[发明专利]基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法

说明书

本申请提供了一种基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法，其中，该方法包括：获取电弧熔丝增材制造的预设工艺参数以及目标成形件的结构信息；基于分子动力学理论确定金属材料的物性参数；根据物性参数和预设工艺参数，基于多物理场耦合仿真确定电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式；基于物性参数以及热流和压力分布模式，计算熔滴的初始信息；依据物性参数、预设工艺参数和熔滴的初始信息进行多物理场耦合仿真计算，确定凝固形成的成形件的结构信息；将成形件的结构信息与目标成形件的结构信息进行对比，并根据对比结果调整预设工艺参数，得到目标工艺参数。上述方法可以确定目标成形件对应的目标工艺参数，提高制造精度。

技术领域

本申请涉及电弧熔丝增材制造技术领域，特别涉及一种基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术以电弧为载能束，通过送丝系统输送金属丝材进行逐层堆积快速成形。该技术沉积效率高、制造成本低，对金属材质不敏感，可以成形铝合金和铜合金等对激光反射率高的材料。成形零件由全焊缝金属组成，具有致密度高、力学性能好、化学成分均匀、冶金结合性能好等优点。该技术以高温液态金属熔滴过渡的方式进行，零件热积累随堆积层数增加，熔池不易凝固，堆积层形状难于控制，使得该技术目前只能制造几何形状及结构较为简单的零件，成形精度低，一般都需要机械再加工，这制约了其广泛应用。目前，开展了大量实验工作，主要进行了电弧增材装备系统研发、过程监控、成形件微观组织及力学性能、成形工艺过程等研究，在复杂结构增材规划、组织演变规律和性能优化方面取得了一定的成果，积累了一定的应用经验。

然而，增材制造以个性化、复杂化需求为导向，针对不同的装备系统、材料体系、结构特征、尺寸等，成形工艺不一而同，以试验为基础的经验方法不具有普适性。而且，零件的成形精度、微观组织结构和力学特性等都是由其物理机理决定的，基础研究不足，对成形过程的传热传质机理认识较为缺乏。因此，成形工艺的参数设计缺乏理论指导，导致制造精度和产品质量较低。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法，以解决现有技术中电弧熔丝增材制造工艺参数的确定缺乏理论指导的问题。

本申请实施例提供了一种基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法，包括：获取电弧熔丝增材制造的预设工艺参数以及目标成形件的结构信息；基于分子动力学理论确定金属材料的物性参数；根据物性参数和预设工艺参数，基于多物理场耦合仿真确定电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式；基于物性参数以及热流和压力分布模式，计算焊丝熔化形成的熔滴的初始信息，其中，熔滴的初始信息包括熔滴的温度场和流动特性；依据物性参数、预设工艺参数和熔滴的初始信息进行多物理场耦合仿真计算，确定熔滴下落后凝固形成的成形件的结构信息；将成形件的结构信息与目标成形件的结构信息进行对比，并根据对比结果调整预设工艺参数，得到目标工艺参数。

在一个实施例中，基于分子动力学理论确定金属材料的物性参数，包括：基于分子动力学理论研究金属材料的熔化和凝固过程，研究微观尺度下的传热机理和微观组织结构演变规律；分析多种势函数中各势函数对金属材料的相变传热特性的影响；建立物性参数的温度函数关系式。

在一个实施例中，根据金属材料的物性参数和预设工艺参数，基于多物理场耦合仿真确定电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式，包括：根据金属材料的物性参数和预设工艺参数建立电弧熔丝增材制造三维几何模型，并对三维几何模型进行有限元网格划分；对划分后的三维几何模型进行多物理场耦合仿真计算，模拟电弧熔丝增材制造过程中电弧与焊丝的传热过程，获得电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式。