本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)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(guò)程熔滴沉積率的檢測(cè)，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(guò)程中對(duì)熔滴沉積率的檢測(cè)。

背景技術(shù)：

直接制造金屬零件以及金屬部件，是制造業(yè)對(duì)金屬材料三維快速成形制造技術(shù)提出的終極目標(biāo)。早在20世紀(jì)90年代三維快速成形制造技術(shù)發(fā)展的初期，研究人員便已經(jīng)嘗試基于各種快速原型制造方法實(shí)現(xiàn)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(shù)相比，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(selectedlasersintering,sls)由于其使用粉末材料的特點(diǎn)，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(shù)中的逐步應(yīng)用，sls技術(shù)隨之發(fā)展成為選區(qū)激光熔化成形技術(shù)(selectivelasermelting,slm)。該技術(shù)利用高能量的激光束照射預(yù)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(shù)發(fā)展的同時(shí)，基于激光堆焊和激光熔覆技術(shù)，逐漸形成了金屬成形制造技術(shù)研究的另一重要分枝——激光快速成形技術(shù)(laserrapidforming,lrf)或激光立體成形技術(shù)(lasersolidforming,lsf)。該技術(shù)利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側(cè)向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制，將熔化后的液態(tài)金屬按照預(yù)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(jīng)過(guò)后續(xù)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(shù)和lrf技術(shù)作為金屬快速成形制造技術(shù)的兩個(gè)主要研究熱點(diǎn)，引領(lǐng)著當(dāng)前金屬快速成形制造技術(shù)的發(fā)展。采用激光等高能束熱源進(jìn)行金屬材料的快速成形制造，其設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且成形工藝復(fù)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(shù)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(shè)備及工藝方法制成由全焊縫金屬組成的零件，因此又稱(chēng)為電弧三維快速成形制造技術(shù)。在電弧三維快速成形制造過(guò)程中，制造效率評(píng)估對(duì)于制造過(guò)程的有效控制和制造工藝的優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，而輸出電弧能量作用于制造區(qū)而產(chǎn)生的熔滴過(guò)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(guò)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(yīng)會(huì)以不同形式釋放能量。由于不同電弧能量輸出產(chǎn)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(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)金屬材料的電弧三維快速成形等增材制造應(yīng)用領(lǐng)域，提供一種熔滴沉積率檢測(cè)方法。本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧三維快速成形制造過(guò)程中的電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)，利用小波分析和信號(hào)特征提取獲得熔滴過(guò)渡特征信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)制造效率的評(píng)估。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)方法，所述方法實(shí)時(shí)檢測(cè)加工過(guò)程中的電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)，利用電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)獲得熔滴過(guò)渡特征信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)，所述方法的步驟如下：

(1)實(shí)時(shí)采集完整加工過(guò)程電弧回路中的電弧功率信號(hào)，繪制得到電弧功率隨時(shí)間變化的信號(hào)波形；

(2)設(shè)定電弧功率信號(hào)振幅門(mén)限值，提取高于電弧功率門(mén)限值的電弧功率時(shí)域信號(hào)波形，得到電弧功率時(shí)域特征波形；

(3)利用小波分析方法對(duì)電弧功率時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪；

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

(5)將電弧功率信號(hào)低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出加工過(guò)程中的熔滴沉積率變化時(shí)域波形；

(6)由熔滴沉積率變化時(shí)域波形得出加工過(guò)程中任意加工時(shí)刻熔滴沉積率值。

所述電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型的獲得方法如下：

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

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

(3)沿x方向直線進(jìn)行單道單層熔滴過(guò)渡沉積，對(duì)每一沉積過(guò)程實(shí)時(shí)采集電弧回路中的電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)；

(4)x方向行程結(jié)束，停止電弧工作和電弧功率信號(hào)、熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)采集；

(5)由電弧功率信號(hào)計(jì)算得出各組電弧功率參數(shù)下的電弧輸出功率平均值，由熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)計(jì)算得到各組電弧功率參數(shù)對(duì)應(yīng)的熔滴沉積率；

(6)以計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)繪制出關(guān)系曲線，并擬合得到電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型。

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

(1)稱(chēng)量基板質(zhì)量(m0)，安裝基板，并可靠水平固定，將電弧焊槍夾持于三維數(shù)控工作平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)，調(diào)整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直；

