[发明专利]机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法

说明书

本发明公开一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法。系统包括环状电磁感应加热单元，多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒，每层加热单元连接至计算机并独立控制，每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器，加热筒内部为工作区域，升降机上端连接水平工作台，水平工作台上装配一块基板，六轴机器人在基板上进行增材制造。本发明通过对增材时每层独立加热，在每次增材完一层时，升降机下降一个层间距，保持整个轴类零件处于加热筒中，由计算机控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态，从而实现对整个轴类零件的控温，使整个轴类零件处于比较均一的温度场，减小残余应力，最终减少成型件翘曲、开裂等缺陷。

技术领域

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法。

背景技术

电弧增材制造3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备,然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。

因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。

然而，电弧增材制造过程中热输入量大，工件温度场分布复杂，增材过程中产生的残余应力严重制约着成形件的质量。目前,主要通过采用改变增材方式、优化增材路径以及进行焊前预热、层间冷却、焊后热处理等来减少增材部件的残余应力。总结了电弧增材制造程残余应力产生的原因，其一是由于温度场分布不均以及冷却凝固不一致,其二是因为金属局部相变产生相变残余应力。研究发现，电弧增材制造成形部件各方向残余应力较大，最大残余应力出现在成形层底部。

目前，主要消除残余应力的方法有：1、在增材过程中采用原位滚压的方法减小残余应力，其可有效降低残余应力峰值尤其是底层和基板之间的残余应力，并细化晶粒。2、将激光冲击应用于改善电弧增材构件微观组织以及力学性能。3、在低合金钢电弧增材制造过程中引入磁场以改善成形件残余应力分布。4、将感应加热作为第二热源加入增材制造过程中。但是目前已有的方式难以系统有效的控制增材零件的温度场，降低增材过程中的残余应力效果局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制系统，对已成形部件进行加热，同时可对其进行正火热处理，减小残余应力，降低成形件翘曲、开裂的趋势，提高生产过程中的良品率，减少设备总体能耗，减少温度对于成形部件尺寸的制约。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统，其特征在于，包括多个环状电磁感应加热单元，温度传感器，基板，水平工作台，升降机，焊接机器人和计算机控制系统；

多个环状电磁感应加热单元堆叠形成加热筒，每个环状电磁感应加热单元连接至计算机控制系统并可独立控制，每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器，升降机上端连接水平工作台，升降机连接计算机控制系统，水平工作台上装配基板，焊接机器人在基板上进行增材制造轴类件，加热筒设置在轴类件的外周，由计算机控制系统控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态，从而实现对整个轴类件的控温。

进一步的，每个环状电磁感应加热单元的高度为5～15mm，加热筒的高度为50～3000mm。

进一步的，焊接机器人的自由度采用五轴、六轴或者七轴；焊接机器人热源采用电弧或等离子；计算机控制系统采用闭环控制。

一种采用上述的控制系统控制应力的方法，包括如下步骤：

步骤一：将基板装配在水平工作台上，由计算机控制系统调整基板高度，使基板上表面与多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒的上表面平行，在计算机控制系统预设加热温度T；

步骤二：焊接机器人在程序控制下在基板上进行增材制造第一层；