提高铝合金GTAWWAAM精度及效率的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统和方法，方法包括：在起弧阶段，起弧后超音频脉冲变极性电流按照预设时间缓升至电流幅值，启动送丝并将送丝速度设定为第一设定值，图像数据采集系统实时将采集的熔池和电弧图像信息发送至上位机系统；当熔池最大直径大于等于0.9倍的弧柱最大直径时，上位机系统控制送丝机将送丝速度提高至第二设定值，控制焊炬移动；在熄弧阶段距离尾端2L时电流幅值和送丝速度开始以设定速率衰减。本发明专利技术有效避免了启动送丝瞬间当熔池体积较小时焊丝易和工件发生碰撞，和熄弧处因热积累以及无拘束等因素导致的工件下塌问题，提高了工件的成型精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统及方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，更具体的说是涉及一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统及方法。

技术介绍

[0002]电弧增材制造技术(Wire+arc additive manufacturing，WAAM)，是一种以电弧为热源，金属丝材为原材料的增材制造技术。与其他金属增材制造工艺相比，WAAM具有生产效率高、原材料成本低、设备成本低、灵活性高和复杂度低等优点，目前已经成为增材制造领域的研究热点。
[0003]铝合金具有比强度高、耐蚀性高等优点，在航空航天领域占据着无可代替的重要地位，但其熔点低、热导率高和热膨胀系数大等特点，使铝合金构件在增材制造过程中容易因热积累而发生下塌等缺陷。
[0004]GTAW工艺具有过程稳定性高，易得到力学性能高的试样等优点，但受传统焊炬以及送丝管机械结构的影响，传统GTAW工艺送丝速度一般在3m/min以下，限制了其在大型金属结构件制造中的应用。
[0005]在传统铝合金GTAW电弧增材制造过程中，起弧处通常采用起弧成功后即按照设定速度送丝并移动焊炬的方式，当送丝速度超过3m/min时，在启动送丝瞬间当熔池体积较小时焊丝易和工件发生碰撞；熄弧处通常采用到达尾端一定时间后再停止送丝并熄弧的方式，能够在一定程度防止工件尾端塌陷，但当工件具有一定高度后，因电流较大且尾端部分无拘束，工件还是会发生下塌，严重降低工件的成型精度，而且起弧、熄弧处采用上述工艺时一般需要人工判断控制起收弧与焊丝启停时间，对操作者经验要求较高，且降低了制造效率。
[0006]为了解决上述至少一个问题，如何提供一种可在高速送丝条件下，能够保证过程稳定、高效且成型精度较高的铝合金GTAW增材制造技术控制系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统和方法，有效避免了启动送丝瞬间当熔池体积较小时焊丝易和工件发生碰撞，和熄弧处因热积累以及无拘束等因素导致的工件下塌问题，提高了工件的成型精度，制造效率高，可应用在大型金属结构件的制造。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统，包括：高速送丝系统、焊炬高度测量系统、图像数据采集系统、机器人系统、超音频脉冲电源和上位机系统，所述上位机系统分别与所述高速送丝系统、所述焊炬高度测量系统、所述图像数据采集系统、所述机器人系统和所述超音频脉冲电源连接；
[0010]所述高速送丝系统用于实现送丝，以及送丝的启停和送丝速度的调整；
[0011]所述焊炬高度测量系统用于实时测量增材制造过程中工件已成型结构的高度信息；
[0012]所述图像数据采集系统用于采集增材制造过程中熔池和电弧信息；
[0013]所述机器人系统用于控制所述高速送丝系统的水平位置、垂直位置和移动速度；
[0014]所述超音频脉冲电源用于为所述高速送丝系统提供超音频脉冲变极性电流；
[0015]所述上位机系统用于接收所述焊炬高度测量系统、所述图像数据采集系统传送的数据，并控制所述高速送丝系统、所述机器人系统和所述超音频脉冲电源，完成增材制造。
[0016]优选的，所述高速送丝系统包括焊炬和送丝机，所述送丝机用于为所述焊炬提供焊丝，并实现送丝的启停和送丝速度的调整；
[0017]所述焊炬包括焊炬主体、锥形保护咀、组合夹具和送丝管，所述锥形保护咀固定在所述焊炬主体的下部，所述组合夹具固定在所述焊炬主体的上部，且所述组合夹具末端连接所述送丝管。
[0018]优选的，所述组合夹具包括第一夹具、中间夹具和第二夹具，所述中间夹具固定在所述焊炬主体的上部，所述中间夹具两端通过万向节分别与所述第一夹具和所述第二夹具连接，所述第一夹具末端通过万向节和所述图像采集系统连接，所述第二夹具末端通过万向节与所述送丝管连接。
[0019]一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的方法，其特征在于，包括起弧阶段、增材制造阶段和熄弧阶段；
[0020]所述起弧阶段具体包括：
[0021]S11：起弧后超音频脉冲变极性电流按照预设时间缓升至起弧电流，同时启动送丝并将送丝速度设定为速度第一设定值，图像数据采集系统实时将采集的熔池和电弧图像信息发送至上位机系统，并在预设时间后的0.5S
‑
1S将超音频脉冲变极性电流升至电流第一设定值；
[0022]S12：经过t秒后当熔池最大直径大于等于0.9倍的弧柱最大直径时，上位机系统控制送丝机将送丝速度提高至速度第二设定值，控制焊炬移动；
[0023]所述熄弧阶段具体包括：
[0024]S31：在距离构件尾端2L时，2L为5mm
‑
30mm，超音频脉冲变极性电流的幅值和送丝速度按照设定速率衰减，至尾端时送丝速度降至速度第三设定值，电流幅值降为电流第二设定值；
