[發明專利]TIG電弧增材成形形貌的反饋控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201811398298.0
• 申請日: 2018-11-22
• 公開（公告）號: CN109262109B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 耿海濱;羅鍵
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/32
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊;丘鴻超

本發明提出一種TIG電弧增材成形形貌的反饋控制裝置及方法，其裝置的特征在于：TIG焊機的電極夾連接焊絲；所述焊絲經霍爾電壓傳感器和A/D轉換器連接控制器；所述控制器連接送絲機。與現有技術相比，本發明的優勢在于巧妙地利用了電弧中帶電粒子（電子）在TIG焊的焊絲上分配比例變化間接檢測基體表面起伏變化，無需外加其他的檢測裝置，如弧長傳感器等，控制系統簡單易行，成本低廉，效果顯著。尤其對于增材制造而言，焊槍夾持部位結構簡單，可達性高，便于實現復雜三維結構的快速成形。此外，采用此方法可在堆焊成形時實現焊絲上同時引弧，具有熱絲的效果，顯著增加了成形效率。

技術領域

本發明涉及TIG堆焊送絲速度的反饋控制領域，尤其涉及一種一種適用于TIG電弧填絲增材制造（wire and arc additive manufacture, WAAM）成形件表面形貌控制與修正的裝置和方法。

背景技術

TIG電弧填絲增材制造（WAAM）以電弧為熱源，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，其成形速度較高，可以以較低的成本快速成形幾千克至幾噸的大型零部件，適用于大尺寸復雜構件3D一體化增材制造。

該技術基于材料學科與數字化控制手段深度結合而發展，與激光、電子束等載能束相比，電弧具有特殊的“力”、“熱”、“能”特征，成形過程中，熔池內液態金屬在重力、電弧力和表面張力作用下，隨熱源的移動不斷由熔池凝固析出，實現逐層累積增材制造，熔池體系不斷地進行著物質與能量輸入輸出，極易受外界擾動而失穩，形成隆起或凹陷等表面波動缺陷。并在連續堆焊成形過程中，這種缺陷表現出特殊的時、空非連續“遺傳”特性，若不加以控制，成形形貌缺陷將延續到整個成形過程，且形貌波動程度逐漸增大。與電弧連接技術不同，WAAM成形時并無熔深要求，因此，以往的基于焊接熱輸入的控制，在保證熔深的基礎上，優化焊縫成形的控制方法在WAAM成形技術中并不適用，焊接熱輸入的改變，將顯著改變單道成形的有效寬度，使得成形形貌一致性變得更差。此外，該增材制造技術成形速率較快，熔池體系快速地進行著物質、能量輸入輸出，極易受到外場擾動而失穩，加之電弧的不穩定性（陽極斑點漂移、磁偏吹等），伴隨成形過程常產生成形形貌缺陷，如隆起和凹陷。因此，設計一種滿足于WAAM的成形性要求的，可以實時對隆起、凹陷等成形形貌缺陷進行檢測與修補的反饋控制手段，對于提高WAAM成形表面質量至關重要，是獲得WAAM成形形貌穩定性的關鍵技術。

目前，在現有技術中，對于WAAM成形形貌的修復及控制方法主要有以下兩種：

1.控制成形過程熱輸入（電流、焊度）

采用控制成形熱輸入的方法實現對成形形貌缺陷的修復，是目前保證WAAM成形一致性的主要手段，其使用電弧傳感器通過監測弧壓對成形件表面起伏的響應而實時調整堆焊成形電流，通過控制熔池溫度及特征尺寸利用液態熔池表面張力消除成形件表面起伏缺陷；改變焊炬移動速度雖然熱源能量輸入密度不變，但其同時改變了熔池物質、能量輸入，獲得有效堆高的同時往往有效寬度也相應增大，這不利于多道成形時有效搭接量的設計，即其高度一致性的獲得是以犧牲有效寬度一致性為前提的，若凹陷缺陷尺寸較小，這種方法也難以精確控制，難以實現數字、自動化，現多用于開放成形系統的手工修復。

2.復合增材制造

復合制造方法是將WAAM成形系統與銑削加工結合，在成形表面形貌缺陷處利用銑削機械加工的方法獲得一致的成形表面，以消除形貌缺陷對后續連續成形的影響。該方法以減材加工來獲得一致的表面成形形貌不利于發揮WAAM高效成形的優勢，且設備成本較高，此外，WAAM成形大尺寸成形件時受限于銑床的有效加工尺寸。

在實現上述WAAM成形形貌控制與修復的過程中，現有技術中至少存在如下問題：