CN113909633B - 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 - Google Patents
机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113909633B CN113909633B CN202111167019.1A CN202111167019A CN113909633B CN 113909633 B CN113909633 B CN 113909633B CN 202111167019 A CN202111167019 A CN 202111167019A CN 113909633 B CN113909633 B CN 113909633B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electromagnetic induction
- induction heating
- annular electromagnetic
- control system
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/32—Accessories
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P23/00—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/26—Methods of annealing
- C21D1/28—Normalising
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
Abstract
本发明公开一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法。***包括环状电磁感应加热单元,多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒,每层加热单元连接至计算机并独立控制,每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器,加热筒内部为工作区域,升降机上端连接水平工作台,水平工作台上装配一块基板,六轴机器人在基板上进行增材制造。本发明通过对增材时每层独立加热,在每次增材完一层时,升降机下降一个层间距,保持整个轴类零件处于加热筒中,由计算机控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态,从而实现对整个轴类零件的控温,使整个轴类零件处于比较均一的温度场,减小残余应力,最终减少成型件翘曲、开裂等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材领域,具体涉及一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法。
背景技术
电弧增材制造3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术,即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备,然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。
因以电弧为载能束,热输入高,成形速度快,适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求,其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展,因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。
然而,电弧增材制造过程中热输入量大,工件温度场分布复杂,增材过程中产生的残余应力严重制约着成形件的质量。目前,主要通过采用改变增材方式、优化增材路径以及进行焊前预热、层间冷却、焊后热处理等来减少增材部件的残余应力。总结了电弧增材制造程残余应力产生的原因,其一是由于温度场分布不均以及冷却凝固不一致,其二是因为金属局部相变产生相变残余应力。研究发现,电弧增材制造成形部件各方向残余应力较大,最大残余应力出现在成形层底部。
目前,主要消除残余应力的方法有:1、在增材过程中采用原位滚压的方法减小残余应力,其可有效降低残余应力峰值尤其是底层和基板之间的残余应力,并细化晶粒。2、将激光冲击应用于改善电弧增材构件微观组织以及力学性能。3、在低合金钢电弧增材制造过程中引入磁场以改善成形件残余应力分布。4、将感应加热作为第二热源加入增材制造过程中。但是目前已有的方式难以***有效的控制增材零件的温度场,降低增材过程中的残余应力效果局限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制***,对已成形部件进行加热,同时可对其进行正火热处理,减小残余应力,降低成形件翘曲、开裂的趋势,提高生产过程中的良品率,减少设备总体能耗,减少温度对于成形部件尺寸的制约。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***,其特征在于,包括多个环状电磁感应加热单元,温度传感器,基板,水平工作台,升降机,焊接机器人和计算机控制***;
多个环状电磁感应加热单元堆叠形成加热筒,每个环状电磁感应加热单元连接至计算机控制***并可独立控制,每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器,升降机上端连接水平工作台,升降机连接计算机控制***,水平工作台上装配基板,焊接机器人在基板上进行增材制造轴类件,加热筒设置在轴类件的外周,由计算机控制***控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态,从而实现对整个轴类件的控温。
进一步的,每个环状电磁感应加热单元的高度为5~15mm,加热筒的高度为50~3000mm。
进一步的,焊接机器人的自由度采用五轴、六轴或者七轴;焊接机器人热源采用电弧或等离子;计算机控制***采用闭环控制。
一种采用上述的控制***控制应力的方法,包括如下步骤:
步骤一:将基板装配在水平工作台上,由计算机控制***调整基板高度,使基板上表面与多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒的上表面平行,在计算机控制***预设加热温度T;
步骤二:焊接机器人在程序控制下在基板上进行增材制造第一层;
步骤三:升降机下降一个层厚,使增材轴类件上表面与多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒的上表面平行;
步骤四:计算机控制***得到增材轴类件高度,控制增材轴类件高度区域内环状电磁感应加热单元工作,环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器测量轴类件对应层温度,若测量轴类件温度T1>预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元不加热,等待轴类件冷却;若测量轴类件温度T1<预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元开始加热,直至轴类件温度T1=预设加热温度T,在整个增材过程中使轴类件温度T1=预设加热温度T;
步骤五:焊接机器人在程序控制下在轴类件上表面进行增材制造第2层;
步骤六:执行步骤三与步骤四;循环上述过程,直至实现轴类件的实体制造。
