一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法技术

本发明专利技术提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，属于机器人自动化制造技术领域。该方法首先在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度和宽度；使用抛物线拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型；然后焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；随后，将第二条焊道作为新的第一条焊道，对新的下一条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。本发明专利技术的预测结果与实际情况符合程度好，精确度高，可得到较好的焊道的横向连接结果。

A Prediction Method of Lateral Connection Morphology of Weld Bead in Arc Addition Manufacturing

The invention provides a method for predicting the transverse connection morphology of weld beads in arc augmentation manufacturing, which belongs to the field of robotic automation manufacturing technology. This method first solders the single weld bead on the base as the first weld bead, and measures the height and width of the first weld bead; uses parabola to fit the cross-section morphology of the first weld bead to construct the parabola model of the single weld bead cross-section; then solders the second weld bead and predicts the cross-section morphology of the second weld bead according to the tangent multi-pass model; and then, takes the second weld bead as the new first weld bead. The cross-sectional morphology of the next weld is predicted, and the predicted results of the cross-sectional morphology of all welds are obtained until the cross-sectional connection of all welds is completed. The predicted results of the present invention are in good agreement with the actual situation, and have high accuracy, and can obtain better results of transverse joint of weld beads.

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法
本专利技术提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，可以应用在机器人增材制造系统中，属于机器人自动化制造

