本发明专利技术属于电弧增材领域，具体涉及一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置。利用仿真手段得到电弧增材制造构件应力应变实时云图，从而判断增材构件各个时刻的残余应力分布情况，有针对性地对增材构件进行超声波应力测量，减少超声波应力测量次数的同时降低了测量数据不能有效反映最大残余应力的可能性，提升了工作效率。同时通过仿真数据以及实际残余应力测量数据，使在增材过程中能及时有效地进行振动时效以及去应力退火处理，避免增材过程中残余应力的不断累积，从而有效地控制增材构件的残余应力及变形，使能有效地进行大型增材构件的制造并提高大型构件的整体使用性能。用性能。用性能。
【技术实现步骤摘要】
一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置
[0001]本专利技术属于电弧增材领域，具体涉及一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置。
技术介绍
[0002]电弧增材制造是一种以电弧为热源，利用智能增材机器人系统自上而下地堆积出所需零件的先进数字化制造技术。与其他增材制造技术相比，电弧增材制造技术具有沉积效率高，丝材利用率高，可降低整体制造周期、减少成本等诸多优点。
[0003]但是对于大型构件电弧增材而言，堆积层数多，热输入过大，增材件不同部位存在明显的温度差，导致增材结束后构件内部会产生较大的残余应力以及变形。最终，影响零件的综合使用性能，从而限制了电弧增材制造技术的广泛应用。
[0004]目前针对上述缺点的应对方法主要有碾压法、锤击法、增材完后热处理法以及振动时效法。但是以上方法对于大型构件电弧增材也有一定的不足，碾压法、锤击法以及振动时效法去除残余应力有限，增材成形后仍然有较大残余应力及变形；大型构件增材完成后有些大变形已经发生，裂纹等缺陷已经生成，再进行热处理难以完全去除残余应力以及变形，裂纹等缺陷无法修复。
[0005]近年来，CN112894077A公开了一种用于电弧增材过程中的振动和增材后的构件的振动时效处理的装置和方法，对于小型增材构件能有效地消除构件的应力变形，但该装置与方法对于大型增材构件而言无法有效地消除应力变形；同时，每一层均进行振动时效导致增材总耗时过长，影响工作效率。另外，CN112935469A公开了一种基于数值模拟与应力监控的双面电弧增材制造装置及方法，该方法利用数值模拟进行工艺优化，确定最佳翻转时间，旋转变位机连接的基板的上下表面分别交替进行电弧增材，使得在两个构件上的产生的应力相互作用，达到减少残余应力，控制应力变形的目的，但是无法应用于大型增材构件的单面增材。因此，需要一种既能有效消除大型增材应力变形，又能高效率进行电弧增材的方法来进行大型增材构件的单面增材制造。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置，以解决目前电弧增材制造大型构件过程中残余应力分布集中、成形件变形大的问题。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一，绘制电弧增材构件及其生产工位的整体3D模型并导入机器人离线编程软件，规划增材最优路径并生成切片文件，导入机器人操作控制系统，控制电弧增材过程；
[0009]步骤二，根据步骤一得到的增材路径，采用计算机仿真软件仿真得到电弧增材制造构件各个时刻的残余应力分布云图；同时整理每增材一层金属后，已增材部分的残余应力分布云图，分析得出每增材n层后，已增材部分构件残余应力最大的区域，其中n>1；
[0010]步骤三，增材工作台安装在大橡胶垫上方并接地，将基板固定在增材工作台上，安装振动时效系统；
[0011]步骤四，启动增材机器人进行构件逐层堆积，同时启动振动时效系统，调节振动频率，使基板振动加速度在1～5g之间，熔池处于微振动状态；
[0012]步骤五，根据步骤二得到的增材过程中每增完一层金属后构件的残余应力分布云图，判断是否需要进行振动时效处理；若云图显示已增材部分最大残余应力超过0.5σ
0.2
，停止电弧增材，调节振动频率，使增材构件处于共振状态；若云图显示已增材部分最大残余应力低于0.5σ
0.2
，进行后续增材；
[0013]步骤六，根据步骤二得到的增材仿真结果，得到每增材n层金属后构件残余应力分布云图；每当增材完第n的倍数层后，停止增材并关闭振动时效系统，将超声波探头放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，测量该区域实际残余应力值；根据实际测量残余应力值的大小，判定进行步骤七、八、九中的一个步骤；
[0014]步骤七，若实测值≥0.75σ
0.2
，即材料屈服强度时，停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，待去应力退火完成后，重复步骤三、四、五、六，直至增材构件完成；
[0015]步骤八，若实测值低于0.5σ
0.2
，则直接重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；
