一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法技术

本发明专利技术提供了一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，涉及增材制造技术领域，旨在解决复合增材制造连续运行安全隐患大与组织均匀一致性不足的问题，采用的技术方案是，设计电弧弧压与变形压力分段式PLC控制系统，在成形过程中依据弧压变化进行已成形部分高度信息采集，同步反馈给随行变形机构进行运动位置调整，辅助压力传感器提前判定运动速度与运动方向补偿控制，直至构件连续稳定完成电弧变形复合增材制造；本发明专利技术提出的方法无需额外增加视觉检测装置，减少机构冗余，降低成本，具有进一步均匀细化组织、效率高、方便实现的特点，可以应用推广在电弧送粉、激光送粉/送丝、电子束送粉/送丝等变形复合增材制造工艺。电子束送粉/送丝等变形复合增材制造工艺。电子束送粉/送丝等变形复合增材制造工艺。

A motion compensation method for titanium alloy arc deformation composite additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体为一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有比强度大、耐腐蚀性好、生物相容性好等特性，被广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学等领域，在尖端科学与高技术方面发挥着重要作用。
[0003]电弧增材制造技术是近年来发展迅速的增材制造技术，该技术以熔化极气体保护焊(MIG)、钨极气体保护焊(TIG)及等离子弧焊(PAW)为载体，逐层累加熔化丝材实现金属零件制造，相对于传统的铸锻分离流程长、分段拼接可靠性不足与加工材料去除率高等缺点，具有材料利用率高、一体成形流程短、制造成本低、综合性能优异等优势。
[0004]然而，因导热系数低，制造过程特殊的时空非均匀急冷急热循环，温度梯度大，单一电弧增材制造钛合金微观组织呈现粗大铸态柱状晶形态，力学性能存在各向异性，疲劳性能远远低于锻件水平，从而制约了钛合金电弧增材制造技术在大型复杂主承力构件上的工程应用。常用电弧增材制造等轴晶转化调节方法包括：形核剂添加、送丝速度提升、超声振动、电磁搅拌、后热处理等，但因技术本身原理问题而导致应用受到一定局限，值得注意的是，增材过程同步施加外力形变(如超声冲击、滚压轧制、机械锤击、点式锻压等)覆盖传统铸造与锻造优势，可大面积实现柱状晶向等轴晶转化。
[0005]传统电弧增材制造均采用既定切片轨迹直接上抬固定高度的方式进行下层打印，该方式针对工艺与散热稳定的封闭单道多层特征具有较好适应性，但对于非封闭特征，起弧位置基体散热较快导致头部凸起，收弧位置熄弧电弧冲击导致尾部塌陷，即使奇偶层首尾互换补偿，起弧收弧位置仍然会相较中间均匀位置存在一定高度差。受变形机构形态影响，初始压下位置靠前则会导致变形机构撞击构件边缘，停机反馈不及时或变形机构下降偏离距离过大，将造成变形机构损坏或报废；初始压下位置靠后，则影响构件变形均匀性。此外，构件表面起伏导致的变形压力突变运动反馈调节滞后影响，将造成复合增材制造连续运行安全隐患极大，组织均匀一致性不足。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术中所存在的问题，本专利技术公开了一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，采用的技术方案是，基于电弧弧压与变形压力分段式PLC控制系统，在成形过程中依据弧压变化进行已成形部分高度信息采集，同步反馈给随行变形机构进行运动位置调整，辅助压力传感器提前判定运动速度与运动方向补偿控制，直至构件连续稳定完成电弧变形复合增材制造，具体包括如下步骤：步骤1，将电弧增材制造装置与变形机构耦合在运动平台上，所述电弧增材制造装置设在所述变形机构前方，二者复合方式进行同步独立分段式PLC运动控制；步骤2，基于热力耦合数值仿真与试验设计验证获取所需电弧变形复合增材制造
工艺参数，并依据构件精确模型特征与壁厚变形趋势合理规划复合制造轨迹；步骤3，依据所述步骤2中所得所述工艺参数，设置弧长跟踪与压力传感分段式PLC运动控制系统，并调整焊枪与所述变形机构相对间距，同步设置所述变形机构安全高度位置；步骤4，将基板与工装按轨迹规划策略固定在气氛保护箱内工作台上，并进行焊枪初始坐标与所述变形机构初始下降速度标定，充入高纯氩气清洗净化，至氧浓度下降至要求范围；步骤5，依据所述步骤2中所得所述工艺参数与轨迹规划，进行逐道复合增材制造，依据所述步骤3焊枪弧长跟踪系统进行已成形部分高度信息采集，协同所述步骤3中所述压力传感系统对所述变形机构进行运动速度与运动方向分段式PLC补偿控制，直至构件连续稳定完成电弧变形复合增材制造。
