基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，涉及基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法。

背景技术：

电弧增材制造技术(wirearcadditivemanufacture，waam)是一种利用逐层熔覆原理，以电弧为热源，在数字化程序的控制下，通过丝材的送给以及三维数字模型由线-面-体逐步成形出金属零件的先进数字化制造技术。目前，电弧增材技术在提高成形零件表面质量、降低粗糙度方面仍面临较大的挑战。传统的研究方法往往是通过改变成形工艺参数(焊接速度、送丝速度、焊接电流、焊接电压)来提高成形零件的表面质量，但此方法的局限性较大，没有从本质上分析影响熔池凝固后的形貌、搭接形貌的因素。

哈尔滨工业大学的研究人员通过计算机检测反馈系统来调节电弧增材制造中熔覆工艺参数，从而提高成形零件表面质量；湘潭大学的研究人员结合计算机检测反馈系统以及冷却系统进一步优化了成形工艺参数，从而进一步优化了电弧增材制造表面质量控制效果；因熔覆层凝固后的形貌以及搭接形貌直接决定了成形质量，而上述方法的适用性有限，因此上述方法对成形控制效果有限。清华大学的研究人员基于抛物线模型，通过调节搭接参数来主动控制搭接形貌，实现了横向堆焊较好的控制效果，但该方法仅适用于横向搭接成形，不适合成形的竖向成形控制，特别是对于增材制造中沉积方向(竖向)层间高度、搭接形貌的控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，解决了现有技术中存在的增材制造中竖向沉积的层间高度、搭接形貌难以有效控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用电弧在基板上成形第一熔覆层，确定第一熔覆层截面的抛物线拟合参数，建立熔覆层抛物线模型；

步骤2，根据熔覆层的润湿性及熔覆层抛物线模型确定熔覆层的最佳层高，根据最佳层高在第一熔覆层的基础上搭接第二熔覆层；

步骤3，将第二熔覆层作为新的熔覆层，根据最佳层高在其上搭接熔覆层，如此循环，直至得到单道熔覆层竖向搭接的成形零件。

本发明的特点还在于：

确定第一熔覆层截面的抛物线拟合参数具体为：

在第一熔覆层的中部区域测量其宽度l，单位为mm，测量其高度h，单位为mm，测量次数至少为5次，分别取平均值，得到第一熔覆层截面的抛物线拟合参数分别为：a＝4h/l²，b＝h。

步骤1中，熔覆层抛物线模型具体如下：

y＝-ax²+b(1)，

式(1)中，a表示抛物线系数；b表示抛物线系数，为熔覆层的高度；x表示熔覆层宽度方向的数值，y表示熔覆层高度方向的数值。

在熔覆层抛物线模型中，定义l/h＝2表征熔覆层润湿性的临界值；l/h＞2表示熔覆层的润湿性较好；0＜l/h＜2表示熔覆层的润湿性较差。

步骤2中，确定熔覆层的最佳层高具体如下：

在熔覆层润湿性较好时，根据牛顿-莱布尼茨积分定理，可得最佳层高δz，单位为mm；

δz＝2b/3＝2h/3(2)，

步骤3中，控制前一道熔覆层中部区域的温度与相邻的后一道熔覆层中部区域的温度相同。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，实现了对电弧增材制造过程中竖向熔覆层搭接区域形貌、搭接高度等的有效、准确调控，保证熔覆层竖向搭接过程中的形貌，提高零件表面质量，具有很高的应用价值；

(2)、在熔覆层堆积过程中，由于每一道熔覆层熔化金属体积不同，熔化后液态金属的润湿性不同，重叠区域也不同，故最终成形的薄壁截面形貌也将不同，而成形薄壁的表面粗糙度、垂直度等最终取决于薄壁截面形貌，本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法可以有效控制熔覆层之间搭接形成的形貌，解决了成形零件的表面质量搭接，同时也可明确了成形参数对成形结果的影响；

(3)、本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，采用抛物线模型对单道熔覆形貌轮廓进行拟合，结合层间熔覆层的润湿性以及层间搭接，推导出了基于润湿性以及层间高度的熔覆层形貌控制抛物线模型；本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，准确度较高，可以实现较好的熔覆层竖向搭接效果；

(4)、本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，也可用于激光、电子束等增材制造领域，用于控制熔覆层竖向搭接过程中的形貌，对增材制造技术的发展具有较大价值。

附图说明

图1是本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法中的抛物线模型对第一熔覆层截面形貌的拟合示意图；