[0025]S32：到达尾端后反向向距离尾端2L处移动，同时超音频脉冲变极性电流的幅值和送丝速度继续按照设定比例衰减，再次到达距离尾端2L处时，电流幅值和送丝速度分别降至各自速度第四设定值和熄弧电流后，焊炬上抬0～5mm减少熄弧时的电弧冲击力，停止送丝并熄弧；
[0026]所述增材制造阶段中的路径为完成上述一层沉积后，熄弧并停止送丝，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造。
[0027]一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的方法，所述增材制造阶段具体包括：
[0028]S21：超音频脉冲变极性电流保持所述电流第一设定值，送丝速度保持所述速度第二设定值进行送丝，焊炬移动保持第一移动速度进行移动，上位机系统实时比较熔池直径
与弧柱直径，判断熔池最大直径与弧柱最大直径的关系，当熔池最大直径在大于等于0.8倍且小于1.2倍弧柱最大直径时，执行S22，当熔池最大直径小于0.8倍弧柱最大直径且大于等于0.6倍弧柱最大直径时，执行S23，当熔池最大直径大于等于1.2倍弧柱最大直径且小于等于1.5倍弧柱最大直径时，执行S24；
[0029]S22：保持当前参数，到达设定位置进入熄弧阶段；
[0030]S23：控制焊炬以10mm/s的速率降低运动速度，并判断焊炬运动速度是否大于下限值，若不大于则停止增材过程，若大于则在熔池最大直径大于等于0.8倍弧柱最大直径时不再改变速率，到达设定位置进入熄弧阶段；
[0031]S24：控制焊炬以10mm/s的速率增大运动速度，并判断焊炬运动速度是否小于上限值，若不小于则停止增材过程，若小于则在熔池最大直径小于1.2倍弧柱最大直径时不再改变速率，到达设定位置进入熄弧阶段。
[0032]优选的，超音频脉冲变极性电流包括基值电流和超音频脉冲电流，所述基值电流包括正向电流和负向电流，所述超音频脉冲电流叠加在所述正向电流和/或负向电流上，所述正向电流和所述负向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统，其特征在于，包括：高速送丝系统、焊炬高度测量系统、图像数据采集系统、机器人系统、超音频脉冲电源和上位机系统，所述上位机系统分别与所述高速送丝系统、所述焊炬高度测量系统、所述图像数据采集系统、所述机器人系统和所述超音频脉冲电源连接；所述高速送丝系统用于实现送丝，以及送丝的启停和送丝速度的调整；所述焊炬高度测量系统用于实时测量增材制造过程中工件已成型结构的高度信息；所述图像数据采集系统用于采集增材制造过程中熔池和电弧信息；所述机器人系统用于控制所述高速送丝系统的水平位置、垂直位置和移动速度；所述超音频脉冲电源用于为所述高速送丝系统提供超音频脉冲变极性电流；所述上位机系统用于接收所述焊炬高度测量系统、所述图像数据采集系统传送的数据，并控制所述高速送丝系统、所述机器人系统和所述超音频脉冲电源，完成增材制造。2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统，其特征在于，所述高速送丝系统包括焊炬和送丝机，所述送丝机用于为所述焊炬提供焊丝，并实现送丝的启停和送丝速度的调整；所述焊炬包括焊炬主体、锥形保护咀、组合夹具和送丝管，所述锥形保护咀固定在所述焊炬主体的下部，所述组合夹具固定在所述焊炬主体的上部，且所述组合夹具末端连接所述送丝管。3.根据权利要求2所述的一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的系统，其特征在于，所述组合夹具包括第一夹具、中间夹具和第二夹具，所述中间夹具固定在所述焊炬主体的上部，所述中间夹具两端通过万向节分别与所述第一夹具和所述第二夹具连接，所述第一夹具末端通过万向节和所述图像采集系统连接，所述第二夹具末端通过万向节与所述送丝管连接。4.一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的方法，其特征在于，包括起弧阶段、增材制造阶段和熄弧阶段；所述起弧阶段具体包括：S11：起弧后超音频脉冲变极性电流按照预设时间缓升至起弧电流，启动送丝并将送丝速度设定为速度第一设定值，图像数据采集系统实时将采集的熔池和电弧图像信息发送至上位机系统，并在预设时间后的0.5S
‑
1S将超音频脉冲变极性电流升至电流第一设定值；S12：经过t秒后当熔池最大直径大于等于0.9倍的弧柱最大直径时，上位机系统控制送丝机将送丝速度提高至速度第二设定值，控制焊炬移动；所述熄弧阶段具体包括：S31：在距离构件尾端2L时，2L为5mm
‑
30mm，超音频脉冲变极性电流的幅值和送丝速度按照设定速率衰减，至尾端时送丝速度降至速度第三设定值，电流幅值降为电流第二设定值；S32：到达尾端后反向向距离尾端2L处移动，同时超音频脉冲变极性电流的幅值和送丝速度继续按照设定比例衰减，再次到达距离尾端2L处时，电流幅值和送丝速度分别降至各自速度第四设定值和熄弧电流后，焊炬上抬0～5mm减少熄弧时的电弧冲击力，停止送丝并熄弧；所述增材制造阶段中的路径为完成上述一层沉积后，熄弧并停止送丝，返回原点，再次
起弧、送丝进行电弧增材制造。5.根据权利要求4所述的一种提高铝合金GTAW WAAM精度及效率的方法，其特征在于，所述增材制造阶段具体包括：S21：超音频脉冲变极性电流保持所述电流第一设定值，送丝速度保持所述速度第二设定值进行送丝，焊炬移动保持第一移动速度进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：从保强，孙雪君，蔡鑫祎，祁泽武，齐铂金，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：