进一步的,在进行增材制造前,在多层环状电磁感应加热单元堆叠组成的加热筒内部充入惰性气体。
进一步的,所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:
本发明对已成形轴类部件进行加热,同时可对其进行正火热处理,减小残余应力,降低成形件翘曲、开裂的趋势,提高生产过程中的良品率,减少设备总体能耗,减少温度对于成形部件尺寸的制约;通过有限元软件分析,加热后应力几乎完全消失。
附图说明
图1为本发明的控制***主视图。
图2为本发明的控制***俯视图。
图3为现有技术中轴类件增材等效应力图。
图4为本发明的轴类件增材等效应力图。
附图标记说明:
1-环状电磁感应加热单元,2-温度传感器,3-轴类件,4-基板,5-水平工作台,6-升降机,7-焊接机器人,8-控制***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示,机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制***,包括环状电磁感应加热单元1,多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒,每层加热单元1连接至计算机控制***8并可独立控制,每层环状电磁感应加热单元1内侧连接温度传感器2,升降机6上端连接水平工作台5,升降机6连接计算机控制***8,水平工作台上5装配一块基板4,六轴焊接机器人7在基板4上进行增材制造轴类零件3。
使用所述的机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制***的生产工艺,包括以下步骤:
步骤一:将基板4装配在水平工作台5上,由计算机控制***8调整基板4高度,使基板4上表面与多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒的上表面平行,在计算机控制***8预设加热温度T。
步骤二:六轴焊接机器人7在程序控制下在基板4上进行增材制造第一层。
步骤三:升降机6下降一个层厚,使增材轴类零件3上表面与多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒的上表面平行。
步骤四:计算机控制***8得到增材轴类零件3高度,控制增材轴类零件3高度区域内环状电磁感应加热单元1工作,环状电磁感应加热单元1内侧连接温度传感器2测量轴类零件3对应层温度,若测量轴类零件3温度T1>预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元1不加热,等待轴类零件3冷却;若测量轴类零件3温度T1<预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元1开始加热,直至轴类零件3温度T1=预设加热温度T,在整个增材过程中使轴类零件3温度T1=预设加热温度T。
步骤五:六轴焊接机器人7在程序控制下在轴类零件3上表面进行增材制造第2层
步骤六:执行步骤三与步骤四。循环上述过程,直至实现轴类零件3的实体制造。
Claims (4)
1.一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***,其特征在于,包括多个环状电磁感应加热单元(1),温度传感器(2),基板(4),水平工作台(5),升降机(6),焊接机器人(7)和计算机控制***(8);
多个环状电磁感应加热单元堆叠形成加热筒,每个环状电磁感应加热单元(1)连接至计算机控制***(8)并可独立控制,每层环状电磁感应加热单元(1)内侧连接温度传感器(2),升降机(6)上端连接水平工作台(5),升降机(6)连接计算机控制***(8),水平工作台(5)上装配基板(4),焊接机器人(7)在基板(4)上进行增材制造轴类件(3),加热筒设置在轴类件(3)的外周,由计算机控制***控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态,从而实现对整个轴类件的控温;
每个环状电磁感应加热单元(1)的高度为5~15mm,加热筒的高度为50~3000mm;
焊接机器人(7)的自由度采用五轴、六轴或者七轴;焊接机器人(7)热源采用电弧或等离子;计算机控制***(8)采用闭环控制。
2.一种采用权利要求1所述的控制***控制应力的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:将基板(4)装配在水平工作台(5)上,由计算机控制***(8)调整基板(4)高度,使基板(4)上表面与多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成加热筒的上表面平行,在计算机控制***(8)预设加热温度T;
步骤二:焊接机器人(7)在程序控制下在基板(4)上进行增材制造第一层;
步骤三:升降机(6)下降一个层厚,使增材轴类件(3)上表面与多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成加热筒的上表面平行;
步骤四:计算机控制***(8)得到增材轴类件(3)高度,控制增材轴类件(3)高度区域内环状电磁感应加热单元(1)工作,环状电磁感应加热单元(1)内侧连接温度传感器(2)测量轴类件(3)对应层温度,若测量轴类件(3)温度T1>预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元(1)不加热,等待轴类件(3)冷却;若测量轴类件(3)温度T1<预设加热温度T,则环状电磁感应加热单元(1)开始加热,直至轴类件(3)温度T1=预设加热温度T,在整个增材过程中使轴类件(3)温度T1=预设加热温度T;
步骤五:焊接机器人(7)在程序控制下在轴类件(3)上表面进行增材制造第2层;
步骤六:执行步骤三与步骤四;循环上述过程,直至实现轴类件(3)的实体制造。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在进行增材制造前,在多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成的加热筒内部充入惰性气体。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111167019.1A CN113909633B (zh) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111167019.1A CN113909633B (zh) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113909633A CN113909633A (zh) | 2022-01-11 |
CN113909633B true CN113909633B (zh) | 2023-07-18 |
Family
ID=79237910
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111167019.1A Active CN113909633B (zh) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113909633B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114769624A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-07-22 | 南京航空航天大学 | 原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1714989A (zh) * | 2004-06-10 | 2006-01-04 | 联合工艺公司 | 用于高强度超合金连接和材料沉积的预先加热均匀焊接 |
