GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法技术

本发明专利技术提供一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，包括步骤：完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；将GMAW焊枪升高一个层高，控制焊枪回到成形起弧端处；使成形件上表面温度冷却到20‑300℃；完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止；本发明专利技术可以有效地抑制同向式成形过程中零件端部产生的高度尺寸差异，减少成形过程产生的缺陷，确保GMAW增材制造在同向式成形方式中获得较高的成形尺寸精度，该方法为GMAW增材制造成形质量控制提供了可靠的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种熔化极气体保护电弧(Gas metal arcwelding，GMAW)增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法。
技术介绍
电弧填丝增材制造采用电弧作为热源，金属丝材作为填充材料，按照设定的成形方式逐层成形直至形成全焊缝金属零件。与传统的铸造和机械加工技术比较，电弧填丝增材制造成形的灵活性大，无需专用的夹具和工装，极大提高了材料利用率。更为重要的是，成形的构件致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能优良，与整体锻造件相比具有强度高、韧性好等优点。目前，电弧填丝增材制造技术从基础研究到应用开发已经受到研究者们的广泛关注。电弧填丝增材制造常用的热源有熔化极气体保护电弧、钨极氩弧，等离子弧。金属构件成形方式主要有同向式成形和交错式成形。同向式成形是指成形过程始终沿同一方向进行，交错式成形是指相邻层间的成形方向相反。电弧填丝增材制造在成形时，总是呈现出起弧端高，熄弧端低的特性，如果采用同向式成形方式，则会在成形件两端产生很大的高度尺寸差异。当成形到一定层数时，起弧端会与焊枪喷嘴发生碰撞，熄弧端由于与焊枪喷嘴距离过大，成形层保护效果不好，进而产生气孔缺陷。上述缺陷均会致使电弧填丝增材制造过程无法继续进行。针对上述同向式成形过程产生的缺陷，亟需开发一种GMAW增材制造同向式成形形貌控制方法，该技术的研究对于攻克GMAW增材制造成形形貌控制的难题具有十分重要的意义。目前国内外大多采用交错式成形方式来控制成形件起弧端与熄弧端差异，但尚未开展GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有GMAW增材制造同向式成形方式中，成形件起弧端和熄弧端高度尺寸差异的问题，提供一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，包括如下步骤：步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.2-1.5倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.7-0.95倍，起弧端成形长度设定为
8-15mm，熄弧端成形长度设定为8-16mm；步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续20-1000ms后熄灭；步骤四：将GMAW焊枪升高一个层高，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待1-5min，使成形件上表面温度冷却到20-300℃；步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。作为优选方式，成形参数在起弧端长度和熄弧端长度内的变化增量是通过以下方式实现的：(1)设定成形过程中成形电压在起弧端初始值U1，稳定端成形电压U，熄弧端成形电压末端值U2；成形速度在起弧端初始值V1，稳定端成形速度V，熄弧端成形速度末端值V2；成形电流稳定端I，熄弧端成形电流末端值I2；起弧端长度L1，熄弧端长度L2，计算机采样周期P；(2)根据下式求得成形电压、成形速度及成形电流的采样周期变化值：ΔU起＝|U-U1|(V1+V)P/(2L1)ΔU熄＝|U-U2|(V2+V)P/(2L2)ΔV起＝|V-V1|(V1+V)P/(2L1)ΔV熄＝|V-V2|(V2+V)P/(2L2)ΔI熄＝|I-I2|(V2+V)P/(2L2)其中：ΔU起为起弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔU熄为熄弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔV起为起弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔV熄为熄弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔI熄为熄弧端成形电流在采样周期内的变化量。作为优选方式，所述的平稳端成形电流为120-186A，成形速度4.2-7.3mm/s。成形电流和成形速度对多层单道成形层质量的影响至关重要，成形电流过大或成形速度
