期望层高及期望层宽，对圆环结构件的三维数据进行切片处理，获取圆的层数及周长信息；

步骤二：圆环结构件由m层组成，每层成形长度为L，设定逐层错位的每层过渡段长度为S；

步骤三：从第一层到第五层的过渡成形中，采用逐层降低能量密度的方法降低层间热累积效应，将电流进行降低；

步骤四：第六层后的稳定成形过程中，对起始端采取成形电流不变，稳定阶段的电流设定在固定值；

步骤五：对尾端采取成形速度不变，在距尾端8～15mm处，电弧能量密度逐步降至稳定成形阶段能量密度的30％；

步骤六：每完成一层成形路径，三维运动成形每层成形结束后无需熄弧；

步骤七：在Z轴下降及过渡段长度S的运动中，同时降低送丝速度，直至完成第m层的成形控制，实现圆环结构件TIG电弧増材制造对路径长度内成形高度与路径交叉点高度的控制置，直至样件加工完成。

进一步的，所述步骤一设计零件的直径、总高度、每层期望层高及期望层宽，具体包括：设计零件的直径为70mm，高度为50mm，每层期望层高为h_d＝1.85mm，设计的期望层宽为8mm。

进一步的，所述步骤三从第一层到第五层的过渡成形中，通过将电流从220A逐层调节至140A，从而使每层降低约10％左右能量密度，最终降低层间热累积效应。

进一步的，所述步骤四第六层后的稳定成形过程中，对起始端采取成形电流不变，稳定阶段的电流设定的固定值为130A，在起始端的8～15mm内，成形速度比稳定阶段高60％左右。

进一步的，所述步骤七在Z轴下降及过渡段长度S的运动中，需同时降低送丝速度，具体为正常值的50％。

进一步的，试验平台为自行搭建的TIG送丝电弧增材制造设备，其电源系统为福尼斯MW3000，送丝机为氩弧焊自动送丝机WF-007A，丝材是直径为1.2mm的7A09铝合金焊丝，焊枪固定在三维工作台上，由上位机发出运动指令，基板材质为7A09铝合金，尺寸为300mm×200mm×10mm，试验用的工艺参数为：电流为130A～220A，成形速度为1mm/s～6mm/s，保护气为99.9999％纯氩，气体流量为10L/min。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明在圆环结构件成形过程中，通过分段调节成形电流、成形速度以及分层调节电流的方式，来降低能量密度，相比于传统方法，本发明方法提出分阶段划分的成形控制新思路可操作性强，简单、有效的解决了逐层沉积过程中热累积引起的金属熔体沉积高度不稳定的问题。

(2)提出的逐层错位的成形的方式，在Z轴下降及过渡段的运动中，自动减少送丝量，有效解决了圆环结构件成形时Z轴路径点上金属瘤堆积与路径规划的控制等难题。

(3)整个成形过程中无需熄灭电弧及暂停运动，所以缩短成形时间，在此基础上降低成本、提高成形质量、实现圆环结构件TIG电弧増材制造。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例逐层错位成形圆环结结构件示意图；

图2本发明提供优选实施例是圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法流程图。

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本实方案中具体试验平台为自行搭建的TIG送丝电弧增材制造设备，其电源系统为福尼斯MW3000，送丝机为氩弧焊自动送丝机WF-007A，丝材是直径为1.2mm的7A09铝合金焊丝，焊枪固定在三维工作台上，由上位机发出运动指令，基板材质为7A09铝合金，尺寸为300mm×200mm×10mm，试验用的工艺参数为：电流为130A～220A，成形速度为1mm/s～6mm/s，保护气为99.9999％纯氩，气体流量为10L/min。

一种圆环结构件TIG电弧増材制造成形控制方法，其具体实施方案包含以下步骤：

步骤一：本实施例基于图1设计了圆环结构件，设计零件的直径为70mm，高度为50mm，每层期望层高为h_d＝1.85mm，设计的期望层宽为8mm，每层期。

步骤二：对圆环形三维数据进行切片处理，获取圆的层数及周长信息；

步骤三：圆环结构件由m层组成，每层成形长度为L，设定逐层错位的每层过渡段长度为S；

步骤四：从第一层到第五层的过渡成形中，通过将电流从220A逐层调节至140A，从而使每层降低约10％左右能量密度，最终降低层间热累积效应；

步骤五：第六层后的稳定成形过程中，对起始端采取成形电流不变，在起始端的8～15mm内，成形速度比稳定阶段高60％左右；

步骤六：对尾端采取形速度不变，在距尾端8～15mm处，电弧能量密度逐步降至稳定成形阶段能量密度的30％；

步骤七：每完成一层成形路径，三维运动成形每层成形结束后无需熄弧；

步骤八：在Z轴下降及过渡段长度S的运动中，需同时降低送丝速度，具体为正常值得50％；直至完成第m层的成形控制，实现圆环结构件TIG电弧増材制造对路径长度内成形高度与路径交叉点高度的控制置，直至样件加工完成。

与现有技术相比，此方法将圆环结构的单点式下降分配到每一层的不同节点，降低了启弧、熄弧次数，缩短了成形时间、从而降低了生产成本，且成形过程全自动完成，通过分段调节成形电流、成形速度以及分层调节电流的方式，来降低能量密度，无需人工干预。与现有技术相比，圆环结构件丝弧增材制造形貌控制方法，制造的圆环结构件具有更高的尺寸精度及表面光洁度，为圆环结构类零件的路径规划提供了更加高效的直接成形方法和基础理论。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。