基于电流传感的交叉路径金属构件GMA增材制造方法与流程

本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造方法。

背景技术：

熔化极气体保护电弧(gasmetalarc，gma)增材制造采用gma电弧作为热源不断熔化填充丝材，逐层制造形成全焊缝金属构件。由于具有电源设备廉价、堆积效率高、丝材与电极同轴等显著优点，因而广泛应用于中大尺寸复杂金属构件的直接成形。

交叉路径金属构件是复杂构件的一种典型结构，其特点是在同一高度的成形层内，不同堆积道的路径上存在重叠与交叉。采用gma增材制造技术成形这类交叉路径金属构件的难点是在交叉路径处由于重复丝材填充形成凸起，并且随着堆积层数的增加，凸起点严重增高，一方面，引起凸起点相邻区域成形变差，另一方面，导致gma枪与凸起点发生碰撞，后续堆积过程无法继续进行。因此，必须采取相关措施以解决交叉路径金属构件gma增材制造成形稳定性的技术难题。

目前，解决这一技术难题的方法主要有两种：(1)采用增减材复合制造技术，每堆积一层，利用数控铣削方法对凸起点进行加工，但引入减材设备的同时，也降低了材料利用率，并延长了金属构件的生产周期；(2)通过合理的路径优化手段控制交叉路径处凸起点的成形，但该方法控制效果有限，不能完全消除凸起点的影响，且路径优化效果需要反复开展工艺试验。

中国发明专利申请号为201810090693.6的“交叉结构件gta填丝增材制造成形控制方法”提出采用电弧电压作为检测手段反馈凸起点的特征参量，通过调节送丝速度控制凸起点成形，由于gta与gma热源特性完全不同，这种基于弧压检测的方法不能用于交叉路径金属构件gma增材制造，其主要原因是：在gta增材制造中，gta枪喷嘴到堆积层表面距离变化时，gta枪内钨极尖端到堆积层表面的距离可近似表征弧长，而弧长可由电弧电压间接表征，在gma增材制造中，gma枪喷嘴到堆积层表面距离变化时，由于gma电源的恒压特性，丝材干伸长变化，从而保持弧长及电弧电压恒定，即电弧电压不能表征交叉路径凸起点高度的变化。因此，亟待提出一种新方法以解决交叉路径金属构件gma增材制造过程形成严重凸起缺陷的难题。为此，本发明提出基于gma电弧电流反馈的检测方法，gma枪喷嘴到堆积层表面距离变化时，丝材干伸长变化引起的电阻热波动，会致使gma电弧电流变化，故gma电弧电流可间接表征交叉路径凸起点的高度。但是，中国发明专利申请号为201810090693.6的“交叉结构件gta填丝增材制造成形控制方法”中提出的通过送丝速度控制凸起点成形的方式并不能用于gma电弧，因为在gma电弧中调节送丝速度会引起电弧电流的变化，以电弧电流作为反馈参量还需克服送丝速度调节引起的电弧电流变化是不合适的。因此，需要寻求其他控制变量来调控凸起点处金属丝材的填充量。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决交叉路径金属构件gma增材制造产生严重凸起点的难题，提供一种基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造方法，在交叉路径金属构件gma增材制造过程中，采用电流传感器实时检测所有堆积路径上gma电弧的电流变化曲线，计算机控制系统根据检测电流与设定电流的偏差及该偏差的变化趋势，控制堆积路径上的gma枪行走速度或工作平台的行走速度，从而实时调节堆积路径及交叉路径点处的金属丝材填充量，实现交叉路径金属构件gma增材制造堆积路径及路径交叉点成形的控制。

作为优选方式，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据交叉路径金属构件三维模型，分层切片，确定每个层片内的堆积道路径；

步骤二：调节gma枪位置，使其垂直于基板上方，设定gma枪喷嘴到基板表面的距离为14-18mm，gma电弧的设定电流为i0；

gma枪喷嘴到基板表面的距离设定为14-18mm是因为：如果距离设定过小，飞溅金属容易堵塞gma枪喷嘴，倘若距离设定过大，熔池保护效果不良，易产生气孔缺陷。

步骤三：启动gma电弧，开始成形堆积道，待电弧引燃2-5s后，开启电流传感器，数据采集卡实时采集gma电弧的电流变化曲线，在t时刻，计算机控制系统根据检测电流im与设定电流i0的偏差e(t)的正负和大小，同时根据偏差的变化趋势δe(t)＝e(t)-e(t-1)，来控制堆积路径上的gma枪行走速度或工作平台的行走速度，从而实时调节堆积路径及交叉路径点处的金属丝材填充量，例如，当e(t)>0且δe(t)>0时，表明交叉路径上有凸起点，且凸起点有逐渐增高的趋势，应该增大gma枪行走速度或工作平台的行走速度，使得凸起点的高度降低，其中e(t-1)为前一时刻的偏差，待第一道堆积完成后，熄灭电弧，道间等待时间t设定为0.5-3.5min，重复上述过程，继续堆积第一层第二道、第三道，直至第一层堆积结束，然后将gma枪提升一个设定高度h，h的取值范围为0.8-3.0mm；