CN106670623A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-05-17 | 湘潭大学 | 一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置 |
CN107803500A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-16 | 西安铂力特增材技术股份有限公司 | 一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法 |
WO2020156224A1 (zh) * | 2019-01-28 | 2020-08-06 | 东北大学 | 一种镁合金的丝材电弧增材制造方法 |
CN112958875A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-15 | 南京航空航天大学 | 一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106956060B (zh) * | 2017-03-23 | 2018-08-24 | 湘潭大学 | 电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法 |
US10933493B2 (en) * | 2017-09-25 | 2021-03-02 | Raytheon Technologies Corporation | Additive manufacturing in situ stress relief |
NZ764390A (en) * | 2018-04-14 | 2021-07-30 | Aml3D Ltd | Method and apparatus for manufacturing 3d metal parts |
CN112139497B (zh) * | 2020-09-21 | 2021-12-17 | 大连理工大学 | 一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法 |
CN113275568A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-20 | 华中科技大学 | 一种电磁感应加热辅助slm成形装置及成形方法 |
-
2021
- 2021-10-01 CN CN202111167019.1A patent/CN113909633B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1714989A (zh) * | 2004-06-10 | 2006-01-04 | 联合工艺公司 | 用于高强度超合金连接和材料沉积的预先加热均匀焊接 |
CN106670623A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-05-17 | 湘潭大学 | 一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置 |
CN107803500A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-16 | 西安铂力特增材技术股份有限公司 | 一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法 |
WO2020156224A1 (zh) * | 2019-01-28 | 2020-08-06 | 东北大学 | 一种镁合金的丝材电弧增材制造方法 |
CN112958875A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-15 | 南京航空航天大学 | 一种复合能量冲击消除电弧增材制造残余应力的装置与方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113909633A (zh) | 2022-01-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7002142B2 (ja) | 付加製造過程で部品の変形及び精度を並行制御する方法 | |
CN106825348B (zh) | 金属锻焊增材制造装置及锻造方法 | |
CN107584118B (zh) | 增材制造用锻压热处理一体化装置及进行增材制造的方法 | |
CN110977172A (zh) | 一种电弧增材与激光辅助热塑性成形复合制造装置和方法 | |
CN109605039A (zh) | 一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置 | |
CN109514068B (zh) | 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置 | |
CN110744172B (zh) | 电弧增材限行程高频微锻冲击强化锻造头、装置及方法 | |
CN113909633B (zh) | 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制***与方法 | |
CN105127755A (zh) | 一种工件的成型与强化的复合加工装置及方法 | |
CN109226755B (zh) | 提高增材构件沉积层间结合强度的增材制造装置和方法 | |
WO2021068465A1 (zh) | 机器人联动的激光熔覆复合激光锻造的双光束变向控制方法 | |
CN107457469B (zh) | 一种碳钢结构件自压缩电弧增材制造方法 | |
Yan et al. | Stress and deformation evaluation of the subarea scanning effect in direct laser-deposited Ti-6Al-4V | |
KR20220102141A (ko) | 직접 에너지 증착에서의 왜곡 완화 | |
CN108581490A (zh) | 一种多机器人协作增等减材复合加工装置及工艺方法 | |
CN112517924B (zh) | 一种基于反向补偿的电弧增材制造方法 | |
CN103692166A (zh) | 一种特厚合金钢板的制备方法 | |
CN107442955B (zh) | 一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置 | |
CN111906431A (zh) | 一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法 | |
CN109202459B (zh) | 一种钛合金空心叶片增材制造装置及制造方法 | |
CN108465910A (zh) | 一种提高丝材电弧增材制造铝铜合金强度的方法 | |
CN113333561B (zh) | 一种基于导电通道的电磁成形装置及成形方法 | |
CN110153348A (zh) | 锻造装置及锻造方法 | |
CN107234239B (zh) | 机器人姿态控制的电弧沉积激光锻打增材制造方法和装备 | |
CN116460391A (zh) | 一种电弧增材制造马氏体时效钢大型构件的设备及方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |