多層單道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制.pdf

1、熔化極氣體保護(hù)電弧(Gas Metal Arc，GMA)增材制造(Additive Manufacturing，AM)采用電弧作為熱源、焊絲作為填充材料，根據(jù)零件三維模型逐層堆敷直至形成金屬零件。當(dāng)前對(duì)GMA-AM過(guò)程的研究主要集中在成形工藝的可行性、成形件組織和力學(xué)性能上，對(duì)成形過(guò)程穩(wěn)定性、成形件表面質(zhì)量和尺寸精度的研究比較匱乏。本文以多層單道GMA-AM為研究對(duì)象，以提高成形過(guò)程穩(wěn)定性和成形精度為目標(biāo)，深入研究了GMA直接成形金屬零

2、件過(guò)程的工藝特性、成形件表面質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上對(duì)成形尺寸的視覺(jué)傳感檢測(cè)及閉環(huán)控制等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為確保成形過(guò)程質(zhì)量、成形尺寸精度奠定了基礎(chǔ)。
　　首先研究了不同熔敷工藝參數(shù)下單層單道成形形貌，得到了單層單道良好成形形貌的工藝規(guī)范區(qū)間。接著探索了熔敷電流、堆積速度、熱輸入對(duì)多層單道成形形貌的影響。研究表明，熔敷電流是影響多層單道成形形貌的決定性因素，電流大于200A時(shí)，通常在第二到四層出現(xiàn)熔池表面嚴(yán)重失穩(wěn)、甚至流淌，成形件

3、形貌呈現(xiàn)“坍塌”；多層單道獲得良好成形形貌的電流區(qū)間為100~180A；隨熔敷電流的增大，得到良好成形形貌的最大熱輸入減小。
　　采用二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方法建立了熔敷工藝參數(shù)與熔敷層尺寸的模型關(guān)系。該模型可預(yù)估不同工藝參數(shù)下的熔敷層層寬和層高尺寸，為三維模型分層切片提供了依據(jù)。
　　針對(duì)GMA-AM過(guò)程起弧端熔敷尺寸高且寬、熄弧端高度低的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的控制策略。封閉路徑成形時(shí)，相同層間采用起弧和熄弧端搭接的方式彌補(bǔ)高

4、度尺寸缺陷。對(duì)非封閉路徑零件，一種策略是相鄰層間采用交錯(cuò)式堆積方式；另一種策略是相鄰層間采用同向式堆積方式，起弧點(diǎn)增大堆積速度、減小送絲堆積速度比，熄弧點(diǎn)降低熔敷電流、堆積速度、增大送絲堆積速度比。
　　進(jìn)一步研究了多層單道GMA-AM表面質(zhì)量影響因素。激光視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)多層單道表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，建立了成形件表面質(zhì)量評(píng)價(jià)體系?？疾炝藢娱g溫度、定送絲堆積速度比、變送絲堆積速度比等因素對(duì)成形件表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，熔敷層表面質(zhì)量是

5、層間溫度、層高、電流、堆積速度多重因素作用的結(jié)果。相同熔敷工藝參數(shù)下，層間溫度越高，表面質(zhì)量越差。送絲堆積速度比為定值時(shí)，隨電流增加，表面質(zhì)量下降。保持電流和層間溫度不變，堆積速度增加，表面質(zhì)量提高；保持堆積速度和層間溫度不變，電流增加，表面質(zhì)量下降。
　　為實(shí)時(shí)檢測(cè)GMA-AM過(guò)程熔敷層尺寸，設(shè)計(jì)了一套用于熔敷尺寸控制的雙被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，可同時(shí)獲得熔敷層寬度和焊槍到熔敷層表面的高度圖像。采用高斯濾波去噪、邊緣提取、Hough變

6、換擬合等圖像處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了GMA-AM熔敷層尺寸實(shí)時(shí)處理算法，實(shí)現(xiàn)了熔敷層寬度、高度參數(shù)的在線準(zhǔn)確檢測(cè)，為過(guò)程建模和控制器設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
　　采用單變量階躍響應(yīng)傳遞函數(shù)方法建立了工藝參數(shù)與熔敷層尺寸的單輸入單輸出動(dòng)態(tài)模型，分析了系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特點(diǎn)。成形過(guò)程存在非線性、時(shí)滯等特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型難以精確描述。隨機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)了堆積速度與熔敷層尺寸的非線性Hammerstein模型，該模型可用于控制系統(tǒng)仿真。
　　針對(duì)GMA-

7、AM過(guò)程多變量、多干擾的特點(diǎn)，以熔敷層寬度為被控變量，堆積速度為控制變量，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)(Proportional Summational Differential，PSD)控制器。仿真結(jié)果和干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器性能。參數(shù)自學(xué)習(xí)PSD控制器在熔敷層定寬度和變寬度控制中均可以獲得良好的控制效果。同時(shí)為了滿足熔敷層高度的穩(wěn)定性要求，對(duì)熔敷層上表面到焊槍噴嘴的距離進(jìn)行了宏觀監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制。
　　最后，應(yīng)用GMA-AM技術(shù)成形了航