[0016]步骤九，若实测值介于0.5σ
0.2
与0.75σ
0.2
之间，则停止电弧增材过程，调节振动频率，使构件处于共振状态，然后重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；
[0017]步骤十，增材结束后，进行振动时效处理，关闭装置，完成增材制造全过程。
[0018]进一步的，步骤五中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为1
±
0.5h。
[0019]进一步的，步骤九中的共振状态为：振动加速度≥20g，共振时间为2
±
0.5h。
[0020]进一步的，步骤十中的振动时效处理具体为：振动加速度≥20g，共振时间为4
±
0.5h。
[0021]进一步的，所述电弧增材类型为可以为TIG、MIG或等离子电弧增材。
[0022]一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的装置，包括增材制造装置，振动时效装置，超声波测应力装置和计算机软件系统；
[0023]增材制造装置包括从下到上依次设置的大橡胶垫、增材工作台和基板，还包括增材机器人和机器人操作控制系统，增材工作台连接地线；增材机器人在基板上进行增材堆积；
[0024]振动时效装置包括：振动时效控制仪，激振器，加速度传感器；激振器固定在增材工作台上，加速度传感器固定于基板上表面侧边中心；
[0025]超声波测应力装置放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，用于测量该区域实际残余应力值；
[0026]计算机软件系统包括3D建模软件，机器人离线编程软件，网格划分软件以及计算机仿真软件。
[0027]进一步的，机器人离线编程软件用于计算规划增材机器人的增材运动轨迹；
[0028]3D建模软件用于绘制增材工位3D图以及增材构件每道焊缝的3D模型；
[0029]网格划分软件用于对增材构件每道焊缝的3D模型进行网格划分；
[0030]计算机仿真软件用于对构件增材过程中的应力变形进行仿真，得到每增材一层金
属后已增材部分的应力变形情况，为超声波应力测量提供测量位置以及为振动时效何时开启提供根据。
[0031]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0032](1)本专利技术的方法以及装置，通过电弧增材仿真预先了解增材过程中构件的应力分布以及变形情况，判断每增材一层金属后的最大残余应力区域以及数值，利用超声波测应力仪对构件残余应力可能为最大的区域进行测量，实时掌握构件的最大残余应力实际情况，再通过仿真模拟结果以及超声波测应力结果，及时有效地进行振动时效以及热处理，而不是盲目地进行振动时效处理或热处理，从本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，绘制电弧增材构件及其生产工位的整体3D模型并导入机器人离线编程软件，规划增材最优路径并生成切片文件，导入机器人操作控制系统，控制电弧增材过程；步骤二，根据步骤一得到的增材路径，采用计算机仿真软件仿真得到电弧增材制造构件各个时刻的残余应力分布云图；同时整理每增材一层金属后，已增材部分的残余应力分布云图，分析得出每增材n层后，已增材部分构件残余应力最大的区域，其中n>1；步骤三，增材工作台安装在大橡胶垫上方并接地，将基板固定在增材工作台上，安装振动时效系统；步骤四，启动增材机器人进行构件逐层堆积，同时启动振动时效系统，调节振动频率，使基板振动加速度在1～5g之间，熔池处于微振动状态；步骤五，根据步骤二得到的增材过程中每增完一层金属后构件的残余应力分布云图，判断是否需要进行振动时效处理；若云图显示已增材部分最大残余应力超过0.5σ
0.2
，停止电弧增材，调节振动频率，使增材构件处于共振状态；若云图显示已增材部分最大残余应力低于0.5σ
0.2
，进行后续增材；步骤六，根据步骤二得到的增材仿真结果，得到每增材n层金属后构件残余应力分布云图；每当增材完第n的倍数层后，停止增材并关闭振动时效系统，将超声波测应力装置探头放置在构件已增材部分残余应力云图显示的残余应力最大的区域，测量该区域实际残余应力值；根据实际测量残余应力值的大小，判定进行步骤七、八、九中的一个步骤；步骤七，若实测值≥0.75σ
0.2
，即材料屈服强度时，停止电弧增材过程，将构件送往热处理炉中进行去应力退火，待去应力退火完成后，重复步骤三、四、五、六，直至增材构件完成；步骤八，若实测值低于0.5σ
0.2
，则直接重复步骤四、五、六，直至增材构件完成；步骤九，若实测值介于0.5σ
0.2
与0.75σ
0.2
之间，则停止电弧增材...
【专利技术属性】
技术研发人员：范霁康，张建，杨东青，黄勇，王克鸿，彭勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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