Tig电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法
阅读说明：本技术 Tig电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法 (TIG electric arc additive forming time-varying parameter distance self-adaptive control method ) 是由 王鑫 任文举 王淑娴 刘飞 谭峰 李海青 冯松 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护一种TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法,属于TIG电弧増材与3D成形领域；该TIG电弧増材成形变宽度参数的零件时,将不等宽零件沿成形方向,将变宽度单元进行逐段离散化,细分成多条高度相等、具有一定宽度的单元体；通过多段可控层宽的组合来逼近不等宽的沉积层形貌,将多线条搭接组装为一次变截面成形,在适合的区间内通过计算修正成形速度与成形电流,从而实现沉积层宽度的闭环控制；所提出的定距自适应控制方法,可逐层连续成形出平整的结构单元,并简化了路径、降低了搭接次数与界面重熔次数,在保持零件其他方向尺寸不变的情况下,极大提高了TIG电弧増材成形零件的复杂度和成形效率。(The invention discloses a TIG electric arc additive forming time-varying parameter distance self-adaptive control method, belonging to the field of TIG electric arc additive and 3D forming; when the TIG electric arc additive forming part with the variable width parameter is used, the variable width part is discretized section by section along the forming direction, and is subdivided into a plurality of unit bodies with equal height and certain width; the shape of a deposition layer with unequal widths is approached by the combination of multiple sections of controllable layer widths, multiple lines are overlapped and assembled into one-time variable cross section forming, and the forming speed and the forming current are corrected by calculation in a proper interval, so that the closed-loop control of the width of the deposition layer is realized; the distance self-adaptive control method can continuously form flat structural units layer by layer, simplifies the path, reduces the times of lap joint and interface remelting, and greatly improves the complexity and the forming efficiency of the TIG electric arc additive forming part under the condition of keeping the sizes of the part in other directions unchanged.)
技术领域
本发明属于TIG电弧増材制造技术领域，具体属于变宽度零件的成形参数定距自适应控制方法。
背景技术
在构建资源节约型、环境友好型社会的大前提下，构建金属零件的高效精准成形是当前研究的热点问题。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、设备成本低的特点，但在成形零件的精度上相对粗放。
现有技术中，现有技术申请号为201710029181.4，名称为一种铝合金结构件多层双道电弧增材制造方法，该方法采用焊机提供热源配合机械臂进行路径规划的方式进行铝合金结构件的电弧增材制造。通过参数的调整虽然可以实现 10mm～25mm壁厚铝合金结构件的电弧增材，但其壁厚仅为其中的某一值，并不能实现连续变化的变宽度零件成形，从本质上并未解决变宽度零件的“台阶效应”，从而降低电弧増材成形零件的成形效率，增大了后期加工的材料浪费率。
专利申请号为201810100511.9，一种填丝式增材制造实体类铝合金结构的方法，该方法采用激光-TIG复合热源，激光与电弧的相互作用，一方面可减小热输入，成形件组织细化、强度提高；另一方面激光可稳定电弧，使得多层多道成形过程中电弧更加稳定，优化搭接效果。其虽然降低了连续成形过程中的热输入，降低了层间停留时间，但在多线条搭接成形时，仍未减少界面重熔次数，从而产生一定的内部缺陷，且不具备更好的持续逐层成形性能。
在TIG电弧増材成形非等宽结构时，传统成形路径规划的成形单元是由多条非均等直线密排组合而成。这种多道搭接的路径规划方式不仅降低了成形效率，而且使搭接处易产生裂纹及孔隙；在后续的精加工过程中材料去除量大，提高了生产成本；且由于TIG电弧热源能量密度大，不可避免的因多次重熔搭接出现各种缺陷。因此，亟需开发一种变宽度参数构件成形的简单、实用方法。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法。本发明的技术方案如下：
一种TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法，用于制造多层单道的宽度变化薄壁零件结构件，多层单道的宽度变化薄壁零件结构件通过电弧增材制造系统3D打印成形，其包括以下步骤：
步骤1：将已建好变宽度零件CAD模型进行分层切片，得到每层宽度的数据信息；
