[发明专利]一种电弧增材制造过程中成形精度与质量控制的设备与方法

说明书

本发明公开了一种电弧增材制造过程中成型精度与质量控制的设备与方法；包括计算机控制系统、路径规划系统、电弧增材系统、监控与反馈系统及自调节水冷系统。路径规划系统用于规划焊枪运行轨迹；电弧增材系统通过电弧热源逐层增材成形；监测与反馈系统用于对沉积层形貌与表面温度进行监测，并实时反馈给计算机控制系统；自调节水冷系统根据反馈信息自适应地调节水冷温度，达到控制成形件热累积与成形精度的目的。本发明解决了电弧增材制造成形件热输入量大，成形精度差的问题，同时保证了成形效率，可以实现电弧增材制造过程中成形精度与质量控制。

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，特别涉及一种电弧增材制造过程中成型精度与质量控制的设备与方法。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造出致密金属构件。与传统制造工艺相比，无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应速度快，特别适合于小批量、品种繁多的产品的制造；与激光增材制造相比，WAAM技术具有成形的构件致密度高、熔敷率高、原材料利用率高、成本低、受污染的可能性小等优点，因而在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。

然而电弧增材制造成形件热积累严重、散热条件差，以至于熔池凝固时间增加，熔池形状难于控制，尤其是在零件边缘。由于液态熔池的存在，边缘形貌与成形尺寸的控制更加困难，即热积累作用导致熔池体系热边界环境非线性时变，严重限制了电弧增材制造技术在航空航天领域的应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电弧增材制造过程中成形精度与质量控制的设备与方法，能够有效避免成形精度低，同时降低成形件内部的热累积效应，有效提高电弧增材成形件质量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种电弧增材制造过程中成形精度与质量控制的设备，包括计算机控制系统、路径规划系统、电弧增材系统、监控与反馈系统及自调节水冷系统；

所述计算机控制系统连接电弧增材系统、路径规划系统、监控与反馈系统、自调节水冷系统；

路径规划系统用于将实体三维模型分层切片，规划可行扫描路径，并将扫描代码经由计算机控制系统传递给机器人，控制其运动轨迹；

电弧增材系统包括：TIG焊机、TIG焊枪、焊接工作台、送丝机构；所述TIG焊枪用于将送丝机构提供的丝材按照规划路径，通过电弧热源在工作台上逐层焊接成型，进而得到所需形状的完整金属零件。

监控与反馈系统包括：光传感器、红外温度传感器；所述光传感器置于工作台上部，用于对沉积层形貌进行监测，并实时反馈给计算机控制系统；所述红外温度传感器安装在工作台上方，用于进行成形件表面温度监测，并实时反馈给计算机控制系统；

自调节水冷系统包括：温度调节装置、水冷循环系统、水箱；所述温度调节系统经由计算机控制系统接收来自监控与反馈系统的成形件温度与形貌特征，自适应地调节进入水冷循环系统的水温；所述水冷循环系统嵌于工作台内部，用于调节成形过程温度，降低成形件内部热累积，同时改善成形精度。

一种电弧增材制造过程中成形精度与质量控制设备的运行方法，包括如下步骤：

步骤一：将实体三维模型分层切片，规划可行扫描路径，并将扫描代码导入计算机控制系统；

步骤二：TIG增材成形步骤

基板固定在工作台上，焊枪在成形方向运动，且垂直于基板。TIG焊枪与保护气瓶相连，焊丝位于焊枪前方，与焊枪沿同一方向堆敷，丝材与基板表面的夹角为50-70°；

步骤三：实时监控与反馈步骤