一種應用于電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測方法與流程

本發明涉及一種應用于電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測方法，適用于tig、mig、mag、paw等金屬材料電弧三維快速成形制造過程熔滴沉積率的檢測，也適用于金屬材料電弧堆焊、電弧熔敷等其它電弧增材制造過程中對熔滴沉積率的檢測。

背景技術：

直接制造金屬零件以及金屬部件，是制造業對金屬材料三維快速成形制造技術提出的終極目標。早在20世紀90年代三維快速成形制造技術發展的初期，研究人員便已經嘗試基于各種快速原型制造方法實現金屬制件的制備。與立體光造型(stereolithography,sla)、疊層制造(laminatedobjectmanufacturing,lom)、熔融沉積成型(fuseddepositionmodeling,fdm)等快速原型制造技術相比，選擇性激光燒結技術(selectedlasersintering,sls)由于其使用粉末材料的特點，為制備金屬制件提供了一種最直接的可能。隨著大功率激光器在快速成形技術中的逐步應用，sls技術隨之發展成為選區激光熔化成形技術(selectivelasermelting,slm)。該技術利用高能量的激光束照射預先鋪覆好的金屬粉末材料，將其直接熔化并固化成形獲得金屬制件。在slm技術發展的同時，基于激光堆焊和激光熔覆技術，逐漸形成了金屬成形制造技術研究的另一重要分枝——激光快速成形技術(laserrapidforming,lrf)或激光立體成形技術(lasersolidforming,lsf)。該技術利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側向噴射的金屬粉末直接熔化為液態，通過運動控制，將熔化后的液態金屬按照預定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件，并經過后續的小余量加工后以及必要的后處理獲得最終的金屬制件。

slm技術和lrf技術作為金屬快速成形制造技術的兩個主要研究熱點，引領著當前金屬快速成形制造技術的發展。采用激光等高能束熱源進行金屬材料的快速成形制造，其設備復雜、價格昂貴，而且成形工藝復雜，成形零件微觀組織的致密度不高。電弧快速成形制造技術就是在這種背景之下興起的，使用焊接電弧作為熱源，采用焊接設備及工藝方法制成由全焊縫金屬組成的零件，因此又稱為電弧三維快速成形制造技術。在電弧三維快速成形制造過程中，制造效率評估對于制造過程的有效控制和制造工藝的優化具有非常重要的現實意義，而輸出電弧能量作用于制造區而產生的熔滴過渡和有效沉積是影響制造效率的重要因素。在電弧三維快速成形制造過程中，電弧輸出的有效能量作用于熔滴與熔池形成的相互作用效應會以不同形式釋放能量。由于不同電弧能量輸出產生的熔滴沉積率具有明顯差異性，使電弧輸出能量與制造效率形成了一定的映射關系。

技術實現要素：

本發明針對金屬材料的電弧三維快速成形等增材制造應用領域，提供一種熔滴沉積率檢測方法。本發明通過實時監測電弧三維快速成形制造過程中的電弧功率信號和熔滴過渡聲發射信號，利用小波分析和信號特征提取獲得熔滴過渡特征信息，實現對電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測，從而可實現對制造效率的評估。

本發明采取以下技術方案：

一種應用于電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測方法，所述方法實時檢測加工過程中的電弧功率信號和熔滴過渡激發的聲發射信號，利用電弧功率信號和熔滴過渡激發的聲發射信號獲得熔滴過渡特征信息，實現對電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測，所述方法的步驟如下：

(1)實時采集完整加工過程電弧回路中的電弧功率信號，繪制得到電弧功率隨時間變化的信號波形；

(2)設定電弧功率信號振幅門限值，提取高于電弧功率門限值的電弧功率時域信號波形，得到電弧功率時域特征波形；

(3)利用小波分析方法對電弧功率時域特征波形進行消噪；

(4)利用小波包分析方法提取電弧功率時域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧功率信號低頻成分特征波形圖；

(5)將電弧功率信號低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數學模型計算得出加工過程中的熔滴沉積率變化時域波形；

