[发明专利]一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法

权利要求书

1.一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，所述的薄壁构件为多层结构，每层只有一个堆积道，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤一：确定薄壁构件的堆积条件，包括：薄壁构件的尺寸、基板尺寸、基板材料、填充丝材、堆积工艺参数、材料的热物理性能参数；

步骤二：电弧作为热源熔化填充丝材，并在基板上进行堆积；对基板上表面靠近第一堆积层处任一点进行测温，记录该点位置并获得该点的热循环曲线；基于被动视觉系统检测堆积过程中第二堆积层以上的任一堆积层熔池形貌，对采集图像进行处理并测量熔池长度；

步骤三：基于有限元仿真软件建立基板和堆积层的几何模型，对模型进行网格划分；

步骤四：在有限元仿真软件中设定基板和填充丝材的热物理性能参数，确定每一层的堆积路径和填充区域；

步骤五：设定基板和堆积层的散热边界条件，薄壁构件与周围环境的热交换作用包括热对流及热辐射，采用复合散热系数考虑其影响：

上述公式中，α为复合散热系数，ε_em为物体表面的发射率，σ_bol为玻尔兹曼常数，T为温度变量，T_amb为环境温度，α_con为对流散热系数；

步骤六：堆积过程中电弧热源模型选择双椭球热源模型，其热流分布密度为：

上述公式中，q_f为前半椭球内热流密度分布；q_r为后半椭球内热流密度分布；Q＝ηUI，η为热源有效系数；U为堆积电压；I为堆积电流；a、b、c_f、c_r为热源模型形状参数；f_f，f_r为前后椭球热量分布函数，f_f+f_r＝2；

步骤七：选择每一层堆积和冷却过程中加载的热源条件和散热边界条件，并设定时间步长；

步骤八：按堆积顺序选择工况，计算薄壁构件模型的温度场；模拟结束后，提取基板上表面与实验位置相同点的热循环曲线，并计算第二层以上任一层堆积时熔池的长度；将模拟获得的热循环曲线和熔池长度与步骤二中实测热循环曲线和熔池长度进行比较，若热循环曲线间的最大误差小于预设值且熔池长度间的误差小于预设值，则记录模拟中所用的热源模型形状参数，否则，返回步骤六，对热源模型形状参数进行微调，再计算，直到热循环曲线间的最大误差和熔池长度间的最大误差均小于对应的预设值为止；

步骤九：将调整后的双椭球热源模型形状参数加载到薄壁构件的数值计算中，模拟薄壁构件多层堆积过程温度场，从而完成对薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的预测。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤一和步骤四中的热物理性能参数包括材料的熔点、密度和泊松比，同时设定材料的热物理性能参数随温度变化。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤七中，在薄壁构件堆积过程中热源模型形状参数保持不变。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于步骤八中，微调的热源模型形状参数包括双椭球的前半长、后半长、深度和宽度。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于：步骤八中热循环曲线间的最大误差的预设值为12％，熔池长度间的误差的预设值为7％。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于电弧热源为钨极氩弧、熔化极气体保护电弧、冷金属过渡电弧或微束等离子弧。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，其特征在于所述的被动视觉系统包括摄像机、减光片和中心波长620-690nm滤光片。