[發明專利]一種電弧增材制造過程中成形精度與質量控制的設備與方法

在審

• 申請號: 201911109692.2
• 申請日: 2019-11-13
• 公開（公告）號: CN110802300A
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 占小紅;齊超琪;武夢瑤
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/167;B23K9/095;B23K9/32;B33Y30/00;B33Y50/02;B33Y40/00
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本發明公開了一種電弧增材制造過程中成型精度與質量控制的設備與方法；包括計算機控制系統、路徑規劃系統、電弧增材系統、監控與反饋系統及自調節水冷系統。路徑規劃系統用于規劃焊槍運行軌跡；電弧增材系統通過電弧熱源逐層增材成形；監測與反饋系統用于對沉積層形貌與表面溫度進行監測，并實時反饋給計算機控制系統；自調節水冷系統根據反饋信息自適應地調節水冷溫度，達到控制成形件熱累積與成形精度的目的。本發明解決了電弧增材制造成形件熱輸入量大，成形精度差的問題，同時保證了成形效率，可以實現電弧增材制造過程中成形精度與質量控制。

技術領域

本發明屬于電弧增材制造技術領域，特別涉及一種電弧增材制造過程中成型精度與質量控制的設備與方法。

背景技術

電弧增材制造技術(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是以電弧為熱源，采用逐層堆焊的方式制造出致密金屬構件。與傳統制造工藝相比，無需模具，整體制造周期短，柔性化程度高，能夠實現數字化、智能化和并行化制造，對設計的響應速度快，特別適合于小批量、品種繁多的產品的制造；與激光增材制造相比，WAAM技術具有成形的構件致密度高、熔敷率高、原材料利用率高、成本低、受污染的可能性小等優點，因而在航空航天、汽車船舶等領域有廣闊的應用前景。

然而電弧增材制造成形件熱積累嚴重、散熱條件差，以至于熔池凝固時間增加，熔池形狀難于控制，尤其是在零件邊緣。由于液態熔池的存在，邊緣形貌與成形尺寸的控制更加困難，即熱積累作用導致熔池體系熱邊界環境非線性時變，嚴重限制了電弧增材制造技術在航空航天領域的應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種電弧增材制造過程中成形精度與質量控制的設備與方法，能夠有效避免成形精度低，同時降低成形件內部的熱累積效應，有效提高電弧增材成形件質量。

本發明通過下述技術方案實現：

一種電弧增材制造過程中成形精度與質量控制的設備，包括計算機控制系統、路徑規劃系統、電弧增材系統、監控與反饋系統及自調節水冷系統；

所述計算機控制系統連接電弧增材系統、路徑規劃系統、監控與反饋系統、自調節水冷系統；

路徑規劃系統用于將實體三維模型分層切片，規劃可行掃描路徑，并將掃描代碼經由計算機控制系統傳遞給機器人，控制其運動軌跡；

電弧增材系統包括：TIG焊機、TIG焊槍、焊接工作臺、送絲機構；所述TIG焊槍用于將送絲機構提供的絲材按照規劃路徑，通過電弧熱源在工作臺上逐層焊接成型，進而得到所需形狀的完整金屬零件。

監控與反饋系統包括：光傳感器、紅外溫度傳感器；所述光傳感器置于工作臺上部，用于對沉積層形貌進行監測，并實時反饋給計算機控制系統；所述紅外溫度傳感器安裝在工作臺上方，用于進行成形件表面溫度監測，并實時反饋給計算機控制系統；

自調節水冷系統包括：溫度調節裝置、水冷循環系統、水箱；所述溫度調節系統經由計算機控制系統接收來自監控與反饋系統的成形件溫度與形貌特征，自適應地調節進入水冷循環系統的水溫；所述水冷循環系統嵌于工作臺內部，用于調節成形過程溫度，降低成形件內部熱累積，同時改善成形精度。

一種電弧增材制造過程中成形精度與質量控制設備的運行方法，包括如下步驟：

步驟一：將實體三維模型分層切片，規劃可行掃描路徑，并將掃描代碼導入計算機控制系統；

步驟二：TIG增材成形步驟

基板固定在工作臺上，焊槍在成形方向運動，且垂直于基板。TIG焊槍與保護氣瓶相連，焊絲位于焊槍前方，與焊槍沿同一方向堆敷，絲材與基板表面的夾角為50-70°；

步驟三：實時監控與反饋步驟