图2是本发明熔覆层的抛物线模型示意图；

图3是熔覆层在润湿性较好状态下的层高示意图；

图4是在润湿性较好状态下采用本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法成形零件的示意图；

图5是熔覆层在润湿性较差状态下的层高示意图；

图6是在润湿性较差状态下采用本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法成形零件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开的基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用电弧在基板上成形第一熔覆层，获得熔覆层中部区域的横截面积，测量其宽度l，单位为mm，测量其高度h，单位为mm，测量次数至少为5次，分别取平均值，得到第一熔覆层截面的抛物线拟合参数分别为：a＝4h/l²，b＝h；然后建立熔覆层抛物线模型；

如图1所示，采用本发明的熔覆层抛物线模型对第一熔覆层截面外轮廓形貌进行拟合得到抛物线拟合结果图，与第一熔覆层截面外轮廓形貌的对比可知，本发明的抛物线模型对第一熔覆层截面外轮廓形貌进行了完整、准确地模拟；

熔覆层抛物线模型，如图2所示，具体表述如下：

y＝-ax²+b(1)，

式(1)中，a表示抛物线系数；b表示抛物线系数，为熔覆层的高度；x表示熔覆层宽度方向的数值，y表示熔覆层高度方向的数值；

在熔覆层抛物线模型中，定义l/h＝2表征熔覆层润湿性的临界值；l/h＞2表示熔覆层的润湿性较好；0＜l/h＜2表示熔覆层的润湿性较差；

步骤2，根据熔覆层的润湿性及熔覆层抛物线模型确定熔覆层的最佳层高，根据最佳层高在第一熔覆层的基础上搭接第二熔覆层；

最佳层高δz是增材制造过程中每一层熔覆材料熔化凝固结束后，成形件高度方向增加或减小的最佳一个高度，当高度过大时，粉末、丝材等无法在基板上成形或成形质量差；当高度过小时，实际成形的高度会大于增材的高度，会导致成形件碰撞成形装置，导致无法成形或成形质量差，因此，存在一个高度可以使成形进行下去且得到的成形件的表面质量最佳。

针对熔覆层润湿性较好时，根据牛顿-莱布尼茨积分定理，可得最佳层高δz，单位为mm：

δz＝2b/3＝2h/3(2)，

如图3所示，第二熔覆层熔化成形时，首先会熔化第一熔覆层顶部区域面积scde，在重力以及电弧的作用下，熔化的金属会流向熔覆层侧边ab以及fg，此时存在面积sadg＝sabfg、scde＝sabc+sefg；在表面张力、重力的作用下，ab、fg实际为一段曲线，由于熔覆层的铺展性较好，ab、fg的长度较小，因此ab、fg可以近似为直线；

其中，熔覆层的宽度为l，单位为mm；lab表示矩形sabfg的宽度，单位为mm，lag表示矩形sabfg的长度，单位为mm；

具体推导过程如下：

步骤3，将第二熔覆层作为新的熔覆层，根据最佳层高在其上搭接熔覆层，如此循环，直至得到单道熔覆层竖向搭接的成形零件，如图4所示；同时，控制前一道熔覆层中部区域的温度与相邻的后一道熔覆层中部区域的温度相同。

图4为熔覆层在润湿较好情况下，采用本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法成形零件的示意图，可以看出，本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法对电弧增材制造竖向熔覆层搭接的控制效果较好。

针对熔覆层润湿性较差时，根据牛顿-莱布尼茨积分定理，可得最佳层高δz，单位为mm：

式(6)中，lmax表示熔覆层的最大宽度，单位mm。

如图5所示，在第二熔覆层熔化成形时，首先会熔化第一熔覆层顶部区域面积scde，在重力以及电弧的作用下，熔化的金属会流向熔覆层侧边ab以及fg，此时存在面积sadg＝sabfg、scde＝sabc+sefg；在表面张力、重力的作用下，ab、fg实际为一段曲线，由于熔覆层的铺展性较差，ab、fg不能近似为曲线，对曲线abk围成的面积sabk近似设定：曲线abk围成的面积sabk等于三角形abk的面积，三角形abk的底边长度为δz，即l1，单位为mm，垂直于底边的高度为h1，h1＝(lmax-l)/2，单位为mm；

熔覆层的最大宽度lmax，即k、j之间直线的长度，单位为mm；熔覆层的宽度为l，单位为mm；lab表示矩形sabfg的宽度，单位为mm，lag表示矩形sabfg的长度，单位为mm，

根据牛顿-莱布尼茨积分定理，可得最佳层高

具体推导过程如下：

sadg＝sabfg+sabk+sfjg(11)，

图6为熔覆层在润湿较差情况下，采用本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法成形零件的示意图，可以看出，本发明基于润湿性的熔覆层竖向搭接形貌的控制方法对电弧增材制造竖向熔覆层搭接的控制效果较好。