步骤2：不等宽单元延成形方向将宽度数据进行逐段离散化，细分成多条高度相等、具有一定宽度的单元体，每段宽度分别为i、i+1、i+2…i+m；
步骤3：根据实际需求确定每段的期望层高h，及期望宽w；
步骤4：将成形速度V、成形电流I作为输入量，每段的控制过程中，成形速度Vi与成形电流Ii，各段的平均宽度为wi；根据可视化实时监测层高、层宽的反馈数据，通过成形电流、成形速度动态自适应修正，实现沉积层尺寸的闭环控制；
步骤5：每完成一层成形路径，三维运动成形平台下降相应的层厚，重复步骤2～步骤4，连续成形出平整的下一层结构单元，直至零件加工完成。
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，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160A～280A，成形速度为1mm/s～6mm/s，保护气为99.9999％纯氩，气体流量为10L/min。
进一步的，在尺寸动态自适应控制系统下，延成形时沉积方向，从1段向i 段逐渐过渡，i为大于1的正整数，由窄变宽单向成形直至整个成过程结束，其中，第i段相对于第一段成形速度更慢，单位时间的累积的材料更多，根据成形工艺实验结果得知，成形速度的增益较大，成形电流的时滞较小，所以需要通过每层成形电流、成形速度的联调，逐段模糊增大电流热输入，使能量将材料均匀的铺展开，以免向高度方向上累积，而并不依靠焊枪及三维工作台的上下移动。
进一步的，所述变宽度零件的最佳可控范围是5～11mm。
进一步的，每段的过渡段宽度为0.4mm～0.7mm，每段过渡段长度为0.2mm ～0.4mm。
进一步的，在丝弧增材成形均匀变宽零件的方法中，采用钨极惰性气体电弧为热源实现堆积。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了一种TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法。此方法在保证高度不变的前提下，可自动成形出宽度连续变化的零件，消除斜面“台阶效应”，提高了TIG电弧増材成形零件的复杂度和成形效率，保证了成形质量。
(1)不等宽单元结构的传统成形路径规划方式是由多条非均等直线密排组合而成，不可避免的因搭接问题而出现各种缺陷。本发明提供的TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法，在制造均匀变化的零件过程中，在适合的区间内通过调整成形速度与成形电流，通过多段可控层宽的组合来逼近不等宽沉积层形貌，逐层连续成形出平整的结构单元。
(2)将多线条搭接组装为一次变截面成形，降低了搭接次数与界面重熔次数，简化了路径，避免了内部应力的缺陷。从原理上降低搭接结构缺陷的问题，极大提高了TIG电弧増材成形零件的复杂度和成形效率，且具有更好的持续逐层成形性能。
(3)在“设计功能优先”原则的基础上，提高成形材料利用率、缩短了成形时间、从而降低了生产成本。该发明实现了变宽度结构件的高质量成形，而且该方法还易于成形过程的自动化。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例逐段不等宽单元结构成形方法的示意图，其中(a)为多条等宽单道成形、(b)为单条变宽一次成形、(c)为变壁厚结构成形；
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160A～280A，成形速度为1mm/s～6mm/s，保护气为99.9999％纯氩，气体流量为10L/min。
步骤1：基于图1设计了一个连续变宽度11层薄壁零件，设计零件的长度为50mm，高度为21mm，将不等宽单元延成形方向上逐段离散化，划分为7 个高度相等、具有一定宽度的单元体，每段长7.15mm，期间过渡段长度为0.3mm，设计的期望层宽变化范围从5.5～10mm，每层期望层高为hd＝1.85mm，如图(a)所示。同时也设计了如图(b)所示的变宽度叶片结构，其设计层厚为 10层，延层宽变化方向的成形方式分为6段均匀弧线，设计的期望层宽变化范围从5.5～10mm，每层期望层高为hd＝1.85mm，则总期望高度为1.85*10＝18.5mm。
步骤2：在逐段不等宽单元结构成形过程中，为避免段与段之间衔接性较差，驼峰型缺陷等问题，在闭环控制系统下，采用成形电流、成形速度均动态自适应的控制方式实现等高不等宽单元结构的成形；
步骤3：在尺寸动态自适应控制系统下，延成形时沉积方向，从1段向7段逐渐过渡，由窄变宽单向成形直至整个成过程结束。其中，第七段相对于第一段成形速度更慢，单位时间的累积的材料更多。根据成形工艺实验结果得知，成形速度的增益较大，成形电流的时滞较小，所以需要通过每层成形电流、成形速度的联调，逐段模糊增大电流热输入，使能量将材料均匀的铺展开，以免向高度方向上累积；
步骤4：高强电弧能量源保证不同成形层间冶金结合，每完成一层成形路径，三维运动成形平台下降相应的层厚，重复上述步骤，连续成形出平整的下一层结构单元，直至成形件加工完成；
步骤5：逐段不等宽单元结构成形的零件照片如图1所示，分析各段控制性能可见，在图(a)中，除在第7段存在边缘塌陷外，其余各段最终高度基本达到一至，第一段至第六段的控制效果均达到稳定、收敛。通过计算其相对误差为3.85％，最大层宽误差在第1段，为0.45mm。成形件壁厚从5.95mm逐段增大至10.07mm，形状可以近似于一个连续变宽度薄壁件。在图(b)中，其壁厚绝对误差最大为9.1％，各段的层宽也大致接近期望值，符合设计要求。说明逐段控制逼近不等宽单元的成形方式是可行的，工艺参数实时调整满足尺寸动态变化的需求；
步骤6：通过减小段长、增加总控制段数，可以使宽度的变化更为连续，段与段之间的交界处更加平滑，但这样同时也会增加控制环的数量，增大控制方案的复杂程度。因此，需要进一步优化实验工艺、控制参数，以便提高成形件质量。
与现有技术相比，此方法将多线条搭接组装为一次变截面成形，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，根据可视化实时监测层高、层宽的反馈数据，通过成形电流、成形速度动态自适应修正，实现沉积层尺寸的闭环控制，无需人工干预。与现有技术相比，TIG电弧増材成形时变参数定距自适应控制方法，制造的均匀变宽度零件具有更高的尺寸精度及表面光洁度，为变宽度薄墙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。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。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。