基于电弧增材制造的电弧信息检测及其弧长特征识别研究

摘要

电弧作为增材制造中熔化填充金属材料的热源，涉及到大量的热、力、声等物理特征信息，这些信息体现了电弧的动态行为特征，反映了电弧增材制造过程中金属沉积的宏观结构变化特征。　　本文建立了TIG电弧增材制造的电弧信息检测分析系统，对电弧力、电弧热、电弧声波以及电弧图像等特征信息进行实时采集，研究了不同电弧参数下的电弧热、力学以及声波信号特征，并对TIG电弧的温度场和电磁场进行了数值模拟。此外，基于电弧声波信号检测系统，分析了电弧弧长渐变条件下声波信号波形特征，运用高通滤波和小波分析方法提取电弧弧长变化下的极值曲线，建立了声波信号与电弧弧长的数学模型，并对不同电弧电流条件下定弧长和变弧长的电弧弧长模型进行验证并作误差分析，以实现了对TIG电弧增材制造过程中电弧弧长的预测。　　研究结果表明，TIG电弧压力在弧柱中心轴线处最大，并沿径向基本呈对称分布；通过建立热量计系统可计算出金属母材对电弧的热吸收能量和热源效率；电弧电流、电弧弧长与电弧压力、电弧热输入能量存在密切相关性。利用TIG电弧作为增材制造热源，以电弧弧长在3mm～7mm变化范围内进行金属熔滴沉积，发现金属沉积层的高度和宽度随着电弧弧长变化有所改变，说明了电弧弧长对沉积层宏观形貌的影响。随着电弧弧长增加，电弧峰值压力呈逐渐减小的趋势，金属对电弧热的吸收能量和热源效率则有所提高，其中弧长在4mm时热源效率最为稳定。TIG电弧的温度场和电磁场数值模拟结果表明，随着电弧弧长的增加，电弧沿径向温度呈递减分布，热源半径逐渐增加，电流密度和电弧电压分布体现出各自的能量分布特性。在定弧长和变弧长条件下采用高通滤波和小波分析方法建立声波信号与电弧弧长的数学模型，弧长的模型计算值均可以接近实测值，从而为电弧增材制造中通过检测声波信号预测和控制电弧弧长奠定了理论基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 增材制造技术研究现状

1.3 电弧增材制造成形过程质量监控研究现状

1.4 课题主要研究的内容

2 TIG电弧增材制造实验系统构建

2.1 电弧增材制造实验系统构建

2.2 电弧增材制造实验方案设计

2.3 电弧信息检测实验系统

2.4 本章小结

3 TIG电弧信息特征分析

3.1 电弧信息特征

3.2 电弧信息的相关性分析

3.3 本章小结

4 TIG电弧弧长变化的影响及其能量特征分析

4.1 弧长变化对增材沉积成形的影响

4.2 电弧弧长变化的热、力学特征

4.3 TIG电弧数值模拟分析

4.4 本章小结

5 基于声波信号的TIG电弧弧长特征识别

5.1 TIG电弧弧长变化下的声波信号特征

5.2 TIG电弧弧长模型建立及验证

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果