本發(fā)明涉及一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的分區(qū)增材制造方法，屬于電弧增材制造。

背景技術(shù)：

1、電弧增材制造技術(shù)(wire?arc?additive?manufacture，waam)利用逐層熔覆原理，采用焊接電弧為熱源，通過絲材的添加，在軟件程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件。

2、在生產(chǎn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件時，因焊接機器人可達性、姿態(tài)和工件結(jié)構(gòu)問題使得工件無法一次增材成形。通過將工件分成多個部件增材完成后進行組裝、拼焊的方式可以完成工件生產(chǎn)，但會增加工件生產(chǎn)時間，降低連接處的力學(xué)性能。為了提高生產(chǎn)效率，增加分區(qū)連接處的力學(xué)性能，本發(fā)明通過模型處理、分區(qū)、數(shù)值模擬和擬合得到毛坯件模型和分區(qū)間距，并在增材過程中對分區(qū)連接處進行監(jiān)控和增減材，提出一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的分區(qū)增材制造方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的分區(qū)增材制造方法，可以解決背景技術(shù)中所指出的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的分區(qū)增材制造方法，包括如下步驟：

4、步驟s1、基于增材制造特點和工件結(jié)構(gòu)對三維模型進行優(yōu)化，得到毛坯件模型；

5、步驟s2、通過單道單層試驗得到焊縫余高，對毛坯件模型進行切片；

6、步驟s3、按照毛坯件模型尺寸及結(jié)構(gòu)對切片進行分區(qū)，并通過數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)擬合獲得分區(qū)之間的間距；

7、步驟s4、確定不同分區(qū)的填充路徑方式，得到分區(qū)增材路徑；

8、步驟s5、增材過程中對分區(qū)連接處進行監(jiān)控和增減材，得到毛坯件。

9、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述步驟s1進一步為：

10、步驟s11、基于電弧增材工藝特性，將原始模型中的孔洞、窗口補齊，形成規(guī)則的幾何形狀；

11、步驟s12、基于工件結(jié)構(gòu)，在厚度≤10mm工件結(jié)構(gòu)區(qū)域的內(nèi)壁區(qū)域增加7mm余量，外壁增加8mm余量，得到毛坯件模型。

12、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述步驟s2進一步為：

13、步驟s21、通過單道單層焊接得到多道焊縫，在焊縫成形穩(wěn)定位置每間距10mm截取1處橫截面(橫截面垂直于焊接方向)，共選取10處，通過研磨、腐蝕得到熔池界面，測量得到焊縫的平均熔寬w和平均余高h，即焊縫熔寬w和焊縫余高h；

14、步驟s22、以焊縫余高h作為單層切片高度，對毛坯件模型進行切片，切片層數(shù)m：

15、

16、式中，zmax為z方向最大值，zmin為z方向最小值，h為焊縫余高。

17、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述步驟s3進一步為：

18、步驟s31、確定工件長度m、寬度n和機器人工作范圍c，若m＞c或n＞c，則按照工件尺寸對切片輪廓進行分區(qū)，使分區(qū)處在機器人工作范圍內(nèi)；

19、步驟s32、按尺寸進行分區(qū)后，若分區(qū)中存在圓環(huán)結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)和懸空結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)時，需進一步對工件進行分區(qū)，按照特殊結(jié)構(gòu)的最小面積進行進一步分區(qū)，減少特殊結(jié)構(gòu)分區(qū)對增材的影響；

20、步驟s33、確定各個分區(qū)的增材制造順序，如果存在內(nèi)部分區(qū)，則先增材內(nèi)部分區(qū)，再增材外部分區(qū)；

21、步驟s34、相鄰分區(qū)之間的填充路徑為平行的直線路徑；

22、步驟s35、通過構(gòu)建分區(qū)連接處的三維多物理場耦合瞬態(tài)模型模擬分區(qū)間的平行直線路徑的連接過程，得到不同分區(qū)間距下的連接處高度；

