[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

说明书

本发明涉及一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法，包括确定薄壁构件的堆积条件；测量热循环曲线；观察第二堆积层以上任一堆积层熔池形貌；建模并划分网格；加载散热边界条件及热源参数；计算模型温度场，提取热循环参数并测量堆积层熔池长度，与试验数据对比，通过微调热源模型形状参数使热循环间的最大误差及熔池尺寸间的误差均小于预设值；将热源模型形状参数加载到薄壁构件的数值模型中，完成对电弧填丝增材制造温度场的预测；本发明采用数值计算方法，通过对比基板上的热循环参数及堆积层的熔池尺寸，精准地完成对薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测，对解决薄壁构件电弧填丝增材制造过程产生的残余应力及变形问题提供理论基础。

技术领域

本发明属于电弧填丝增材制造领域，更加具体地说，涉及一种基于有限元仿真软件的薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法。

背景技术

近年来，具有低成本、高效率的电弧填丝增材制造技术受到研究学者的广泛关注。多层单道薄壁构件作为电弧填丝增材制造金属构件的一种典型结构，其成形是采用单一热源多重加热模式并逐层累加填充材料的方式完成的。在成形过程中，多层堆积金属间前层对后层预热，后层对前层后热甚至重熔，导致薄壁构件经历复杂的热过程。而复杂的热作用是薄壁构件产生变形甚至开裂的主要因素。因此，准确地预测薄壁构件的温度场对获得其良好成形质量有重要意义。

众所周知，数值模拟是一种有效预测温度场的方法。目前，关于电弧填丝增材制造温度场数值模拟的研究较少，有学者提出通过实验测量基板上靠近堆积层处点的温度，以该点的温度动态值为参量，对比实验与模拟结果，进而对建立的有限元模型进行调整并计算温度场。但是，成形过程中堆积层逐层叠加，温度场分布较为复杂，仅仅通过测量基板的温度作为有限元模型的验证值还远不够，更为重要的是，该方法对堆积层温度场的数值计算验证无能为力，影响了电弧填丝增材制造温度场的计算精度。因此，亟需探索一种有效的电弧填丝增材制造过程温度场预测方法，从而解决当前难以准确预测薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决薄壁构件电弧填丝增材制造中堆积层温度场难以准确预测的难题，提供一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供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：