GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法

摘要

本发明提供一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，包括步骤：完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；将GMAW焊枪升高一个层高，控制焊枪回到成形起弧端处；使成形件上表面温度冷却到20‑300℃；完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止；本发明可以有效地抑制同向式成形过程中零件端部产生的高度尺寸差异，减少成形过程产生的缺陷，确保GMAW增材制造在同向式成形方式中获得较高的成形尺寸精度，该方法为GMAW增材制造成形质量控制提供了可靠的技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种熔化极气体保护电弧(Gas metal arcwelding，GMAW)增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法。

背景技术

电弧填丝增材制造采用电弧作为热源，金属丝材作为填充材料，按照设定的成形方式逐层成形直至形成全焊缝金属零件。与传统的铸造和机械加工技术比较，电弧填丝增材制造成形的灵活性大，无需专用的夹具和工装，极大提高了材料利用率。更为重要的是，成形的构件致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能优良，与整体锻造件相比具有强度高、韧性好等优点。目前，电弧填丝增材制造技术从基础研究到应用开发已经受到研究者们的广泛关注。

电弧填丝增材制造常用的热源有熔化极气体保护电弧、钨极氩弧，等离子弧。金属构件成形方式主要有同向式成形和交错式成形。同向式成形是指成形过程始终沿同一方向进行，交错式成形是指相邻层间的成形方向相反。电弧填丝增材制造在成形时，总是呈现出起弧端高，熄弧端低的特性，如果采用同向式成形方式，则会在成形件两端产生很大的高度尺寸差异。当成形到一定层数时，起弧端会与焊枪喷嘴发生碰撞，熄弧端由于与焊枪喷嘴距离过大，成形层保护效果不好，进而产生气孔缺陷。上述缺陷均会致使电弧填丝增材制造过程无法继续进行。

针对上述同向式成形过程产生的缺陷，亟需开发一种GMAW增材制造同向式成形形貌控制方法，该技术的研究对于攻克GMAW增材制造成形形貌控制的难题具有十分重要的意义。目前国内外大多采用交错式成形方式来控制成形件起弧端与熄弧端差异，但尚未开展GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制的研究。

发明内容

本发明的目的在于解决现有GMAW增材制造同向式成形方式中，成形件起弧端和熄弧端高度尺寸差异的问题，提供一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种GMAW增材制造同向式成形方式成形形貌控制方法，包括如下步骤：

步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.2-1.5倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.7-0.95倍，起弧端成形长度设定为 8-15mm，熄弧端成形长度设定为8-16mm；

步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；

步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续20-1000ms后熄灭；

步骤四：将GMAW焊枪升高一个层高，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待1-5min，使成形件上表面温度冷却到20-300℃；

步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

作为优选方式，成形参数在起弧端长度和熄弧端长度内的变化增量是通过以下方式实现的：

(1)设定成形过程中成形电压在起弧端初始值U₁，稳定端成形电压U，熄弧端成形电压末端值U₂；成形速度在起弧端初始值V₁，稳定端成形速度V，熄弧端成形速度末端值V₂；成形电流稳定端I，熄弧端成形电流末端值I₂；起弧端长度L₁，熄弧端长度L₂，计算机采样周期P；

(2)根据下式求得成形电压、成形速度及成形电流的采样周期变化值：

ΔU_起＝|U-U₁|(V₁+V)P/(2L₁)

ΔU_熄＝|U-U₂|(V₂+V)P/(2L₂)

ΔV_起＝|V-V₁|(V₁+V)P/(2L₁)

ΔV_熄＝|V-V₂|(V₂+V)P/(2L₂)

ΔI_熄＝|I-I₂|(V₂+V)P/(2L₂)

其中：ΔU_起为起弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔU_熄为熄弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔV_起为起弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔV_熄为熄弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔI_熄为熄弧端成形电流在采样周期内的变化量。

作为优选方式，所述的平稳端成形电流为120-186A，成形速度4.2-7.3mm/s。

成形电流和成形速度对多层单道成形层质量的影响至关重要，成形电流过大或成形速度 过低会增大热输入，使得成形层熔池形貌不稳定，容易出现熔池流淌。相反，成形速度过高，造成电弧漂移，也会降低成形质量；成形电流过小，使得成形过程熔滴过渡不稳定。因此，本发明中，成形电流设定为120-186A，成形速度设定为4.2-7.3mm/s。