电弧引燃时间设定为2-5s是因为：如果电弧引燃时间太短，电流传感器容易检测到起弧端不良成形区域的电弧电流，倘若电弧引燃时间过长后，才开启电流传感器，不能对平稳段成形高度进行良好的检测与控制；道间等待时间t设定为0.5-3.5min是因为：道间等待时间设定太小，堆积道容易流淌，道间等待时间设定太长，极大降低金属构件的成形效率；gma枪提升一个设定高度h的取值范围为0.8-3.0mm是由gma送丝速度、行走速度和电弧电压等工艺参数的组合确定的。

步骤四：继续重复步骤三，完成第二层、第三层至剩余层的成形，实现交叉路径金属构件gma增材制造堆积路径及路径交叉点成形的控制。

作为优选方式，相邻堆积层间对应堆积道上的路径方向是相反的。

作为优选方式，交叉路径是指在同一高度的成形层内，不同堆积道的路径上存在重叠与交叉。

作为优选方式，计算机控制系统根据设计的反馈闭环控制器实现行走速度的控制，从而实时调节填丝量。

本发明方法的基本原理是：如图1所示，gma增材制造过程中，在设定的电源送丝速度保持不变时，gma枪喷嘴到堆积层表面的距离h1大于其到路径交叉凸起点表面的距离h2，前者的丝材干伸长要大于后者，从而引起前者gma电弧电流i1小于后者gma电弧电流i2，即堆积层高度不一致引起gma电弧电流发生变化，根据这一原理，可采用gma电弧电流反馈堆积层及路径交叉点高度的变化。

本发明方法具有的突出优点是：在交叉路径金属构件gma增材制造过程中，利用电流传感器实时检测gma电弧电流，当检测电流值与设定电流值有差异时，计算电流偏差及偏差的变化趋势，计算机控制系统根据设计的反馈闭环控制器实现行走速度的控制，从而实时调节堆积路径上的填丝量。相比于传统方法，本发明方法提出一种基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造新思路，通过调控行走速度可有效控制堆积路径上及交叉路径点处的成形，解决了交叉路径金属构件gma增材制造路径交叉点处产生严重凸起的难题。

附图说明

图1是交叉路径金属构件电流传感基本原理示意图；

图2是典型交叉路径金属构件示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例的具体试验平台为：电弧增材制造电源为熔化极气体保护froniustps4000焊机，熔化极气体保护焊枪安装在步进电机驱动的丝杠上，通过步进电机的旋转控制工作平台的行走速度，增材制造工艺参数为：送丝速度3.2m/min，电弧电压20v，焊枪初始行走速度5mm/s，成形保护气为95％ar+5％co2，气体流量为18l/min，填充丝材为h08mn2si低碳钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，基板为q235低碳钢板，基板尺寸为300mm×300mm×10mm。

本实施例堆积的交叉结构件为如图2所示。本实施例的一种基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造方法，在交叉路径金属构件gma增材制造过程中，采用电流传感器实时检测所有堆积路径上gma电弧的电流变化曲线，计算机控制系统根据检测电流与设定电流的偏差及该偏差的变化趋势，控制堆积路径上工作平台的行走速度，从而实时调节堆积路径及交叉路径点处的金属丝材填充量，实现交叉路径金属构件gma增材制造堆积路径及路径交叉点成形的控制。

具体的，所述的基于电流传感的交叉路径金属构件gma增材制造方法，具体包括以下步骤：

步骤一：根据交叉路径金属构件三维模型，分层切片，确定每个层片内的堆积道路径；

步骤二：调节gma枪位置，使其垂直于基板上方，设定gma枪喷嘴到基板表面的距离为14-18mm，gma电弧的设定电流为i0；

步骤三：启动gma电弧，开始成形堆积道，待电弧引燃2-5s后，开启电流传感器，数据采集卡实时采集gma电弧的电流变化曲线，在t时刻，计算机控制系统根据检测电流im与设定电流i0的偏差e(t)的正负和大小，同时根据偏差的变化趋势δe(t)＝e(t)-e(t-1)，来控制堆积路径上工作平台的行走速度，从而实时调节堆积路径及交叉路径点处的金属丝材填充量，例如，当e(t)>0且δe(t)>0时，表明交叉路径上有凸起点，且凸起点有逐渐增高的趋势，应该增大gma枪行走速度或工作平台的行走速度，使得凸起点的高度降低，其中e(t-1)为前一时刻的偏差，待第一道堆积完成后，熄灭电弧，道间等待时间t设定为0.5-3.5min，重复上述过程，继续堆积第一层第二道、第三道，直至第一层堆积结束，然后将gma枪提升一个设定高度h，h的取值范围为0.8-3.0mm；

步骤四：继续重复步骤三，完成第二层、第三层至剩余层的成形，实现交叉路径金属构件gma增材制造堆积路径及路径交叉点成形的控制。

相邻堆积层间对应堆积道上的路径方向是相反的。这样可以保证下一层的起弧端在上一层的熄弧端上成形，下一层的熄弧端在上一层的起弧端上成形，利用起弧端和熄弧端成形高度相互弥补的特点，从而保证堆积路径两端的良好成形。

交叉路径是指在同一高度的成形层内，不同堆积道的路径上存在重叠与交叉。

计算机控制系统根据设计的反馈闭环控制器实现行走速度的控制，从而实时调节填丝量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。