【技术实现步骤摘要】
一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法及系统
本专利技术涉及一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法及系统，涉及增材制造领域。
技术介绍
电弧增材制造技术(WireArcAdditiveManufacture，WAAM)是一种采用电弧或等离子弧作为热源将金属焊丝熔化，在程序或软件控制下采用逐层熔覆原理，根据三维数字模型由线-面-体制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件的先进数字化制造技术。电弧增材制造技术具有制造成本低、材料利用率高、生产效率高等优点。近年来，采用电弧增材制造技术进行多层多道打印获得成形尺寸精度高、表面质量良好和力学性能优良的复杂金属零件受到广泛关注。电弧增材制造的成形零件由全焊缝金属组成，现有的多层多道电弧增材技术存在以下问题：电弧增材制造过程起收弧位置高度不一致，会造成弧坑塌陷；复杂金属零件结构特征较多，打印过程会出现高度不一致现象；电弧增材制造过程热输入量较大，液态熔池在没有约束的情况下极易向熔道两侧流动，会造成零件侧壁成形精度低。
技术实现思路
专利技术目的：一个目的...
【技术保护点】
1.一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征是包括以下步骤：/n步骤1、选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板，确定工艺参数；/n步骤2、生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径；/n步骤3、焊枪在机器人驱动下按生成的多层多道电弧增材路径运动。/n
【技术特征摘要】
1.一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1、选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板，确定工艺参数；
步骤2、生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径；
步骤3、焊枪在机器人驱动下按生成的多层多道电弧增材路径运动。
2.根据权利要求1所述的一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1进一步包括：
步骤1-1、确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：
V×F＝v×f
式中，V表示焊接速度，F表示焊缝截面积，v表示送丝速度，f表示焊丝截面积；
步骤1-2、将工件单道焊缝截面轮廓拟合成余弦函数模型，此时满足如下关系式：
f(x)＝acos(bx)
其中：
a＝H
则单道焊缝截面积预测值A为：
式中，W表示焊缝宽度，H表示焊缝高度；
步骤1-3、根据步骤1-1和步骤1-2的两式得到送丝速度与焊缝宽度与焊缝高度之间的关系式：
式中，V表示焊接速度，W表示焊缝宽度，H表示焊缝高度，f表示焊丝截面积；
步骤1-4、根据多层多道电弧增材路径，设计单层多道焊缝搭接模型，相邻焊缝搭接时，搭接处表面收缩形成曲面，S1和S2分别为焊缝搭接重熔部分面积和补充至搭接处凹陷区域的重熔部分面积，在理想搭接状态下，S1＝S2；
其中，
式中，各符号含义同上；
因此，得到相邻焊缝中心距为：
式中，L表示相邻焊缝中心间距(即填充间距)，W表示焊缝宽度；
步骤1-5、根据多层多道电弧增材制造路径，设计多层单道焊缝搭接模型，在堆积过程中，重熔区金属向两侧流淌，理想状态下，层间截面重熔区面积与两侧堆积面积相等，即：
SΔABC＝SΔCDE+SΔBFG
因此：
得到层高
式中，h表示层高，H表示焊缝高度；
步骤1-6、根据步骤1-3、步骤1-4和步骤1-5的式得到送丝速度与层高和填充间距之间的关系式:
式中，V表示焊接速度，L表示填充间距，H表示层高，f表示焊丝截面积；
步骤1-7、通过送丝速度读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：
式中，U表示电弧电压、I表示焊接电流，V表示焊接速度，k表示相对热传导率；
步骤1-8、将打磨平整的基板用无水乙醇或丙酮擦拭干净后通过固定夹具固定在工作台上，保证其水平。
3.根据权利要求1所述的一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2进一步包括：
步骤2-1、对打印工件的模型进行分层切片处理，设分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z0,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为ZMax,ZMid,ZMin；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：
式中，h表示层高；
若三角形满足ZMin＝ZMax,那么跳过此三角形；若三角形满足ZMax≤Z0,那么不考虑该三角形；若三角形满足ZMin＜Z0,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足ZMin＝Z0且ZMinn！＝ZMid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；
根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立。
4.根据权利要求3所述的一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征在于，完成分层关系矩阵建立后开始计算轮廓线：
步骤2-2、获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线；对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径；
步骤2-3、计算填充线段，首先计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值YMax、YMin，那么扫描线数量N为：
计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：
扫描线方程为：Y＝c
联立二式，得交点坐标：
对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：
根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵；
步骤2-4、将步骤2-3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；
步骤2-5、连接各填充线段；
步骤2-6、分层变向扫描：设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。
5.根据权利要求4所述的一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2-5进一步包括：定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左，具体方法如下：
步骤2-5a、每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；
步骤2-5b、在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；
步骤2-5c、填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止；
步骤2-5d、按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径。
6.一种金属结构多层多道复合电弧增材制造系统，其特征是包括如下模块：
包括用于放置特定金属结构件的基础组件；
用于生成外壁+短直线填充+分层变向填充路径的路径生成模块；
用于根据路径生成模块生成的外壁+短直线填充+分层变向切片路径进行跟踪焊接...
【专利技术属性】
技术研发人员：董巍，汤洪淝，程远，
申请(专利权)人：南京英尼格玛工业自动化技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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