(2)安裝聲發(fā)射傳感器于基板上，且正對(duì)加工制造區(qū)域的中心位置；

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

(4)設(shè)定任一電弧功率參數(shù)，沿x方向直線進(jìn)行單道單層熔滴過(guò)渡沉積，對(duì)每一沉積過(guò)程實(shí)時(shí)采集熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)；

(5)x方向行程結(jié)束，停止電弧工作和熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)采集；

(6)稱(chēng)量基板及沉積在基板上的熔滴沉積層總質(zhì)量(mt)；

(7)由熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)提取熔滴過(guò)渡聲發(fā)射事件得出在x方向行程中熔滴過(guò)渡的總個(gè)數(shù)n、熔滴過(guò)渡頻率f；

(8)將熔滴過(guò)渡總個(gè)數(shù)n、熔滴過(guò)渡頻率f、基板質(zhì)量m0、基板和熔滴沉積層總質(zhì)量mt帶入公式：

計(jì)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(hào)振幅門(mén)限值需不小于電弧功率信號(hào)平均振幅的1/2。

本發(fā)明的創(chuàng)新在于通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧三維快速成形制造過(guò)程中的電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)，利用小波分析和信號(hào)特征提取獲得熔滴過(guò)渡特征信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可操作性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)熔滴沉積率及電弧三維快速成形制造效率的離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)；

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造成本低廉；

(3)監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀，并且符合電弧三維快速成形制造的實(shí)際工況；

(4)數(shù)據(jù)計(jì)算量小，可實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是熔滴沉積率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖。

圖2是實(shí)施例1的電弧功率-熔滴沉積率關(guān)系曲線圖；

圖3是實(shí)施例2檢測(cè)的電弧功率隨時(shí)間變化信號(hào)波形(2.92s～3.00s時(shí)間段)。

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

圖5是實(shí)施例2加工過(guò)程中的熔滴沉積率變化時(shí)域波形(2.92s～3.00s時(shí)間段)。

圖6是實(shí)施例3檢測(cè)的電弧功率隨時(shí)間變化信號(hào)波形(1.30s～1.45s時(shí)間段)。

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

圖8是實(shí)施例3加工過(guò)程中的熔滴沉積率變化時(shí)域波形(1.30s～1.45s時(shí)間段)。

圖中，1三維數(shù)控工作平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)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(hào)調(diào)理器、7數(shù)據(jù)采集卡、8計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

參見(jiàn)圖1，熔滴沉積率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括行走機(jī)構(gòu)夾持端1、電弧焊槍2、電弧功率傳感器5、信號(hào)調(diào)理器6、數(shù)據(jù)采集卡7和計(jì)算機(jī)8等。電弧焊槍2產(chǎn)生的電弧3作用于基板4上，利用電弧功率傳感器5實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧3的輸出電弧功率的檢測(cè)。檢測(cè)得到的電弧功率信號(hào)傳遞給信號(hào)調(diào)理器6處理，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡7后送到計(jì)算機(jī)8，由計(jì)算機(jī)8裝載的軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算等處理，得到檢測(cè)結(jié)果。

實(shí)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(chēng)量基板質(zhì)量，得其質(zhì)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(shù)控工作平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)，調(diào)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(fù)極。安裝電弧功率傳感器于電弧正負(fù)極兩端，安裝聲發(fā)射傳感器于基板上，且正對(duì)加工制造區(qū)域的中心位置。設(shè)定電弧電流輸出為164a，電弧電壓輸出為22.8v。使用的保護(hù)氣體為99.999％高純氬氣，且保護(hù)氣體流量為20l/min。沿x方向設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度為10mm/s，行走時(shí)長(zhǎng)7.6s，行程為76.0mm。打開(kāi)電弧電源，使電弧開(kāi)始燃燒，并在燃燒過(guò)程中沿x方向勻速直線行走進(jìn)行單道單層熔滴過(guò)渡沉積。對(duì)每一沉積過(guò)程實(shí)時(shí)采集電弧功率信號(hào)和熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)。x方向行程結(jié)束，停止電弧工作和電弧功率信號(hào)、熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)采集。稱(chēng)量基板及沉積在基板上的熔滴沉積層總質(zhì)量，得出mt＝60.98g。由電弧功率信號(hào)計(jì)算得出電弧功率輸出平均值為3.74kw，由熔滴過(guò)渡聲發(fā)射信號(hào)提取熔滴過(guò)渡聲發(fā)射事件得出在x方向行程中熔滴過(guò)渡的總個(gè)數(shù)n＝1826、熔滴過(guò)渡頻率f＝240hz。將熔滴過(guò)渡總個(gè)數(shù)n、熔滴過(guò)渡頻率f、基板質(zhì)量m0、基板和熔滴沉積層總質(zhì)量mt帶入公式：