技术介绍
增材制造是从三维模型中获取数据，通常通过层层叠加堆积，将材料进行连接制造出物体的过程，具有设备通用性强、工艺步骤简单、制造周期短、可制造复杂零件、材料利用率高、制造成本低等优势，适用于小批量、多品种的柔性生产模式。增材制造所用材料范围很广泛，包括聚合物、金属、陶瓷、沙土、玻璃、生物材料等，其中最常用的材料是聚合物和金属。金属增材制造与传统增材制造相比，所生产的功能件有良好的力学性能，可以直接进行工业应用，因此，近年来对于金属增材制造的需求也不断提高。在金属增材制造中，以电弧为热源进行增材制造具有能量效率高、生产成本低、技术成熟、成型件性能优良等优点，因此电弧增材制造(WireandArcAdditiveManufacturing，WAAM)是极具前途的方法。WAAM增材制造本质上是通过焊接过程实现的，需要将焊道在焊接平面内以及垂直平面的方向进行堆积，才能得到成型件。为了保证成型件的尺寸精度和成型质量，需要研究焊道堆积效果与工艺参数的关系，建立描述焊道堆积过程的模型，以实现对成型质量的控制。本专利技术中所指的“横向”是在当前焊接平面内，每个焊道与前一个焊道平行排列，并有一定重叠，经过多次焊接可以铺满一定的面积。在焊道横向堆积的过程中，由于焊道两两之间中心距的不同，所形成的焊道堆积结果的截面形貌也将不同，并且堆积结果的平整度与截面形貌直接相关。因为实际的WAAM过程需要进行多次的横向堆积，所以每次堆积的形貌对最终的成型件质量有很大的影响。因此，对焊道横向堆积结果的形貌预测是WAAM理论研究和实际应用中的关键技术：利用对横向堆积结果的形貌预测，可以获知一定参数下的堆积结果，预测成型质量；也可以根据应用中所需的堆积结果的形貌，来对焊接时参数的选择进行指导。要想对多个焊道的横向堆积结果的形貌进行预测，首先需对单个焊道的截面进行精确建模。当前已有的研究指出，在圆弧、抛物线、余弦曲线、高斯函数等多个模型中，抛物线模型是综合来说拟合效果最好的。图1展示了用抛物线拟合的单个焊道的截面，焊道依附在平面基底上，关于图中虚线对称；图中标出了焊道的宽度w和高度h。使用抛物线y＝ax2+b对其进行近似，则焊道宽度w、高度h与参数a、b有如下关系：h＝b。在单焊道模型采用抛物线的基础上，对多焊道的形貌预测方法有传统的基于经验的平顶多道模型。如图2所示，定义焊道之间的中心距为相邻两条焊道截面对称轴的间距，记为d，每条焊道宽度记为w，焊道高度记为h，同时定义两个相邻焊道峰值之间的连线与连线之下的上表面之间的面积为谷区面积，两条焊道之间重复交错的面积为重叠面积。在同一焊接工艺参数下，焊道的形貌尺寸被认为是恒定值，决定多道成形形貌的关键就在于焊道之间的中心距。当中心距d大于焊道宽度w时，两条焊道之间不相邻，不存在重叠面积；随着中心距d减小，重叠面积开始从零增长，谷区面积则不断下降；存在一个临界值dcritical，当d减小到临界值时，谷区面积与重叠面积相等，此时将产生理论上的最优平面状态；当中心距d进一步减小时，谷区面积小于重叠面积，重叠部分多于谷区的材料将覆盖在新成形的焊道上，使得新成形焊道尺寸增加，降低表面平整度。但是根据已有的实验观察，这种方法提出的临界值dcritical并不能获得平整的表面，反而会导致新堆积的焊道高度越来越高，产生不稳定的堆积状态。也就是说，这种传统的平顶多道模型并不能准确地反映实际情况，若采用这种模型进行实际的制造，将无法保证成型精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种电弧增材制造中的焊道横向连接形貌预测方法。本专利技术对横向连接形貌预测准确度高，与实际情况符合度好，有很高的应用价值。本专利技术提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数；在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；使用抛物线y＝ax2+b拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型，其中，a＝-4b/w2，b＝h；(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；具体方法如下：设相邻两条焊道的临界中心距dcritical＝0.738w，令A点是第二条焊道临近第一条焊道的端点，E点第一条焊道临近第二条焊道的端点，从A点出发与第一条焊道的截面轮廓垂直相交的点为B点，B点与第二条焊道相切于C点，第一条焊道和第二条焊道相交与F点，则切线谷区面积为SBFC，重叠面积为SAFE；根据第一条焊道和第二条焊道之间的中心距d和dcritical之间的大小关系，对第二条焊道的截面形貌进行预测：若d＝dcritical，SAFE＝SBFC，则第二条焊道保持与第一条焊道相同的高度，且两焊道最高点之间的凹陷最小，焊道表面平整；若dcritical＜d＜w，重叠面积SAFE小于切线谷区面积SBFC，则两条焊道之间的重叠部分填充切线谷区面积，此时两条焊道之间为欠填充；若重叠面积SAFE大于切线谷区面积SBFC，则两条焊道之间的重叠部分超出了填充切线谷区处的面积，此时第二条焊道的新的抛物线表达式为：y＝a(x-d)2+b2，其中b2为第二条焊道的高度；(3)将步骤(2)的第二条焊道作为新的第一条焊道，重复步骤(2)，对新的第二条焊道的截面形貌进行预测；直至所有焊道横向连接完毕，得到焊道横向连接的形貌预测结果。本专利技术的特点及有益效果在于：本专利技术以抛物线作为单焊道截面模型，推导得出切线多道模型及其相关参数，可信度高，本专利技术的预测结果与实际情况符合程度好，精确度高，可得到较好的焊道的横向连接结果；本专利技术可用于机器人电弧增材制造中单层成型，用于控制单层的形貌尺寸，对电弧增材制造的发展有重要意义。附图说明图1是对单焊道截面进行描述的抛物线模型示意图。图2是传统的平顶多道模型示意图。图3是本专利技术的切线多道模型的示意图。具体实施方式本专利技术提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明如下。本专利技术提出一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，包括以下步骤：(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数。在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；实际操作中，根据实际需要，在选定焊接工艺参数下，在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，在焊道的N处位置(本实施例为3处)分别测量该处的焊道的宽度和高度，将N处宽度测量值的平均值作为该焊道的宽度w，将N处高度测量值的平均值作为该焊道的高度h。使用抛物线模型描述单焊道的截面形貌，模型中，基底为x轴，焊道关于y轴对称。则抛物线模型y＝ax2+b中，a＝-4b/w2，b＝h。第一条焊道的截面形貌即可用抛物线描述。(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌。定义“焊道之间的中心距”为“相邻两条焊道截面对称轴的间距”，记为d，则第二条焊道的截面形貌与中心距d有关。本专利技术的切线多道模型的示意图如图3所示，图3(a)中各辅助线的作法如下：A点是第二条焊道的左侧端点，以A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数；在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；使用抛物线y＝ax2+b拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型，其中，a＝‑4b/w2，b＝h；(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；具体方法如下：设相邻两条焊道的临界中心距dcritical＝0.738w，令A点是第二条焊道临近第一条焊道的端点，E点第一条焊道临近第二条焊道的端点，从A点出发与第一条焊道的截面轮廓垂直相交的点为B点，B点与第二条焊道相切于C点，第一条焊道和第二条焊道相交与F点，则切线谷区面积为SBFC，重叠面积为SAFE；根据第一条焊道和第二条焊道之间的中心距d和dcritical之间的大小关系，对第二条焊道的截面形貌进行预测：若d＝dcritical，SAFE＝SBFC，则第二条焊道保持与第一条焊道相同的高度，且两焊道最高点之间的凹陷最小，焊道表面平整；若dcritical＜d＜w，重叠面积SAFE小于切线谷区面积SBFC，则两条焊道之间的重叠部分填充切线谷区面积，此时两条焊道之间为欠填充；若...

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造中焊道的横向连接形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定单焊道截面的抛物线模型及其参数；在基底上焊接单焊道作为第一条焊道，测量第一条焊道的高度h和宽度w；使用抛物线y＝ax2+b拟合第一条焊道的截面形貌构建单焊道截面的抛物线模型，其中，a＝-4b/w2，b＝h；(2)焊接第二条焊道，根据切线多道模型预测第二条焊道的截面形貌；具体方法如下：设相邻两条焊道的临界中心距dcritical＝0.738w，令A点是第二条焊道临近第一条焊道的端点，E点第一条焊道临近第二条焊道的端点，从A点出发与第一条焊道的截面轮廓垂直相交的点为B点，B点与第二条焊道相切于C点，第一条焊道和第二条焊道相交与F点，则切线谷区面积为SBFC，重叠面积为SAFE；根据第一条焊道和第二条焊道之...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐静，陈恳，陈苇航，吴丹，宋立滨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11