23、構(gòu)建三維多物理場耦合瞬態(tài)模型包括基本假設(shè)、控制方程、幾何模型、加載材料屬性和邊界；

24、基本假設(shè)包括以下內(nèi)容：忽略焊絲、電弧以簡化模型，僅考慮熔滴和熔池凝固；通過不同溫度下金屬動力粘度的變化模擬熔池的熔化凝固過程，因此，本模型只考慮液相和氣相；模型中的液相和氣相均為不可壓縮流動的層流；

25、三維多物理場耦合瞬態(tài)模型的控制方程包括納維-斯托克斯方程、傳熱方程和水平集方程；

26、納維-斯托克斯方程：

27、

28、傳熱方程：

29、

30、水平集方程：

31、

32、式中，ρ為密度，υ為速度，p為壓力，t為溫度，f為動量源項，μ為動力粘度，i為單位矩陣，cp為比熱容，k為熱導(dǎo)率，q為能量源項，∈ls為界面厚度參數(shù)，γ為界面移動速度，φ為水平集函數(shù)，φ為1時為液相，φ為0時為氣相，0<φ<1時為氣液過渡界面；

33、將待解微分方程進行離散化分割，將流動區(qū)域劃分為若干個子域單元，每個子域單元的頂點稱為節(jié)點；將離散化分割后的多個單元有限元方程組成連續(xù)體，并將各個單元平衡方程矩陣和向量進行對應(yīng)組合，形成整體有限元矩陣方程；將已知的邊界條件應(yīng)用到整體有限元矩陣方程中，以限制解的范圍；通過迭代方法得到納維-斯托克斯方程中速度υ和壓力p的數(shù)值解，通過迭代方法得到傳熱方程中溫度t的數(shù)值解，通過迭代方法得到水平集方程中水平集函數(shù)φ的數(shù)值解；

34、動量源項f包括浮力項和表面張力；

35、浮力作用在液相域，浮力項為：

36、f1＝ρβg(t-tm)

37、ρ為關(guān)于溫度的密度函數(shù)，β為熱膨脹系數(shù)，tm為固相線溫度；

38、表面張力作用在氣液界面上，表面張力為：

39、f2＝γ0-σ(t-t0)

40、γ0為表面張力，σ為表面張力系數(shù)，t0為環(huán)境溫度；

41、能量源項q為熔池表面的電弧熱輸入；電弧熱輸入q(r)呈高斯分布：

42、

43、η為吸收率，u為電壓，i為電流，r0為電弧有效半徑，r為水平方向上任意一點至電弧中心的距離；

44、熔滴水平集入口為：

45、

46、通過條件判斷函數(shù)if(r<r1,φi,0)引入熔滴，r1為熔滴半徑，f為熔滴過渡頻率，t為時間，熔滴溫度為tl+200k，tl為液相線溫度；

47、建立幾何模型，其中包括氣相域和液相域，氣相域在液相域上方，氣相域和液相域的寬度為焊縫熔寬w的4倍，氣相域和液相域的長度為50mm，氣相域高度為弧長，液相域高度為焊縫余高h的4倍，采用六面體構(gòu)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；

48、加載材料屬性，氣相域為氬氣，液相域為2219鋁合金，材料屬性包括密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù)k(即熱導(dǎo)率k)、動力粘度μ、比熱容cp；

49、液相區(qū)域的動力粘度為：

50、

51、tm為固相線溫度，tl為液相線溫度，通過不同溫度下的動力粘度變化模擬熔池的熔化凝固；其余材料屬性均為關(guān)于溫度的函數(shù)；

52、當溫度高于tl時，熔滴、熔池熔化；

53、當溫度低于tm時，熔滴、熔池凝固；

54、當溫度處在tl和tm之間時，為熔化區(qū)域和凝固區(qū)域的過渡區(qū)；

55、當溫度高于tl時，動力粘度為0.1n*s/m2，連續(xù)的熔化熔滴進入熔池中；

56、當溫度低于tm時，動力粘度為10000n*s/m2，熔池開始冷卻、凝固并形成兩道焊縫；通過測量兩道焊縫中間的高度得到連接處的高度；

57、液相邊界條件包括熱對流邊界和熱輻射邊界；熱對流邊界為：

58、qc＝hc(t-t0)

59、式中，hc為對流系數(shù)，t0為環(huán)境溫度；

60、熱輻射邊界為：

61、qr＝εσ0(t4-t04)