作为优选方式，起弧端成形速度的初始设定值是平稳端的1.2-1.5倍，成形电压的初始设定值是平稳端的1.2-1.4倍。

在成形起弧端，由于电弧正下方熔化的液态金属在电弧力作用下被推向熔池后方刚凝固的金属上，因此，起弧端成形尺寸高度大。本发明采取的控制方法是在起弧端增大成形速度和成形电压，这样有利于减小起弧端的成形高度。当起弧端的成形速度初始设定值与平稳端的比值小于1.2时，起弧端成形高度降低不明显，而设定值大于1.5倍时，则起弧端成形高度太小。起弧端成形电压与平稳端的比值小于1.2时，起弧端成形高度降低不明显，比值大于1.4时，起弧端成形尺寸过低。因此在本发明中，起弧端成形速度的初始设定值是平稳端的1.2-1.5倍，成形电压的初始设定值是平稳端的1.2-1.4倍。

作为优选方式，起弧端成形长度设定为10-13mm，熄弧端成形长度设定为9-13mm。考虑到堆积过程起弧端和熄弧端的长度一般小于15mm，在本发明中，起弧端和熄弧端长度必须设定在合理的范围，设定的长度过小，会致使起弧端成形尺寸控制效果不好，设定的长度过大，导致平稳端控制效果不好。因此本发明中，起弧端成形长度设定为10-13mm，熄弧端成形长度设定为9-13mm。

作为优选方式，熄弧端末尾处成形速度和成形电流是平稳端的0.7-0.9倍，熄弧端末尾处成形电压是平稳端的0.7-0.95倍。在本发明中，为了减小熄弧端倾斜面的长度，必须减小熄弧端的成形电流，但是同时必须相应地减小成形速度，才能保证熄弧端成形截面面积不变，同时在熄弧端减小成形电压，可以进一步增大熄弧端的高度尺寸。如果成形电流设定过小，则会影响熔滴过渡，如果电弧电压设定过小，则会使得熄弧端成形高度明显增大。因此本发明中，熄弧端末尾处成形速度和成形电流是平稳端的0.7-0.9倍，熄弧端末尾处成形电压是平稳端的0.7-0.95倍。

作为优选方式，每一层成形完成后，成形速度设定为零，电弧继续持续时间为150-545ms。在电弧增材制造的熄弧端始终存在一个弧坑，因此，在电弧运动到熄弧端末尾时，需要在弧坑处继续填充丝材。但是电弧继续熔化丝材的时间太短，不能有效地填充弧坑，填充的时间太长，容易在弧坑处引起填充金属量过多，使得熄弧端末尾处成形质量变差。因此本发明中，电弧继续持续时间为150-545ms。

作为优选方式，层间温度冷却至55-150℃。GMAW增材制造过程是单热源多重加热过程，电弧热源对母材的热输入大，因而必须严格控制成形层层间温度。层间温度直接决定了成形 质量与成形效率。如果层间温度较小，则成形过程中层间等待时间较长，降低了成形过程效率。另一方面，如果层间温度过高，会增强成形熔池的流动性，降低成形层表面质量。在本发明中，综合考虑成形效率与成形质量，成形层层间温度设定为55-150℃。

作为优选方式，成形前的准备工作为：将GMAW焊枪连接固定在L形铝合金板材上，L形铝合金板材固定在电机驱动十字滑架上，计算机通过PLC控制器发出I/O及脉冲信号实现电机驱动十字滑架的丝杠转动，继而控制GMAW焊枪的上下及左右运动，通过PLC控制器使焊枪运动到基板处，GMAW焊枪的喷嘴到基板上表面距离为12-15mm。

作为优选方式，基板为Q235低碳钢，填充丝材为高强度钢、钛合金、不锈钢或镍基高温合金材料其中的一种。

本发明的有益效果为：本发明的GMAW增材制造成形形貌控制方法可以有效地抑制同向式成形过程中零件端部产生的高度尺寸差异，减少成形过程产生的缺陷，确保GMAW在同向式成形方式中获得较高的成形尺寸精度，该方法为GMAW增材制造成形质量控制提供了可靠的技术支撑。

