【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种减小金属基板翘曲变形的方法及装置，属于gma电弧金属增材制造。
技术介绍
1、金属增材制造与传统焊接技术有很多相似之处，电弧、电子束和激光作为热源实现材料熔化沉积，其中电弧增材制造工艺具有生产效率高，设备简单，成本低等优势，在大型金属结构件的制造方面具有明显优势。熔化极气体保护电弧gma增材制造技术作为电弧增材制造的一个重要分支，该技术通过高温电弧熔化丝材形成熔敷道，并在基板上自下而上的以逐层堆积方式成形金属构件，由于采用单热源多重加热模式，熔敷层在经历反复加热和冷却的过程中，产生了热应力和严重塑性变形。当经历多次热循环后，残余应力和变形很大程度的影响了增材件尺寸精度和使用性能。
2、基板的平整度对增材过程的成形精度至关重要，基板与熔敷层结合处应力较为集中，熔敷过程初期的热源局部加热和较高的温度梯度常会引起基板的翘曲变形，导致后续熔敷层尺寸误差累计，严重影响零件的加工精度。
3、目前，解决基板翘曲变形的方法有：
4、1、增加基板厚度，基板厚度增加可以很大程度的提高散热效率，减小热积累，同时厚度较大的基板具有较好的刚度，在增材过程中不易发生翘曲变，但是较厚的基板会对增材构件产生很大的残余应力；
5、2、进行基板预变形，该方法基于有限元模拟结果和前期实验经验，预判基板变形趋势，并在相应变形位置进行预变形，从而抵消增材过程中造成的基板变形；但是该方法的预变形很大程度的对增材过程的分层和路径规划造成困难；
6、3、进行基板整体预热，基板预热可以有效的减小温度梯
7、4、水冷降温，在增材过程中，在基板背面加水冷铜板，水冷能够加快基板与增材部件的散热，降低增材件和基板的峰值温度，减小基板的变形；
8、5、合理规划路径，基于对增材热过程的有限元模拟，优化熔敷路径，避免基板上出现热量集聚，可以有效的减少变形；但是针对不同形状的结构件，需分别研究具有最好散热效果的路径规划方案，工作量巨大。
技术实现思路
1、本专利技术为解决由于增材热源在基板单面多重反复局部加热，产生较大的热应力和温度梯度导致的基板翘曲变形问题，进而提出在基板背面增加一个与增材热源协调的、运动轨迹可编程的非熔化极电弧辅助矫形热源的方法，并设计配套装置。
2、本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术所述方法是通过在基板背面增加协调运动背面辅助矫形热源实现的。
3、本专利技术所述方法的具体步骤为：
4、步骤1、搭建具有基板背面附加协同运动背面辅助矫形热源的装置；
5、步骤2、确定基板在增材过程中的刚性固定位置，设计结构件gma电弧增材工艺参数、熔覆方向以及生长方向；
6、步骤3、对结构件的增材过程进行有限元仿真，预测增材过程中基板的变形信息，根据变形信息设计基板背面辅助矫形热源的运动路径和功率参数；并重新进行有限元仿真，确保基板背面附加的背面辅助矫形热源能减小基板变形；
7、步骤4、对背面调控热源运动轨迹进行优化，匹配不同路径与小功率热源，并采用有限元计算进行验证，设计结束后，开始电弧增材，在基板正面电弧将丝材熔覆在基板上并形成熔敷道，同时，基板背部的背面辅助矫形热源采用优化后的热源工艺参数和路径进行加热。
8、进一步的，所述具有基板背面附加协同运动背面辅助矫形热源的装置包括中间镂空的工作平台、xyz三方向传动系统、数字化控制器tig正面增材熔覆焊枪和用于固定基板的夹具。
9、进一步的，步骤3中的变形信息包括变形位置信息和变形趋势信息。
10、本专利技术所述装置包括正面增材熔覆焊枪、固定基板夹具、工作平台、基座、背面辅助矫形热源、增材基板和三维移动平台机构；工作平台固定在基座上，增材基板通过固定基板夹具固定在工作平台的上表面，正面增材熔覆焊枪位于增材基板的上方，所述三维移动平台机构安装在三维移动平台机构上，且所述三维移动平台机构位于工作台的下方，背面辅助矫形热源安装在所述三维移动平台机构上。
11、进一步的，所述三维移动平台机构包括承载平台、z方向直线导轨、x方向直线导轨和y方向直线导轨；工作平台由平面和两个立板组成，两个立板竖直并排设置，平面设置在两个立板之间，平面的两端分别与两个立板的上端固定连接成一体，立板的下端与基座固定连接，承载平台设置在两个立板之间，且承载平台位于平面的下方，z方向直线导轨固定安装在立板的内侧面，且z方向直线导轨沿长度方向的中心线与基座的上表面垂直，承载平台安装在z方向直线导轨上，且承载平台能沿z方向直线导轨直线往复移动，x方向直线导轨安装在承载平台的上表面，y方向直线导轨安装在x方向直线导轨上，且y方向直线导轨沿长度方向的中心线与x方向直线导轨沿长度方向的中心线垂直，y方向直线导轨能沿x方向直线导轨直线往复移动，背面辅助矫形热源固定安装在y方向直线导轨上。
12、进一步的，所述正面增材熔覆焊枪是电弧增材gma正面增材熔覆焊枪
13、进一步的，所述背面辅助矫形热源是非熔化极tig电弧。
14、本专利技术的有益效果是：
15、1、本专利技术从电弧增材制造温度场和应力场分析出发，利用对基板背面加热产生方向相反的翘曲变形的原理，首先对金属构件进行增材过程仿真模拟，预判变形的大致位置和趋势；基板背部矫形tig电弧热源以规划的矫形路径进行加热，抵消基板正面增材过程中产生的翘曲变形，从而对电弧增材过程中的基板变形进行限制；