62、式中，ε為熱輻射率，σ0為斯蒂芬–玻爾茲曼常數(shù)；

63、液相邊界的邊界條件為：

64、ql＝-qc-qr

65、分區(qū)間距小于0.4×w時，間距過??；

66、分區(qū)間距大于0.8×w時，間距過大；

67、分區(qū)間距設(shè)置為0.4×w到0.8×w之間，記為z’，從0.4×w以0.05×w的寬度遞增至0.8×w；分區(qū)間距分別為0.4w，0.45w，0.5w，0.55w，0.6w，0.65w，0.7w，0.75w，0.8w；

68、設(shè)置瞬態(tài)求解器，通過參數(shù)化掃描獲得不同分區(qū)間距連接處高度h’；

69、步驟s36、對參數(shù)化掃描得到的連接處高度h’與分區(qū)間距z’進行擬合，得到分區(qū)連接處高度與分區(qū)間距的函數(shù)；將試驗得到的焊縫余高h代入擬合方程中，得到實際分區(qū)間距z。

70、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述步驟s4進一步為：

71、步驟s41、每個分區(qū)確定不同的路徑參數(shù)，得到分區(qū)增材路徑；

72、步驟s42、將軟件中仿真路徑下發(fā)到機器人程序中，控制機器人按照路徑在基板表面移動，確保增材路徑能夠執(zhí)行。

73、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述步驟s5進一步為：

74、步驟s51、通過紅外熱像儀、三維掃描儀和示教器實時監(jiān)控分區(qū)連接處的成形情況、熔池溫度、焊接電流和電壓；

75、步驟s52、每層增材過程中，如果觀察到分區(qū)連接處高度大于1.1倍的焊縫余高h，則將分區(qū)間距z增加5％，降低分區(qū)連接處高度；

76、步驟s53、每層增材結(jié)束后，若分區(qū)連接處高度大于1.1倍的焊縫余高h，則使用減材設(shè)備加工去除高出焊縫余高h的部分；

77、步驟s54、每層增材過程中，如果觀察到分區(qū)連接處存在未熔合，則將分區(qū)間距z降低5％，消除分區(qū)中的未熔合；

78、步驟s55、每層增材結(jié)束后，若分區(qū)連接處存在未熔合，則使用增材設(shè)備填充未熔合區(qū)域，再使用減材設(shè)備去除高出焊縫余高h的部分；

79、步驟s56、重復(fù)步驟s51至步驟s55，直至得到毛坯件。

80、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

81、本發(fā)明通過分區(qū)電弧增材的方式，優(yōu)化幾何模型，并對幾何模型進行分區(qū)。通過數(shù)值模擬進行參數(shù)化掃描快速得到不同分區(qū)間距下的連接處高度，再使用擬合得到分區(qū)間距與連接處高度的函數(shù)，將實際焊縫余高h代入擬合函數(shù)中得到合理的分區(qū)間距。在分區(qū)連接處進行實時監(jiān)控和使用增減材工藝，使大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件能夠一次快速成形，無需將工件拆分后再進行組裝和拼焊，提高了分區(qū)連接處的性能，降低了生產(chǎn)周期，實現(xiàn)了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分區(qū)增材制造。

82、本發(fā)明公開了一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的分區(qū)增材制造方法，主要包括：基于增材制造特點和工件結(jié)構(gòu)對三維模型進行優(yōu)化及分解；以單道焊縫的高度作為切片高度，得到切片輪廓多邊形；設(shè)定分區(qū)參數(shù)，按照毛坯件尺寸及結(jié)構(gòu)，對切片進行分區(qū)，并通過參數(shù)化數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)擬合獲得分區(qū)之間的間距；確定不同分區(qū)的填充路徑方式，得到分區(qū)增材路徑；增材過程中對分區(qū)連接處進行監(jiān)控和增減材，得到毛坯件。通過優(yōu)化模型，對模型進行合理的分區(qū)，并實時監(jiān)控和增減材處理分區(qū)連接處，再保證打印效率的同時增加了分區(qū)連接處的力學(xué)性能，降低了大型工件的生產(chǎn)周期。