[发明专利]基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法

说明书

本发明公开了基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，首先在成形基板上成形第一熔覆层，通过测量第一熔覆层的宽度、高度来确定抛物线拟合参数，根据拟合参数确定最佳层高，然后根据拟合参数保持熔覆层润湿性条件稳定的前提下，进行第二熔覆层的成形，从而实现了对第一熔覆层到第二熔覆层搭接形貌的控制；将第二熔覆层作为新的熔覆层，再对新的熔覆层的搭接形貌进行控制，直至竖向搭接结束，实现了熔覆层竖向搭接形貌的控制。本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，对熔覆层竖向搭接形貌的控制效果与实际情况符合，准确度高，可以实现较好的熔覆层竖向搭接效果。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacture，WAAM)是一种利用逐层熔覆原理，以电弧为热源，在数字化程序的控制下，通过丝材的送给以及三维数字模型由线-面-体逐步成形出金属零件的先进数字化制造技术。目前，电弧增材技术在提高成形零件表面质量、降低粗糙度方面仍面临较大的挑战。传统的研究方法往往是通过改变成形工艺参数(焊接速度、送丝速度、焊接电流、焊接电压)来提高成形零件的表面质量，但此方法的局限性较大，没有从本质上分析影响熔池凝固后的形貌、搭接形貌的因素。

哈尔滨工业大学的研究人员通过计算机检测反馈系统来调节电弧增材制造中熔覆工艺参数，从而提高成形零件表面质量；湘潭大学的研究人员结合计算机检测反馈系统以及冷却系统进一步优化了成形工艺参数，从而进一步优化了电弧增材制造表面质量控制效果；因熔覆层凝固后的形貌以及搭接形貌直接决定了成形质量，而上述方法的适用性有限，因此上述方法对成形控制效果有限。清华大学的研究人员基于抛物线模型，通过调节搭接参数来主动控制搭接形貌，实现了横向堆焊较好的控制效果，但该方法仅适用于横向搭接成形，不适合成形的竖向成形控制，特别是对于增材制造中沉积方向(竖向)层间高度、搭接形貌的控制。

发明内容

本发明的目的是提供基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，解决了现有技术中存在的增材制造中竖向沉积的层间高度、搭接形貌难以有效控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用电弧在基板上成形第一熔覆层，确定第一熔覆层截面的抛物线拟合参数，建立熔覆层抛物线模型；

步骤2，根据熔覆层的润湿性及熔覆层抛物线模型确定熔覆层的最佳层高，根据最佳层高在第一熔覆层的基础上搭接第二熔覆层；

步骤3，将第二熔覆层作为新的熔覆层，根据最佳层高在其上搭接熔覆层，如此循环，直至得到单道熔覆层竖向搭接的成形零件。

本发明的特点还在于：

确定第一熔覆层截面的抛物线拟合参数具体为：

在第一熔覆层的中部区域测量其宽度L，单位为mm，测量其高度H，单位为mm，测量次数至少为5次，分别取平均值，得到第一熔覆层截面的抛物线拟合参数分别为：a＝4H/L²，b＝H。

步骤1中，熔覆层抛物线模型具体如下：

y＝-ax²+b (1)，

式(1)中，a表示抛物线系数；b表示抛物线系数，为熔覆层的高度；x表示熔覆层宽度方向的数值，y表示熔覆层高度方向的数值。

在熔覆层抛物线模型中，定义L/H＝2表征熔覆层润湿性的临界值；L/H＞2表示熔覆层的润湿性较好；0＜L/H＜2表示熔覆层的润湿性较差。

步骤2中，确定熔覆层的最佳层高具体如下：

在熔覆层润湿性较好时，根据牛顿-莱布尼茨积分定理，可得最佳层高ΔZ，单位为mm；