(6)由熔滴沉積率變化時域波形得出加工過程中任意加工時刻熔滴沉積率值。

所述電弧功率-熔滴沉積率數學模型的獲得方法如下：

(1)分別設定不少于十五組電弧功率參數，沿x方向設定任一速度和行程，使電弧在燃燒過程和熔滴沉積過程中勻速行走；

(2)安裝聲發射傳感器于基板上，且正對加工制造區域的中心位置，安裝電弧功率傳感器于電弧正負極兩端；

(3)沿x方向直線進行單道單層熔滴過渡沉積，對每一沉積過程實時采集電弧回路中的電弧功率信號和熔滴過渡聲發射信號；

(4)x方向行程結束，停止電弧工作和電弧功率信號、熔滴過渡聲發射信號采集；

(5)由電弧功率信號計算得出各組電弧功率參數下的電弧輸出功率平均值，由熔滴過渡聲發射信號計算得到各組電弧功率參數對應的熔滴沉積率；

(6)以計算得到的各組電弧功率平均值為x軸，以熔滴沉積率為y軸，利用計算機系統繪制出關系曲線，并擬合得到電弧功率-熔滴沉積率數學模型。

所述的各組電弧功率參數下進行單道單層熔滴過渡沉積的熔滴沉積率的獲得方法如下：

(1)稱量基板質量(m0)，安裝基板，并可靠水平固定，將電弧焊槍夾持于三維數控工作平臺的行走機構，調整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直；

(2)安裝聲發射傳感器于基板上，且正對加工制造區域的中心位置；

(3)沿x方向設定任一速度和行程，使電弧在燃燒過程和熔滴沉積過程中勻速行走；

(4)設定任一電弧功率參數，沿x方向直線進行單道單層熔滴過渡沉積，對每一沉積過程實時采集熔滴過渡聲發射信號；

(5)x方向行程結束，停止電弧工作和熔滴過渡聲發射信號采集；

(6)稱量基板及沉積在基板上的熔滴沉積層總質量(mt)；

(7)由熔滴過渡聲發射信號提取熔滴過渡聲發射事件得出在x方向行程中熔滴過渡的總個數n、熔滴過渡頻率f；

(8)將熔滴過渡總個數n、熔滴過渡頻率f、基板質量m0、基板和熔滴沉積層總質量mt帶入公式：

計算得出熔滴沉積率，其中，vf表示熔滴沉積率，ρ表示熔滴密度。

所述電弧功率信號振幅門限值需不小于電弧功率信號平均振幅的1/2。

本發明的創新在于通過實時監測電弧三維快速成形制造過程中的電弧功率信號和熔滴過渡聲發射信號，利用小波分析和信號特征提取獲得熔滴過渡特征信息，實現對電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測，與現有技術相比具有以下優點：

(1)可操作性強，可實現熔滴沉積率及電弧三維快速成形制造效率的離線檢測和在線監測；

(2)系統設計與制造成本低廉；

(3)監測結果直觀，并且符合電弧三維快速成形制造的實際工況；

(4)數據計算量小，可實現快速監測。

附圖說明

圖1是熔滴沉積率監測系統組成示意圖。

圖2是實施例1的電弧功率-熔滴沉積率關系曲線圖；

圖3是實施例2檢測的電弧功率隨時間變化信號波形(2.92s～3.00s時間段)。

圖4是實施例2提取的電弧功率信號低頻成分特征波形(2.92s～3.00s時間段)。

圖5是實施例2加工過程中的熔滴沉積率變化時域波形(2.92s～3.00s時間段)。

圖6是實施例3檢測的電弧功率隨時間變化信號波形(1.30s～1.45s時間段)。

圖7是實施例3提取的電弧功率信號低頻成分特征波形(1.30s～1.45s時間段)。

圖8是實施例3加工過程中的熔滴沉積率變化時域波形(1.30s～1.45s時間段)。

圖中，1三維數控工作平臺行走機構夾持端、2電弧焊槍、3電弧、4基板、5電弧功率傳感器、6信號調理器、7數據采集卡、8計算機。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。

參見圖1，熔滴沉積率監測系統主要包括行走機構夾持端1、電弧焊槍2、電弧功率傳感器5、信號調理器6、數據采集卡7和計算機8等。電弧焊槍2產生的電弧3作用于基板4上，利用電弧功率傳感器5實現對電弧3的輸出電弧功率的檢測。檢測得到的電弧功率信號傳遞給信號調理器6處理，再通過數據采集卡7后送到計算機8，由計算機8裝載的軟件對信號進行計算等處理，得到檢測結果。

