本發(fā)明屬于電弧增材制造，具體涉及一種減小大型構(gòu)件電弧增材制造變形的方法。

背景技術(shù)：

1、電弧增材制造技術(shù)是一種3d打印工藝，通過電弧將金屬熔化并迅速凝固，從而實現(xiàn)材料的逐層堆積成形。該技術(shù)通過程序控制熱源的移動軌跡，逐層構(gòu)建出所需的零件形狀。與其他增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造對外界環(huán)境的要求不高，適應(yīng)性強，可應(yīng)用于多種成形環(huán)境和金屬材料近年來，電弧增材制造逐漸被引入航空航天領(lǐng)域，為其廣泛應(yīng)用和深入研究提供了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2、在大型構(gòu)件電弧增材制造過程中，由于金屬沉積層數(shù)多，易導(dǎo)致殘余應(yīng)力積累，這些殘余應(yīng)力往往會導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)翹曲、彎曲等問題。一旦構(gòu)件在增材過程中產(chǎn)生變形，新沉積的金屬層可能因偏離預(yù)定的沉積軌跡而加劇變形，導(dǎo)致變形量逐層累積。構(gòu)件變形不僅會導(dǎo)致構(gòu)件的加工精度減小，還可能引起應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋擴展，從而導(dǎo)致構(gòu)件的開裂與失效。此外，變形構(gòu)件的疲勞性能會因局部應(yīng)力的增加而顯著下降，服役過程中容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，縮短使用壽命。因此亟需一種減小大型構(gòu)件電弧增材制造變形的方法。

3、不少研究指出，在電弧增材過程中，基板的厚度對構(gòu)件最終的變形量有著較大的影響，隨著基板厚度的增加，構(gòu)件的變形量也隨之減小。在進行大型構(gòu)件電弧增材制造時構(gòu)件底層累積了大量的殘余應(yīng)力。傳統(tǒng)的基板結(jié)構(gòu)簡單，剛度有限，容易在電弧增材過程中產(chǎn)生較大的變形。為此設(shè)計了高剛度基板。希望通過增加基板的剛度來減少構(gòu)件的最終變形量。同時在電弧增材過中采用基板持續(xù)加熱法減小構(gòu)件在增材制造過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，并且進行階段去應(yīng)力熱處理矯形以消除構(gòu)件累積的應(yīng)力與變形量。以此減小大型構(gòu)件進行電弧增材制造所產(chǎn)生的變形。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種減小大型構(gòu)件電弧增材制造變形的方法，以解決電弧增材制造大型構(gòu)件過程中構(gòu)件產(chǎn)生較大變形的問題。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

3、一種減小大型構(gòu)件電弧增材制造變形的方法，包括如下步驟：

4、步驟(1)：電弧增材制造時基板采用高剛度基板，高剛度基板采用多塊板拼焊而成；剛度計算能保證在電弧增材構(gòu)件自重作用下，基板變形≤1mm/m。

5、步驟(2)：對高剛度基板表面進行打磨處理以去除其上氧化物以及其他表面雜質(zhì)。

6、步驟(3)：對高剛度基板進行持續(xù)性加熱，確保其溫度均勻升高，減少因溫差而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

7、步驟(4)：利用三維建模軟件繪制電弧增材構(gòu)件及其生產(chǎn)工位的整體3d模型，將模型導(dǎo)入機器人離線編程軟件。通過離線編程，精確規(guī)劃增材最優(yōu)路徑，并生成對應(yīng)的切片文件。隨后，將切片文件導(dǎo)入機器人操作控制系統(tǒng)。

8、步驟(5)：采用紅外線測溫槍對高剛度基板表面進行測溫，觀測溫度是否到達指定加熱溫度t。

9、步驟(6)：若測溫結(jié)果顯示基板表面溫度t未達到指定溫度t，則繼續(xù)進行加熱，并定時進行溫度的監(jiān)測；當測量溫度t達到指定溫度t時，則設(shè)置電弧增材所需的工藝參數(shù)，包括電流、電壓、送絲速度等關(guān)鍵參數(shù)，并根據(jù)步驟(4)中生成的增材路徑文件，啟動電弧增材設(shè)備，開始進行金屬的逐層堆積。

10、步驟(7)：在增材過程中，定期使用激光跟蹤掃描儀對高剛度基板平面的外形尺寸進行測量。將測量數(shù)據(jù)與原始基板模型進行對比，實時監(jiān)控基板的變形情況。

11、步驟(8)：若測量結(jié)果顯示基板的最大位置變形量δ＜0.5％×l(工件長度)，則繼續(xù)增材，并重復(fù)步驟(7)；若測量結(jié)果顯示基板的最大位置變形量δ≥0.5％×l(工件長度)，則立即停止增材，對大型增材構(gòu)件進行整體去應(yīng)力熱處理矯形。熱處理過程中需嚴格控制加熱和冷卻速率，以有效減小構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力。