附图说明

图1电弧填丝增材制造同向式成形过程实现示意图

图2碳钢直壁结构件示意图

图3传统方法成形的同向式成形零件

图4同向式成形过程成形参数变化示意图

图5本发明所述方法成形的同向式成形零件

其中，1为工作台，2为基板，3为GMAW焊枪，4为成形件，5为“L”形铝合金板材，6为电机驱动十字滑架，7为PLC控制器，8为计算机。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

对比例

如图2所示，一种碳钢直壁结构件长160mm，高度30mm，宽度5mm。电弧填丝增材制造设备为Panasonic YD-500FR电源，图1所示的步进电机驱动十字滑架作为运动机构，GMAW增材制造平稳端参数为：成形电流150A，成形速度5mm/s，成形电压22V，成形过程用保护气为95％Ar+5％CO₂，填充材料为H08Mn2Si焊丝，丝材直径1.2mm，Q235基板尺寸为200mm ×100mm×10mm，堆积层层高为1.66mm，成形方式采用同向式成形。其采用传统方法成形过程如下，具体步骤如下：

步骤一：采用PLC控制器为主控制器，完成GMAW增材制造同向式成形过程各个执行动作的逻辑控制，包括起弧动作I/O控制与熄弧动作I/O控制、检气信号I/O控制、步进电机的I/O及脉冲信号给定控制，并编制PLC人机控制界面。

将GMAW焊枪通过螺纹连接固定在“L”形铝合金板材上，“L”形铝合金板材通过螺纹连接固定在电机驱动十字滑架上。计算机通过PLC控制器发出I/O及脉冲信号实现电机驱动十字滑架的丝杠转动，继而控制GMAW焊枪的上下及左右运动。通过PLC控制器使焊枪运动到基板右侧起弧点处，GMAW焊枪的喷嘴到基板上表面距离为13mm。手动开启GMAW增材制造电源与保护气，在焊接电源面板上设定成形电流150A，成形电压22V。

步骤二：焊枪在起弧点处起弧，完成第一层的成形，然后焊枪熄弧。将GMAW焊枪升高1.66mm，通过PLC控制器控制十字滑架带动焊枪回到成形起弧端处。层间等待3min，使成形件上表面温度冷却到100-150℃。

步骤三：继续重复步骤二，完成剩余层的成形，直到第20层成形结束为止。

成形20层后得到的直壁结构件如图3所示。

实施例

如图2所示，一种碳钢直壁结构件长160mm，高度30mm，宽度5mm。电弧填丝增材制造设备为Panasonic YD-500FR电源，图1所示的步进电机驱动十字滑架作为运动机构。其中，1为工作台，4为成形件。

成形前的准备工作为：将GMAW焊枪连接固定在L形铝合金板材5上，L形铝合金板材5固定在电机驱动十字滑架6上，计算机8通过PLC控制器7发出I/O及脉冲信号实现电机驱动十字滑架的丝杠转动，继而控制GMAW焊枪3的上下及左右运动，通过PLC控制器使焊枪运动到基板右侧起弧点处，GMAW焊枪的喷嘴到基板上表面距离为12-15mm。基板2为Q235低碳钢，填充丝材为高强度钢、钛合金、不锈钢或镍基高温合金材料其中的一种。

成形过程用保护气为95％Ar+5％CO₂，填充材料为H08Mn2Si焊丝，丝材直径1.2mm，Q235基板尺寸为200mm×100mm×10mm，成形方式采用同向式成形。

为实现GMAW增材制造同向式成形方式成形参数的自动控制，需要完成该过程的计算机过程控制。在VC++环境下编制计算机控制程序，开发成形参数控制算法程序，采用PLC控制器为主控制器，完成GMAW增材制造同向式成形过程各个执行动作的逻辑控制，包括起弧动作I/O控制与熄弧动作I/O控制、检气信号I/O控制、步进电机的I/O及脉冲信号给定控制，成形电流、成形电压的电信号D/A给定控制。编制PLC人机控制界面，实现上述各参数 的控制。

成形参数在起弧端长度和熄弧端长度内的变化增量是通过以下方式实现的：

(1)设定成形过程中成形电压在起弧端初始值U₁，稳定端成形电压U，熄弧端成形电压末端值U₂；成形速度在起弧端初始值V₁，稳定端成形速度V，熄弧端成形速度末端值V₂；成形电流稳定端I，熄弧端成形电流末端值I₂；起弧端长度L₁，熄弧端长度L₂，计算机采样周期P；