[0007]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述电弧增材制造装置采用TIG焊枪熔丝；所述变形机构采用碾压辊或冲击棒；所述运动平台采用多轴运动机构或机器人；焊枪与所述变形机构额外升降运动采用伺服电机驱动。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述工艺参数包括送丝速度、成形电流、成形速度、变形量、变形温度和搭接率。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述送丝速度调整范围为1.5
‑
4.0m/min，所述成形电流调整范围为150
‑
300A，所述成形速度调整范围为150
‑
300mm/min，所述变形量调整范围为30
‑
60％，所述变形温度调整范围为750
‑
950℃，所述搭接率调整范围为25
‑
50％。
[0010]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤3中，弧长跟踪焊枪运动距离调整范围为0
‑
30mm，焊枪与变形机构相对间距调整范围为15
‑
40mm，变形机构安全高度调整范围为0
‑
30mm。
[0011]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4中的所述基板将表面打磨，且采用无水乙醇擦拭，所述基板采用30
‑
50mm厚的钛合金板材。
[0012]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4中气氛保护箱内设置有红外热像仪与熔池监控仪。
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4中所述变形机构初始下降速度公式为：V
R
＝(H
R
‑
H
W
)
×
V
T
/L
TR
，式中，V
R
为变形机构升降运动速度，H
R
为变形机构安全高度，H
W
为焊道高度，调整范围为0.8
‑
2.5mm，焊道的宽度为6
‑
12mm，V
T
为焊枪升降运动速度，L
TR
为焊枪与变形机构间距，V
M
为焊枪与变形机构同步成形速度，V
R
为变形机构升降运动速度，H
A
为成形过程弧长，范围为3
‑
8mm，H
E
为电极伸出长度，调整范围为3
‑
5mm，F为变形机构与构件之间的压力，调整范围为0
‑
30000N，焊丝采用直径为1.0mm或1.2mm的钛合金焊丝。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4中气氛保护箱工作氧浓度低于50ppm。
[0015]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤5中焊枪与变形机构运动速度调整范围为0
‑
50mm/s。
[0016]本专利技术的有益效果：本专利技术提出的方法中，焊枪弧长跟踪系统与变形机构压力传感系统采用分段式PLC运动控制，实际电弧弧压及变形压力相比预设值差值越大，焊枪与变形机构升降运动调整回复速度越快，简化了传统PID控制繁琐参数调试。
[0017]进一步的，本专利技术提出的方法中，采用焊枪弧长跟踪系统进行已成形部分高度信息采集，通过当前层实际高度变化平均值补偿至下一层上抬高度，无需额外增加视觉检测装置，减少机构冗余，缩短本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，将电弧增材制造装置与变形机构耦合在运动平台上，所述电弧增材制造装置设在所述变形机构前方，二者复合方式进行同步独立分段式PLC运动控制；步骤2，基于热力耦合数值仿真与试验设计验证获取所需电弧变形复合增材制造工艺参数，并依据构件精确模型特征与壁厚变形趋势合理规划复合制造轨迹；步骤3，依据所述步骤2中所得所述工艺参数，设置弧长跟踪与压力传感分段式PLC运动控制系统，并调整焊枪与所述变形机构相对间距，同步设置所述变形机构安全高度位置；步骤4，将基板与工装按轨迹规划策略固定在气氛保护箱内工作台上，并进行焊枪初始坐标与所述变形机构初始下降速度标定，充入高纯氩气清洗净化，至氧浓度下降至要求范围；步骤5，依据所述步骤2中所得所述工艺参数与轨迹规划，进行逐道复合增材制造，依据所述步骤3焊枪弧长跟踪系统进行已成形部分高度信息采集，协同所述步骤3中所述压力传感系统对所述变形机构进行运动速度与运动方向分段式PLC补偿控制，直至构件连续稳定完成电弧变形复合增材制造。2.根据权利要求1所述的一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，其特征在于：所述电弧增材制造装置采用TIG焊枪熔丝；所述变形机构采用碾压辊或冲击棒；所述运动平台采用多轴运动机构或机器人；焊枪与所述变形机构额外升降运动采用伺服电机驱动。3.根据权利要求1所述的一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，其特征在于：所述工艺参数包括送丝速度、成形电流、成形速度、变形量、变形温度和搭接率。4.根据权利要求3所述的一种钛合金电弧变形复合增材制造运动补偿方法，其特征在于：所述送丝速度调整范围为1.5
‑
4.0m/min，所述成形电流调整范围为150
‑
300A，所述成形速度调整范围为150
‑
300mm/min，所述变形量调整范围为30
‑
60％，所述变形温度调整范围为750
...

【专利技术属性】
技术研发人员：符友恒，陈曦，
申请(专利权)人：符友恒，
类型：发明
国别省市：