12、步驟(9)：去應(yīng)力熱處理矯形完成后，采用激光跟蹤掃描儀測量基板的外形尺寸，同時使用超聲波應(yīng)力儀測量構(gòu)件的殘余應(yīng)力值，評估去應(yīng)力熱處理矯形的效果。

13、步驟(10)：若檢測結(jié)果顯示高剛度基板的變形量δ≥0.1％×l(工件長度)或最大殘余應(yīng)力≥100mpa，則認為去應(yīng)力熱處理矯形效果不達標，需重新對構(gòu)件進行去應(yīng)力熱處理矯形，直至殘余應(yīng)力和變形量降至目標范圍內(nèi)。若檢測結(jié)果顯示高剛度基板的變形量δ＜0.1％×l(工件長度)且最大殘余應(yīng)力＜100mpa，則說明去應(yīng)力熱處理矯形已顯著減小構(gòu)件的累積變形和殘余應(yīng)力。此時，繼續(xù)進行增材過程，并重復(fù)步驟(7)至步驟(10)，直至完成整個大型構(gòu)件的電弧增材制造。

14、進一步的，步驟(3)中，加熱基板加熱方式可采用火焰加熱或者電阻陶瓷片加熱。

15、進一步的，步驟(5)中，使用紅外測溫槍測量基板表面溫度時需多點測量，確保溫度分布均勻，避免高強基板表面局部溫度偏差對增材過程造成不利影響。

16、進一步的，步驟(5)中，指定加熱溫度t可根據(jù)具體增材制造金屬材料種類進行選擇。當所用增材構(gòu)件為鋼材料時，溫度t范圍為250±10℃，當所用增材構(gòu)件為鋁合金材料時，溫度t范圍為200±10℃，當所用增材構(gòu)件為鎂合金時，溫度t范圍為150±10℃。

17、進一步的，步驟(8)中，去應(yīng)力熱處理矯形方法采用去應(yīng)力退火熱處理與局部加熱機械矯形相配合的方法，去應(yīng)力熱處理工藝參數(shù)根據(jù)增材構(gòu)件的材料種類及尺寸具體決定。

18、進一步的，電弧增材類型為tig、mig或等離子電弧增材。

19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：

20、(1)本發(fā)明方法使用高剛度基板作為大型構(gòu)件電弧增材制造時沉積的襯底，能夠有效減小構(gòu)件的變形量；高剛度基板相比于普通基板，具有更高的抗變形能力；在相同外力作用下，其變形量顯著減?。辉诖笮蜆?gòu)件電弧增材制造過程中，由于底層金屬累積了大量殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)基板因剛度不足，容易發(fā)生較大的變形，從而導(dǎo)致構(gòu)件隨之變形，影響增材精度和構(gòu)件性能；相比之下，高剛度基板因具有更高的剛度能有效減小自身的變形量，從而顯著減小電弧增材過程中構(gòu)件的整體變形；

21、(2)本發(fā)明對殘余應(yīng)力起到了更好的調(diào)控作用，可以減小構(gòu)件因殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的變形；若僅在增材前對基板進行預(yù)熱，隨著增材過程的進行，基板將因熱交換快速喪失熱量，致使對構(gòu)件的保溫作用減弱；為此本研究提出在增材增材過程中對基板進行持續(xù)性加熱，以此來減小平衡構(gòu)件溫度場，起到了更好的殘余應(yīng)力控制效果，從而減少大型構(gòu)件在電弧增材制造過程中的變形量；

22、(3)針對大型構(gòu)件電弧增材過程中因殘余應(yīng)力引發(fā)的變形累積問題，本發(fā)明方法結(jié)合了階段性去應(yīng)力熱處理矯形法，當構(gòu)件在增材制造過程中應(yīng)力和變形累積至一定程度時，對構(gòu)件進行整體去應(yīng)力熱處理矯形，有效釋放構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，同時消除構(gòu)件累積的變形量；該方法顯著減小了構(gòu)件變形對沉積軌跡的影響，確保新沉積金屬的軌跡精度，從而有效減少大型構(gòu)件的最終變形量；

23、(4)本發(fā)明方法通過定期使用激光跟蹤掃描儀測量基板平面的外形尺寸，能夠全面、精確地監(jiān)測電弧增材過程中大型構(gòu)件的變形情況；通過實時獲取構(gòu)件變形數(shù)據(jù)，可以及時調(diào)整和優(yōu)化增材工藝；此外，該方法還為階段性去應(yīng)力熱處理矯形提供了時間參考依據(jù)，從而有效減小構(gòu)件變形的累積。