計(jì)算得出熔滴沉積率vf＝139.24mm³/s。如此，以計(jì)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(biāo)系上描述電弧功率與熔滴沉積率關(guān)系的第一個(gè)點(diǎn)。

繼續(xù)分別設(shè)定十四組電弧電壓和電弧電流輸出值，即電弧功率參數(shù)，按照上述方法，陸續(xù)測(cè)定后續(xù)描述電弧功率與熔滴沉積率關(guān)系的十四個(gè)點(diǎn)。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(gè)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系上繪制出電弧功率-熔滴沉積率關(guān)系曲線，如圖2所示,，并擬合得到電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

該模型即可用于對(duì)電弧三維快速成形制造的熔滴沉積率檢測(cè)。

實(shí)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(shè)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(hù)氣體為99.999％高純氬氣，且保護(hù)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(fù)極。安裝基板，并可靠水平固定，調(diào)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(fù)極兩端。沿x方向設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度為10mm/s，行走時(shí)長(zhǎng)4.5s，行程為45.0mm，使電弧在燃燒過(guò)程中勻速行走。實(shí)時(shí)采集完整加工過(guò)程電弧回路中的電弧功率信號(hào)，繪制得到電弧功率隨時(shí)間變化的信號(hào)波形，如圖3所示。設(shè)定電弧功率信號(hào)振幅門(mén)限值為3.0，提取高于電弧功率門(mén)限值的電弧功率時(shí)域信號(hào)波形，得到電弧功率時(shí)域特征波形。利用小波分析的方法對(duì)電弧功率時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析方法提取電弧功率時(shí)域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧功率信號(hào)低頻成分特征波形圖，如圖4所示。將電弧功率信號(hào)低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

計(jì)算得出加工過(guò)程中的熔滴沉積率變化時(shí)域波形，如圖5所示，即可得出加工過(guò)程中任意加工時(shí)刻對(duì)應(yīng)的熔滴沉積率數(shù)值，如2.95s時(shí)刻熔滴沉積率為155.44mm³/s，2.98s時(shí)刻熔滴沉積率為146.29mm³/s。

實(shí)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(shè)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(hù)氣體為99.999％高純氬氣，且保護(hù)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(fù)極。安裝基板，并可靠水平固定，調(diào)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(fù)極兩端。沿x方向設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度為10mm/s，行走時(shí)長(zhǎng)6.0s，行程為60.0mm，使電弧在燃燒過(guò)程中勻速行走。實(shí)時(shí)采集完整加工過(guò)程電弧回路中的電弧功率信號(hào)，繪制得到電弧功率隨時(shí)間變化的信號(hào)波形，如圖6所示。設(shè)定電弧功率信號(hào)振幅門(mén)限值為3.0，提取高于電弧功率門(mén)限值的電弧功率時(shí)域信號(hào)波形，得到電弧功率時(shí)域特征波形。利用小波分析的方法對(duì)電弧功率時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析方法提取電弧功率時(shí)域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧功率信號(hào)低頻成分特征波形圖，如圖7所示。將電弧功率信號(hào)低頻成分特征波形帶入電弧功率-熔滴沉積率數(shù)學(xué)模型：

vf＝-110.62+95.85×p-7.78×p²

計(jì)算得出加工過(guò)程中的熔滴沉積率變化時(shí)域波形，如圖8所示，即可得出加工過(guò)程中任意加工時(shí)刻對(duì)應(yīng)的熔滴沉積率數(shù)值，如1.35s時(shí)刻熔滴沉積率為156.61mm³/s，1.43s時(shí)刻熔滴沉積率為153.73mm³/s。

由上述實(shí)施例的結(jié)果可以看出，利用本發(fā)明所述方法可以較為準(zhǔn)確快捷地實(shí)現(xiàn)電弧三維快速成形制造過(guò)程中對(duì)熔滴沉積率的監(jiān)測(cè)。