16、2、本专利技术提供了gma电弧金属增材制造过程减小基板变形的方法，与目前广泛采用的加厚基板方法克制基板变形相比，本专利技术可采用较薄的基板，同样可以达到减小基板变形量的效果，极大地节省材料成本；同时，在电弧增材前进行科学有效的仿真分析，通过匹配基板背面调控热源的工艺参数和运动轨迹，可实现在设计轨迹下小功率热源抵消基板变形的目的，减少了热能消耗；
17、3、本专利技术的基板背面热源运动依靠灵活的三轴电控传动系统驱动，可实现多种复杂形状路径，大尺寸范围的加热，该方法不受增材件尺寸和形状的限制，更具有普适性。
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1.一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：所述一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法是通过在基板背面增加协调运动电弧热源实现的。
2.根据权利要求1所述的一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：在PLC工控器控制下，实现基板背面热源与增材热源协调同步运动和加热，该辅助矫形热源布置在伺服电机驱动下的传动系统上，可精准实现各种复杂运动轨迹的加热。
4.一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置包括正面增材熔敷焊枪(1)、固定基板夹具(2)、工作平台(3)、基座(5)、背面辅助矫形热源(9)、增材基板(10)和三维移动平台机构；工作平台(3)固定在基座(5)上，增材基板(10)通过固定基板夹具(2)固定在工作平台(3)的上表面，正面增材熔敷焊枪(1)位于增材基板(10)的上方，所述三维移动平台机构安装在工作平台(3
5.根据权利要求4所述的一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述三维移动平台机构包括承载平台(4)、Z方向直线导轨(6)、X方向直线导轨(7)和Y方向直线导轨(8)；工作平台(3)由平面(301)和两个立板(302)组成，两个立板(302)竖直并排设置，平面(301)设置在两个立板(302)之间，平面(301)的两端分别与两个立板(302)的上端固定连接成一体，立板(302)的下端与基座(5)固定连接，承载平台(4)设置在两个立板(302)之间，且承载平台(4)位于平面(301)的下方，Z方向直线导轨(6)固定安装在立板(302)的内侧面，且Z方向直线导轨(6)沿长度方向的中心线与基座(5)的上表面垂直，承载平台(4)安装在Z方向直线导轨(6)上，且承载平台(4)能沿Z方向直线导轨(6)直线往复移动，X方向直线导轨(7)安装在承载平台(4)的上表面，Y方向直线导轨(8)安装在X方向直线导轨(7)上，且Y方向直线导轨(8)沿长度方向的中心线与X方向直线导轨(7)沿长度方向的中心线垂直，Y方向直线导轨(8)能沿X方向直线导轨(7)直线往复移动，背面辅助矫形热源(9)固定安装在Y方向直线导轨(8)上。
6.根据权利要求5所述的一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述正面增材熔敷焊枪(1)是电弧增材GMA焊枪。
7.根据权利要求5所述的一种减小GMA电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述背面辅助矫形热源(9)是非熔化极TIG电弧。
...【技术特征摘要】
1.一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：所述一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法是通过在基板背面增加协调运动电弧热源实现的。
2.根据权利要求1所述的一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的方法，其特征在于：在plc工控器控制下，实现基板背面热源与增材热源协调同步运动和加热，该辅助矫形热源布置在伺服电机驱动下的传动系统上，可精准实现各种复杂运动轨迹的加热。
4.一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置包括正面增材熔敷焊枪(1)、固定基板夹具(2)、工作平台(3)、基座(5)、背面辅助矫形热源(9)、增材基板(10)和三维移动平台机构；工作平台(3)固定在基座(5)上，增材基板(10)通过固定基板夹具(2)固定在工作平台(3)的上表面，正面增材熔敷焊枪(1)位于增材基板(10)的上方，所述三维移动平台机构安装在工作平台(3)上，且所述三维移动平台机构位于工作台(3)的下方，背面辅助矫形热源(9)安装在所述三维移动平台机构上。
5.根据权利要求4所述的一种减小gma电弧增材制造金属基板翘曲变形的装置，其特征在于：所述三维移动平台机构包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，闫涵，郭雯雯，李鑫磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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