一种基于声发射信号检测与评估电弧三维快速成形制造过程稳定性的方法与流程

本发明涉及一种检测与评估电弧三维快速成形制造过程稳定性的方法，适用于检测与评估金属材料电弧三维快速成形制造过程稳定性应用场合，同时也适合用于金属材料电弧堆焊、电弧熔敷与电弧近净成形等其它电弧增材制造过程稳定性的检测与评估。

背景技术：

直接制造金属零件以及金属部件，是制造业对金属材料三维快速成形制造技术提出的终极目标。早在20世纪90年代三维快速成形制造技术发展的初期，研究人员便已经尝试基于各种快速原型制造方法实现金属制件的制备。与立体光造型（Stereolithography, SLA）、叠层制造（Laminated object manufacturing, LOM）、熔融沉积成型（Fused deposition modeling, FDM）等快速原型制造技术相比，选择性激光烧结技术（Selected lasersintering, SLS）由于其使用粉末材料的特点，为制备金属制件提供了一种最直接的可能。随着大功率激光器在快速成形技术中的逐步应用，SLS技术随之发展成为选区激光熔化成形技术（Selective laser melting, SLM）。该技术利用高能量的激光束照射预先铺覆好的金属粉末材料，将其直接熔化并固化成形获得金属制件。在SLM技术发展的同时，基于激光堆焊和激光熔覆技术，逐渐形成了金属成形制造技术研究的另一重要分枝——激光快速成形技术（Laser rapid forming, LRF）或激光立体成形技术（Laser solid forming, LSF）。该技术利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态，通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件，并经过后续的小余量加工后以及必要的后处理获得最终的金属制件。

SLM技术和LRF技术作为金属快速成形制造技术的两个主要研究热点，引领着当前金属快速成形制造技术的发展。采用激光等高能束热源进行金属材料的快速成形制造，其设备复杂、价格昂贵，而且成形工艺复杂，成形零件微观组织的致密度不高。电弧快速成形制造技术就是在这种背景之下兴起的，使用焊接电弧作为热源，采用焊接设备及工艺方法制成由全焊缝金属组成的零件，因此又称为电弧快速成形制造技术。在电弧三维快速成形制造过程中，电弧能量作用于制造区而产生的电弧燃弧和熔滴过渡稳定性变化是影响制造质量的重要因素。因此，在电弧三维快速成形制造过程中采用专用仪器或方法检测与评估制造稳定性对于制造过程的控制和制造质量的评估具有非常重要的现实意义。在电弧三维快速成形制造过程中，电弧热源、熔滴与熔池形成的相互作用效应会以不同形式释放能量，结构负载声发射能量即是其中的一种。

技术实现要素：

本发明针对金属材料电弧三维快速成形制造过程稳定性，提供一种基于电弧声发射信号的检测与评估方法。本发明利用电弧和熔滴冲击熔池激发的声发射能量作为信息源，实时检测电弧和熔滴冲击作用所产生的声发射信号，提取信号的特征分布，实现对电弧三维快速成形制造过程稳定性的检测和评估。

本发明采取以下技术方案：

一种基于声发射信号检测与评估电弧三维快速成形制造过程稳定性的方法，所述方法利用实时检测电弧冲击产生的连续声发射能量释放特征，实现对电弧三维快速成形制造过程稳定性的评估，所述方法的步骤如下：

（1）安装声发射传感器于基板上，且正对三维快速成形制造区域的中心位置；

（2）打开电弧发生器电源，开始对目标对象的三维快速成形制造；

（3）实时采集输出电弧能量连续冲击基板或制造区域的熔池而激发产生的声发射信号，并绘制出信号的动态波形图；

（4）三维快速成形制造结束，关停电弧能量输出，并停止声发射信号在线检测；

（5）由声发射信号动态波形振幅特征设定声发射信号振幅的阈值。

（7）提取声发射信号中所有高于振幅阈值的峰值得到峰值散点分布图，并计算出峰值标准差；

（8）根据峰值散点分布图绘制得到电弧冲击振动曲线；

（9）根据峰值标准差和峰值散点分布图、电弧冲击振动曲线评估电弧三维快速成形制造过程稳定性。

判断电弧三维快速成形制造过程稳定性的依据为：（1）峰值散点分布越集中和均匀，电弧三维快速成形制造过程稳定性越好；（2）电弧冲击振动曲线越平滑，电弧三维快速成形制造过程稳定性越好；（3）峰值标准差越小，电弧三维快速成形制造过程稳定性越好。三个判断依据中，（1）、（2）为定性判据，（3）为定量判据。