过低会增大热输入，使得成形层熔池形貌不稳定，容易出现熔池流淌。相反，成形速度过高，造成电弧漂移，也会降低成形质量；成形电流过小，使得成形过程熔滴过渡不稳定。因此，本专利技术中，成形电流设定为120-186A，成形速度设定为4.2-7.3mm/s。作为优选方式，起弧端成形速度的初始设定值是平稳端的1.2-1.5倍，成形电压的初始设定值是平稳端的1.2-1.4倍。在成形起弧端，由于电弧正下方熔化的液态金属在电弧力作用下被推向熔池后方刚凝固的金属上，因此，起弧端成形尺寸高度大。本专利技术采取的控制方法是在起弧端增大成形速度和成形电压，这样有利于减小起弧端的成形高度。当起弧端的成形速度初始设定值与平稳端的比值小于1.2时，起弧端成形高度降低不明显，而设定值大于1.5倍时，则起弧端成形高度太小。起弧端成形电压与平稳端的比值小于1.2时，起弧端成形高度降低不明显，比值大于1.4时，起弧端成形尺寸过低。因此在本专利技术中，起弧端成形速度的初始设定值是平稳端的1.2-1.5倍，成形电压的初始设定值是平稳端的1.2-1.4倍。作为优选方式，起弧端成形长度设定为10-13mm，熄弧端成形长度设定为9-13mm。考虑到堆积过程起弧端和熄弧端的长度一般小于15mm，在本专利技术中，起弧端和熄弧端长度必须设定在合理的范围，设定的长度过小，会致使起弧端成形尺寸控制效果不好，设定的长度过大，导致平稳端控制效果不好。因此本专利技术中，起弧端成形长度设定为10-13mm，熄弧端成形长度设定为9-13mm。作为优选方式，熄弧端末尾处成形速度和成形电流是平稳端的0.7-0.9倍，熄弧端末尾处成形电压是平稳端的0.7-0.95倍。在本专利技术中，为了减小熄弧端倾斜面的长度，必须减小熄弧端的成形电流，但是同时必须相应地减小成形速度，才能保证熄弧端成形截面面积不变，同时在熄弧端减小成形电压，可以进一步增大熄弧端的高度尺寸。如果成形电流设定过小，则会影响熔滴过渡，如果电弧电压设定过小，则会使得熄弧端成形高度明显增大。因此本专利技术中，熄弧端末尾处成形速度和成形电流是平稳端的0.7-0.9倍，熄弧端末尾处成形电压是平稳端的0.7-0.95倍。作为优选方式，每一层成形完成后，成形速度设定为零，电弧继续持续时间为150-545ms。在电弧增材制造的熄弧端始终存在一个弧坑，因此，在电弧运动到熄弧端末尾时，需要在弧坑处继续填充丝材。但是电弧继续熔化丝材的时间太短，不能有效地填充弧坑，填充的时间太长，容易在弧坑处引起填充金属量过多，使得熄弧端末尾处成形质量变差。因此本专利技术中，电弧继续持续时间为150-545ms。作为优选方式，层间温度冷却至55-150℃。GMAW增材制造过程是单热源多重加热过程，电弧热源对母材的热输入大，因而必须严格控制成形层层间温度。层间温度直接决定了成形
质量与成形效率。如果层间温度较小，则成形过程中层间等待时间较长，降低了成形过程效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.2‑1.5倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.7‑0.95倍，起弧端成形长度设定为8‑15mm，熄弧端成形长度设定为8‑16mm；步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续20‑1000ms后熄灭；步骤四：将GMAW焊枪升高一个层高，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待1‑5min，使成形件上表面温度冷却到20‑300℃；步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

【技术特征摘要】
1.一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.2-1.5倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.7-0.95倍，起弧端成形长度设定为8-15mm，熄弧端成形长度设定为8-16mm；步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续20-1000ms后熄灭；步骤四：将GMAW焊枪升高一个层高，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待1-5min，使成形件上表面温度冷却到20-300℃；步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。2.根据权利要求1所述的GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，其特征在于：成形参数在起弧端长度和熄弧端长度内的变化增量是通过以下方式实现的：(1)设定成形过程中成形电压在起弧端初始值U1，稳定端成形电压U，熄弧端成形电压末端值U2；成形速度在起弧端初始值V1，稳定端成形速度V，熄弧端成形速度末端值V2；成形电流稳定端I，熄弧端成形电流末端值I2；起弧端长度L1，熄弧端长度L2，计算机采样周期P；(2)根据下式求得成形电压、成形速度及成形电流的采样周期变化值：ΔU起＝|U-U1|(V1+V)P/(2L1)ΔU熄＝|U-U2|(V2+V)P/(2L2)ΔV起＝|V-V1|(V1+V)P/(2L1)ΔV熄＝|V-V2|(V2+V)P/(2L2)ΔI熄＝|I-I2|(V2+V)P/(2L2)其中：ΔU起为起弧端成形电...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊，尹紫秋，雷洋洋，陈辉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51