PAAM过程参数监控及层间温度影响规律研究

摘要

等离子电弧增材制造(PAAM，Plasma Arc Additive Manufacturing)技术因其热源集中，成型效率更高、成型更加致密而被应用于各种难熔金属构件的快速成型。但由于等离子电弧热源的热输入量较大，自动增材制造过程中构件的质量和成型精度难以保证，使得构件可重复的全自动堆敷难以实现。因此本课题针对机器人PAAM过程开发了堆敷过程工艺参数及层间温度测控系统，将堆敷过程电流、电压工艺参数的监测与成型构件层间温度的监控相结合，并以Cr-Ni不锈钢直壁体堆敷件为研究对象进一步研究了堆敷过程层间温度与性能影响规律，以期实现复杂构件的全自动机器人PAAM。
　　首先设计并开发了机器人PAAM参数监控系统的硬件装置及系统，并对检测结果的准确性进行了校准，系统包括电流电压传感器模块、红外温度传感模块、调理电路模块、控制电路模块等。并通过设计高压隔离模块将等离子弧的高压信号进行隔离，解决了引弧时的高频高压信号对信息处理电路的干扰问题，实现了等离子弧电流电压的同步测量。成型件的层间温度测量采用红外传感器技术实现对层间温度的非接触实时检测，同时设计了层间温度控制策略，实现了成型件层间温度的定温度控制。
　　然后基于LabVIEW开发了PAAM参数监控系统的软件系统。软件系统分为PAAM数据采集界面和PAAM数据查询分析界面。PAAM数据采集软件界面通过数据分析子vi、堆敷状态判断子vi、数据统计和数据存储四大模块，实现了工艺卡设置、参数实时显示、数据分析、数据统计、温度反馈和数据存储等功能。PAAM查询分析界面通过波形读取和堆敷信息统计两大模块实现了对历史数据的查询、再现和统计。
　　接着基于所开发的等离子电弧增材制造系统，进行了以Cr-Ni不锈钢直壁体层间温度为变量的自动堆敷试验研究。并采用所开发的参数监控系统对其自动堆敷过程进行测控，采用阈值温度控制策略获得了层间温度分别为60℃、150℃、250℃、350℃和连续堆敷的直壁体构件，验证了监控系统运行的稳定性和有效性。并进一步研究了堆敷过程的参数特性，研究表明堆敷过程电流稳定，单向堆敷时电压呈增大趋势，往返堆敷过程由于消除了高度差电压整体表现平稳，堆敷层的冷却速率会随着层数的增加而降低。
　　最后研究了成型件层间温度对自动堆敷成型特性的影响规律，发现控制层间温度一致对保证成型表面和尺寸的均一性有明显效果，对硬度和晶粒尺寸无明显控制效果。随着层间温度的降低，堆敷体表面成型质量提高、堆敷层宽度、晶粒尺寸减小、堆敷层的显微硬度增大、成型效率却越来越低，综合考虑成型质量、精度和成型效率，确定150℃为该参数下的优选层间温度参数。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 电弧增材制造技术

1．2．1 电弧增材制造技术概述

1．2．2 电弧增材制造国内外研究现状

1．3 电弧增材制造过程参数采集研究现状

1．4 本文研究内容

2 PAAM过程参数监控系统硬件设计与构建

2．1 整体方案设计

2．2 等离子电弧增材制造系统构建

2．2．1 机器人控制系统设备

2．2．2 焊接堆敷系统设备

2．2．3 等离子弧控制器设计及制作

2．3 电参数采集模块设计与构建

2．3．1 电流及电压霍尔传感器

2．3．2 调理电路模块

2．3．3 等离子高频高压信号隔离模块

2．3．4 电压采集模块校准

2．4 层间温度采集与控制模块

2．4．1 红外温度传感器及控制器

2．4．2 温度测量校准

2．4．3 层间温度控制方法及控制电路设计

2．5 数据采集卡

2．5．1 USB4711-A数据采集卡

2．5．2 数据采集卡设置与校准

2．6 本章小结

3 PAAM参数监控软件系统设计与实现

3．1 软件整体方案设计

3．2 PAAM过程监控界面设计

3．2．1 堆敷工艺卡设置

3．2．2 数据分析模块

3．2．3 堆敷状态判断模块

3．2．4 温度反馈模块设计

3．2．5 堆敷层信息统计模块

3．2．6 数据存储模块设计

3．2．7 采集系统操作流程

3．3 PAAM历史查询界面设计

3．3．1 历史数据查询和再现模块设计

3．3．2 历史数据统计模块设计

3．3．3 查询系统操作流程

3．4 本章小结

4 等离子弧不锈钢多层单道堆敷数据采集试验及特性研究

4．1 不锈钢多层单道堆敷数据采集试验及堆敷程序设计

4．1．1 试验材料及工艺

4．1．2 直壁体堆敷程序设计

4．2 直壁体堆敷数据采集试验结果及参数特性研究

4．2．1 堆敷构件及外形特点

4．2．2 电流及电压波形特性

4．2．3 层间温度波形特性

4．3 本章小结

5 直壁体堆敷件层间温度对成型特性的影响规律研究

5．1 直壁体成型外观分析

5．2 直壁体成型尺寸分析

5．3 直壁体堆敷层微观组织分析

5．4 直壁体显微硬度分析

5．4．1 显微硬度测量方法及设备

5．4．2 层间温度对显微硬度的影响

5．5 直壁体成型效率分析

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和专利情况