實施例1：

采用的基板為厚度4mm的6061鋁合金板，金屬絲材選用直徑為1.2mm的alsi系鋁合金焊絲。稱量基板質量，得其質量m0＝58.44g。安裝基板，并可靠水平固定，將電弧焊槍夾持于三維數控工作平臺的行走機構，調整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直。所用的鋁合金焊絲接電源正極，基板接電源負極。安裝電弧功率傳感器于電弧正負極兩端，安裝聲發射傳感器于基板上，且正對加工制造區域的中心位置。設定電弧電流輸出為164a，電弧電壓輸出為22.8v。使用的保護氣體為99.999％高純氬氣，且保護氣體流量為20l/min。沿x方向設定工作臺移動速度為10mm/s，行走時長7.6s，行程為76.0mm。打開電弧電源，使電弧開始燃燒，并在燃燒過程中沿x方向勻速直線行走進行單道單層熔滴過渡沉積。對每一沉積過程實時采集電弧功率信號和熔滴過渡聲發射信號。x方向行程結束，停止電弧工作和電弧功率信號、熔滴過渡聲發射信號采集。稱量基板及沉積在基板上的熔滴沉積層總質量，得出mt＝60.98g。由電弧功率信號計算得出電弧功率輸出平均值為3.74kw，由熔滴過渡聲發射信號提取熔滴過渡聲發射事件得出在x方向行程中熔滴過渡的總個數n＝1826、熔滴過渡頻率f＝240hz。將熔滴過渡總個數n、熔滴過渡頻率f、基板質量m0、基板和熔滴沉積層總質量mt帶入公式：

計算得出熔滴沉積率vf＝139.24mm³/s。如此，以計算得到的電弧功率平均值為x軸，以熔滴沉積率為y軸，得到直角坐標系上描述電弧功率與熔滴沉積率關系的第一個點。

繼續分別設定十四組電弧電壓和電弧電流輸出值，即電弧功率參數，按照上述方法，陸續測定后續描述電弧功率與熔滴沉積率關系的十四個點。以電弧功率平均值為x軸，以熔滴沉積率為y軸，將上述十五個點在直角坐標系上繪制出電弧功率-熔滴沉積率關系曲線，如圖2所示,，并擬合得到電弧功率-熔滴沉積率數學模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

該模型即可用于對電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測。

實施例2：

采用的基板為厚度4mm的6061鋁合金板，金屬絲材選用直徑為1.2mm的alsi系鋁合金焊絲。設定電弧電流輸出為120a，電弧電壓輸出為18.2v，脈沖頻率為100hz，基值電流為20a。使用的保護氣體為99.999％高純氬氣，且保護氣體流量為20l/min。所用的鋁合金焊絲接電源正極，基板接電源負極。安裝基板，并可靠水平固定，調整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直。安裝電弧功率傳感器于電弧正負極兩端。沿x方向設定工作臺移動速度為10mm/s，行走時長4.5s，行程為45.0mm，使電弧在燃燒過程中勻速行走。實時采集完整加工過程電弧回路中的電弧功率信號，繪制得到電弧功率隨時間變化的信號波形，如圖3所示。設定電弧功率信號振幅門限值為3.0，提取高于電弧功率門限值的電弧功率時域信號波形，得到電弧功率時域特征波形。利用小波分析的方法對電弧功率時域特征波形進行消噪，利用小波包分析方法提取電弧功率時域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧功率信號低頻成分特征波形圖，如圖4所示。將電弧功率信號低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數學模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

計算得出加工過程中的熔滴沉積率變化時域波形，如圖5所示，即可得出加工過程中任意加工時刻對應的熔滴沉積率數值，如2.95s時刻熔滴沉積率為155.44mm³/s，2.98s時刻熔滴沉積率為146.29mm³/s。

實施例3：

采用的基板為厚度4mm的6061鋁合金板，金屬絲材選用直徑為1.2mm的alsi系鋁合金焊絲。設定電弧電流輸出為130a，電弧電壓輸出為18.6v，脈沖頻率為100hz，基值電流為20a。使用的保護氣體為99.999％高純氬氣，且保護氣體流量為20l/min。所用的鋁合金焊絲接電源正極，基板接電源負極。安裝基板，并可靠水平固定，調整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直。安裝電弧功率傳感器于電弧正負極兩端。沿x方向設定工作臺移動速度為10mm/s，行走時長6.0s，行程為60.0mm，使電弧在燃燒過程中勻速行走。實時采集完整加工過程電弧回路中的電弧功率信號，繪制得到電弧功率隨時間變化的信號波形，如圖6所示。設定電弧功率信號振幅門限值為3.0，提取高于電弧功率門限值的電弧功率時域信號波形，得到電弧功率時域特征波形。利用小波分析的方法對電弧功率時域特征波形進行消噪，利用小波包分析方法提取電弧功率時域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧功率信號低頻成分特征波形圖，如圖7所示。將電弧功率信號低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數學模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

計算得出加工過程中的熔滴沉積率變化時域波形，如圖8所示，即可得出加工過程中任意加工時刻對應的熔滴沉積率數值，如1.35s時刻熔滴沉積率為156.61mm³/s，1.43s時刻熔滴沉積率為153.73mm³/s。

由上述實施例的結果可以看出，利用本發明所述方法可以較為準確快捷地實現電弧三維快速成形制造過程中對熔滴沉積率的監測。