一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法与装置

本发明涉及一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法与装置，属于电弧增材变形矫正领域。

背景技术：

1、在汽车、船舶、航天等诸多装备中包含大量的复杂特征结构，其内部复杂结构一般由最基础的交叉特征结构组成，交叉结构一般分为l形、倾斜交叉形、工字形等类型，这些基础特征形状构成各类型复杂的交叉结构。电弧增材制造技术是以电弧为热源，金属焊丝为补充材料，零件整体由焊缝堆积而成，具有材料利用率高、力学性能优良、成形效率高等优点，能够满足汽车、船舶、航天领域中大型复杂结构件的生产需求。

2、电弧增材是一个反复加热的过程，热积累问题显著。在成形时，热应力是由于在材料非均匀膨胀和收缩的过程中热应变造成的。应变会导致材料或者结构的变形反应。即使不能引发结构的宏观变形反应，也能引发微观变形，比如裂纹，或者产生残余应力。在电弧增材交叉结构的过程中，结构的变化会导致各部分温度差异较大，致使内部产生较大的温度梯度，最终基板和增材结构发生严重的翘曲变形。大型电弧增材制造成形的零件其残余应力和变形不仅会影响零件公差，而且还会导致过早失效。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法与装置，可根据不同增材结构产生不同位置处的变形，在电弧增材过程中利用感应线圈对翘曲变形处加热，减少温度差异，消除变形。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除装置，包括工作台，温度检测系统，反馈与控制系统，感应加热机构，机器人焊枪机构，激光位移监测系统。

4、温度检测系统包含红外热像仪，设置于工作台上，与反馈与控制系统相连。

5、感应加热结构包括防护框，感应加热线圈，机器人传动控制机构。防护框内放置感应线圈，防护框与机器人传动控制机构相连。感应线圈由铜线圈绕制而成，铜线圈的材质为t3铜，壁厚为2～4mm。感应加热结构与反馈与控制系统相连。

6、激光位移监测系统可检测基板四周任意位置处的变形，系统可设置变形最大位移，当实际变形超过设置值时，传输至反馈与控制系统；

7、反馈与控制系统包含数据处理中心及决策中心，可根据温度检测系统提取变形与未变形处的温度差异，从而对变形位置处相对应的感应线圈输入所需的加热参数，包括加热时间，加热频率，加热温度。

8、一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法，包括以下步骤：

9、第一步，打开系统装置所有电源，将基板固定于工作台上，利用感应加热装置中的机器人传动结构，机械臂将防护框放置基板背面，将防护框内的感应线圈按照3x3矩阵方式排列于基板背面四周。

10、第二步，打开激光位移监测系统，设置位移检测位置为基板四周，设置最大变形位移；打开温度检测系统，并在反馈与控制系统处设置温度检测系统中的温度采集区域，区域为整个基板。

11、第三步，机器人焊枪按照所需的增材结构设计焊枪行动轨迹进行移动打印，每层打印完成后焊枪归回原位，增材结构进入冷却阶段。

12、第四步，电弧增材过程中，激光位移监测系统实时监测基板变形位移，当基板某一位置变形位移超过设定的最大位移值时，温度检测系统将基板变形及未变形处的温度差异传输至反馈与控制系统。

13、第五步，控制系统根据反馈系统提供的温度，对变形位置处背面对应的感应线圈输入相应的加热时间，加热频率，加热温度，进行加热变形校平。

14、第六步，机器人焊枪继续下一层打印，第三步至第五步依次重复，直至增材结束，关闭电源。

15、本发明具有以下优点：

16、本发明针对增材结构不同导致变形位置产生差异的现象，当变形位移超出限度时，可通过感应加热线圈对变形位置处及时加热，从而减小整体的残余应力及翘曲变形，防止成形件内部及表面产生裂纹。

17、本发明将焊接机构与温度检测机构、感应加热机构、激光位移监测系统相组合，智能化程度高，能够实时全方位监测。

18、本发明设置的反馈与控制系统，可根据位置变形不同，采集相应区域的温度，对实时温度差异智能决策，对感应加热线圈输入最优参数指数。避免了人工操作滞后，热输入准确可控，可显著减少变形、提高工作效率。

技术特征：

1.一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除装置，其特征在于，该装置包括工作台(1)，温度检测系统(2)，反馈与控制系统(5)，感应加热机构(4)，机器人焊枪机构(6)，激光位移监测系统(9)；

2.一种基于权利要求1所述的感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除装置的消除方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的消除方法，其特征在于，第一步中，机器人传动结构将防护框内的感应线圈(3)放置于基板背面，所述感应线圈(3)由铜线圈绕制而成，铜线圈的材质为t3铜，壁厚为2～4mm。

4.根据权利要求2所述的消除方法，其特征在于，第二步中；激光位移检测系统(9)检测区域为基板四周，设置变形最大位移为1mm；所述温度检测系统(2)为红外热线仪。

5.根据权利要求2所述的一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法与装置，其特征在于，第三步中，机器人焊枪(6)依据增材结构轨迹进行移动及增材打印。

6.根据权利要求2所述的消除方法，其特征在于，第四步中，所述激光位移检测系统(9)检测变形位移超过设定上限1mm时，温度检测系统(2)开始将变形处与未变形处的温度差异传输至反馈与控制系统(5)。

7.根据权利要求2所述的消除方法，其特征在于，第五步中，感应加热线圈(3)所需的加热参数为加热时间，加热频率，加热温度。

技术总结
本发明提供了一种基于感应对称在线加热的电弧增材基板形变消除方法与装置，包括：感应加热机构包括感应加热线圈、防护框、机器人传动控制机构；温度检测机构包括热像仪；反馈与控制系统包含数据处理中心及决策中心，与感应加热机构、激光位移监测系统、结构件温度检测机构相连接。本发明将感应加热线圈放置于基板背面，激光位移系统实时监测基板四周变形量，当基板变形达到一定程度时，温度检测仪提取基板表面温度并传输至反馈系统，控制系统根据反馈温度对翘曲变形处背面对应的感应线圈输入加热参数，使基板表面整体温度趋于平衡，消除应力，从而减少变形。本发明能够有效降低电弧增材过程中由于增材结构不同引起基板不同位置处的翘曲变形。

技术研发人员：章晓勇,徐鹏程,王克鸿,彭勇,黄勇,万俊
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1