[发明专利]TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法

说明书

本发明提出一种TIG电弧增材成形形貌的反馈控制装置及方法，其装置的特征在于：TIG焊机的电极夹连接焊丝；所述焊丝经霍尔电压传感器和A/D转换器连接控制器；所述控制器连接送丝机。与现有技术相比，本发明的优势在于巧妙地利用了电弧中带电粒子（电子）在TIG焊的焊丝上分配比例变化间接检测基体表面起伏变化，无需外加其他的检测装置，如弧长传感器等，控制系统简单易行，成本低廉，效果显著。尤其对于增材制造而言，焊枪夹持部位结构简单，可达性高，便于实现复杂三维结构的快速成形。此外，采用此方法可在堆焊成形时实现焊丝上同时引弧，具有热丝的效果，显著增加了成形效率。

技术领域

本发明涉及TIG堆焊送丝速度的反馈控制领域，尤其涉及一种一种适用于TIG电弧填丝增材制造（wire and arc additive manufacture, WAAM）成形件表面形貌控制与修正的装置和方法。

背景技术

TIG电弧填丝增材制造（WAAM）以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，其成形速度较高，可以以较低的成本快速成形几千克至几吨的大型零部件，适用于大尺寸复杂构件3D一体化增材制造。

该技术基于材料学科与数字化控制手段深度结合而发展，与激光、电子束等载能束相比，电弧具有特殊的“力”、“热”、“能”特征，成形过程中，熔池内液态金属在重力、电弧力和表面张力作用下，随热源的移动不断由熔池凝固析出，实现逐层累积增材制造，熔池体系不断地进行着物质与能量输入输出，极易受外界扰动而失稳，形成隆起或凹陷等表面波动缺陷。并在连续堆焊成形过程中，这种缺陷表现出特殊的时、空非连续“遗传”特性，若不加以控制，成形形貌缺陷将延续到整个成形过程，且形貌波动程度逐渐增大。与电弧连接技术不同，WAAM成形时并无熔深要求，因此，以往的基于焊接热输入的控制，在保证熔深的基础上，优化焊缝成形的控制方法在WAAM成形技术中并不适用，焊接热输入的改变，将显著改变单道成形的有效宽度，使得成形形貌一致性变得更差。此外，该增材制造技术成形速率较快，熔池体系快速地进行着物质、能量输入输出，极易受到外场扰动而失稳，加之电弧的不稳定性（阳极斑点漂移、磁偏吹等），伴随成形过程常产生成形形貌缺陷，如隆起和凹陷。因此，设计一种满足于WAAM的成形性要求的，可以实时对隆起、凹陷等成形形貌缺陷进行检测与修补的反馈控制手段，对于提高WAAM成形表面质量至关重要，是获得WAAM成形形貌稳定性的关键技术。

目前，在现有技术中，对于WAAM成形形貌的修复及控制方法主要有以下两种：

1.控制成形过程热输入（电流、焊度）

采用控制成形热输入的方法实现对成形形貌缺陷的修复，是目前保证WAAM成形一致性的主要手段，其使用电弧传感器通过监测弧压对成形件表面起伏的响应而实时调整堆焊成形电流，通过控制熔池温度及特征尺寸利用液态熔池表面张力消除成形件表面起伏缺陷；改变焊炬移动速度虽然热源能量输入密度不变，但其同时改变了熔池物质、能量输入，获得有效堆高的同时往往有效宽度也相应增大，这不利于多道成形时有效搭接量的设计，即其高度一致性的获得是以牺牲有效宽度一致性为前提的，若凹陷缺陷尺寸较小，这种方法也难以精确控制，难以实现数字、自动化，现多用于开放成形系统的手工修复。

2.复合增材制造

复合制造方法是将WAAM成形系统与铣削加工结合，在成形表面形貌缺陷处利用铣削机械加工的方法获得一致的成形表面，以消除形貌缺陷对后续连续成形的影响。该方法以减材加工来获得一致的表面成形形貌不利于发挥WAAM高效成形的优势，且设备成本较高，此外，WAAM成形大尺寸成形件时受限于铣床的有效加工尺寸。

在实现上述WAAM成形形貌控制与修复的过程中，现有技术中至少存在如下问题：