(2)根据下式求得成形电压、成形速度及成形电流的采样周期变化值：

ΔU_起＝|U-U₁|(V₁+V)P/(2L₁)

ΔU_熄＝|U-U₂|(V₂+V)P/(2L₂)

ΔV_起＝|V-V₁|(V₁+V)P/(2L₁)

ΔV_熄＝|V-V₂|(V₂+V)P/(2L₂)

ΔI_熄＝|I-I₂|(V₂+V)P/(2L₂)

其中：ΔU_起为起弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔU_熄为熄弧端成形电压在采样周期内的变化量，ΔV_起为起弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔV_熄为熄弧端成形速度在采样周期内的变化量，ΔI_熄为熄弧端成形电流在采样周期内的变化量。

实施例1

本实施例包括如下步骤：

步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.2倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.7倍，起弧端成形长度设定为8mm，熄弧端成形长度设定为8mm；平稳端成形电流为120A，成形速度4.2mm/s；

步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；

步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续20ms后熄灭；

步骤四：将GMAW焊枪升高1.5mm，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待1min，使成形件上表面温度冷却到20℃；

步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

实施例2

本实施例包括如下步骤：

步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.5倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.95倍，起弧端成形长度设定为15mm，熄弧端成形长度设定为16mm；平稳端成形电流为186A，成形速度7.3mm/s；

步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；

步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续1000ms后熄灭；

步骤四：将GMAW焊枪升高1.52mm，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待5min，使成形件上表面温度冷却到300℃；

步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

实施例3

本实施例包括如下步骤：

步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.4倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.9倍，起弧端成形长度设定为10mm，熄弧端成形长度设定为9mm；平稳端成形电流为150A，成形速度5mm/s；

步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；

步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续150ms后熄灭；

步骤四：将GMAW焊枪升高1.66mm，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待3min，使成形件上表面温度冷却到55℃；.

步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

成形20层后得到的直壁结构件如图5所示。

实施例4

本实施例包括如下步骤：

步骤一：采用PLC控制器完成GMAW增材制造过程起弧与熄弧动作I/O控制、成形电流及成形电压的电信号D/A给定控制，使起弧端的成形速度和成形电压是平稳端的1.3倍，熄弧端的成形速度、成形电流、成形电压是平稳端的0.8倍，起弧端成形长度设定为13mm，熄弧端成形长度设定为13mm；平稳端成形电流为135A，成形速度6.5mm/s，

步骤二：成形开始前，通过PLC人机控制界面完成成形速度、成形电流和成形电压在平稳端的初始设定，在起弧端成形长度内使成形速度和成形电压在到达平稳端时逐渐减小到平稳端的成形速度和成形电压值；

步骤三：当成形过程接近熄弧端时，在熄弧端长度内逐渐减小成形电流、成形速度、成形电压；成形方式结束后，PLC断开控制信号使成形速度为零，电弧继续持续545ms后熄灭；

步骤四：将GMAW焊枪升高1.44mm，通过PLC控制器控制焊枪回到成形起弧端处；层间等待4min，使成形件上表面温度冷却到150℃；

步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，完成剩余层的成形，直到整个结构件成形尺寸符合要求为止。

效果对比：表1所示为距离试件起弧端不同距离时、对比例和实施例3试件成形20层后的整体高度数据对比，对于对比例成形的直壁结构件来说，起弧端的高度为36.62mm，距离起弧端80mm处高度为33.92mm，熄弧端的高度为22.16mm，且起弧端与平稳端的高度差异为2.7mm，熄弧端与平稳端的高度差异为11.76mm。

对于实施例成形的直壁结构件来说，起弧端的高度为31.82mm，距离起弧端80mm处高度为33.4mm，熄弧端的高度为29.64mm，且起弧端与平稳端的高度差异为1.58mm，熄弧端与平稳端的高度差异为3.76mm。

对比上述2种方式成形的直壁结构件，可以看出，本发明提出的起弧端和熄弧端成形形貌控制方法降低了起弧端的高度，同时增加了熄弧端的高度，有效地减少了起弧端、熄弧端与平稳端尺寸差异。

表1对比例和实施例3成形高度数据比较

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。