所述声发射信号振幅的阈值需不小于声发射信号平均振幅的1/3。

本发明的创新在于利用对电弧冲击产生的声发射能量释放的检测，实现对电弧三维快速成形制造过程稳定性的检测与评估，与现有技术相比具有以下优点：

（1）检测与评估方法简单，可操作性强；

（2）系统设计与制造成本低廉；

（3）评估结果直观，并且符合电弧三维快速成形制造的实际工况；

（4）检测效率高，可实现快速评估。

附图说明

图1是电弧三维快速成形制造过程稳定性检测系统组成示意图。

图2是实施例1检测到的电弧声发射信号波形。

图3是对应于实施例1的电弧声发射信号峰值散点分布图。

图4是实施例2检测到的电弧声发射信号波形。

图5是对应于实施例2的电弧声发射信号峰值散点分布图。

图6是实施例3检测到的电弧声发射信号波形。

图7是对应于实施例3的电弧声发射信号峰值散点分布图。

图8是对应于实施例1、2、3的电弧冲击振动曲线。

图中，1电弧发生器、2电弧、3基板、4声发射传感器、5前置放大器、6信号调理器、7数据采集卡、8计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

参见图1，采用的电弧三维快速成形制造稳定性检测系统包括电弧发生器1、声发射传感器4、前置放大器5、信号调理器6、数据采集卡7和计算机8等。基板3采用与制造对象相同的材料制备，电弧冲击激发的声发射能量作为信息源，声发射传感器4安装在基板3上，用于探测激发产生的声发射信号，传递给前置放大器5，信号经放大后再经过信号调理器6处理，再通过数据采集卡7后送到计算机8，由计算机8装载的软件对信号进行计算等处理，得到检测结果。

实施例1：

采用的基板为厚度4mm的6061铝合金板，金属丝材选用直径为1.2mm的AlSi系铝合金焊丝。设定电弧电流输出为172A，电弧电压输出为20.8V，工作台移动速度为10mm/s。使用的保护气体为99.999%高纯氩气，且保护气体流量为20L/min。所用的铝合金焊丝接电源正极，基板接电源负极。安装基板，并可靠水平固定，调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直。安装声发射传感器于基板上，且正对三维快速成形制造区域的中心位置，打开电弧发生器电源，按照编制好的程序开始对目标对象的三维快速成形制造。实时采集输出电弧能量激发产生的声发射信号直至制造结束，绘制出信号的动态波形如图2所示。关停电弧能量输出，并停止声发射信号在线检测。设定声发射信号振幅阈值为4.0，提取声发射信号中所有高于振幅阈值4.0的峰值得到峰值散点分布如图3所示，并计算出峰值标准差σ=1.046。根据峰值散点分布图绘制得到电弧冲击振动曲线如图8所示。

由图3和图8可以看出，该工艺下峰值散点分布较为发散，电弧冲击振动曲线平滑性较差，峰值标准差较大，电弧三维快速成形制造过程稳定性较差。

实施例2：

采用的基板为厚度4mm的6061铝合金板，金属丝材选用直径为1.2mm的AlSi系铝合金焊丝。设定电弧电流输出为129A，电弧电压输出为18.4V，脉冲频率为100Hz，基值电流为20A，工作台移动速度为10mm/s。使用的保护气体为99.999%高纯氩气，且保护气体流量为20L/min。所用的铝合金焊丝接电源正极，基板接电源负极。安装基板，并可靠水平固定，调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直。安装声发射传感器于基板上，且正对三维快速成形制造区域的中心位置，打开电弧发生器电源，按照编制好的程序开始对目标对象的三维快速成形制造。实时采集输出电弧能量激发产生的声发射信号直至制造结束，绘制出信号的动态波形如图4所示。关停电弧能量输出，并停止声发射信号在线检测。设定声发射信号振幅阈值为1.5，提取声发射信号中所有高于振幅阈值1.5的峰值得到峰值散点分布如图5所示，并计算出峰值标准差σ=0.554。根据峰值散点分布图绘制得到电弧冲击振动曲线如图8所示。

由图5和图8可以看出，该工艺下峰值散点分布较为集中，电弧冲击振动曲线平滑性相对较好，峰值标准差较小，电弧三维快速成形制造过程稳定性较好。

实施例3：

采用的基板为厚度4mm的6061铝合金板，金属丝材选用直径为1.2mm的AlSi系铝合金焊丝。设定电弧电流输出为159A，电弧电压输出为19.4V，脉冲频率为100Hz，基值电流为20A，工作台移动速度为10mm/s。使用的保护气体为99.999%高纯氩气，且保护气体流量为20L/min。所用的铝合金焊丝接电源正极，基板接电源负极。安装基板，并可靠水平固定，调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直。安装声发射传感器于基板上，且正对三维快速成形制造区域的中心位置，打开电弧发生器电源，按照编制好的程序开始对目标对象的三维快速成形制造。实时采集输出电弧能量激发产生的声发射信号直至制造结束，绘制出信号的动态波形如图6所示。关停电弧能量输出，并停止声发射信号在线检测。设定声发射信号振幅阈值为1.0，提取声发射信号中所有高于振幅阈值1.0的峰值得到峰值散点分布如图7所示，并计算出峰值标准差σ=0.220。根据峰值散点分布图绘制得到电弧冲击振动曲线如图8所示。

由图7和图8可以看出，该工艺下峰值散点分布非常集中，电弧冲击振动曲线平滑，峰值标准差最小，电弧三维快速成形制造过程稳定性最好。

比较上述实施例的结果表明，实施例3制造过程稳定性最好，实施例2制造过程稳定性其次，实施例3制造过程稳定性最差，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现对电弧三维快速成形制造过程稳定性的检测与评估。