基于图像处理与数值仿真辅助的电弧增材成形研究_刘美红.pdf

2023 年第 36 卷第 1 期Electronic Sci.Tech./Jan.15，2023https:/journa-收稿日期:2021-05-19基金项目:国家自然科学基金(51961017);云南省基础研究重点项目(202101AS070017);云南省重点研发计划(202103AN080001 002)National Natural Science Foundation of China(51961017);Fundamentalesearch for Major Project of Yunnan(202101AS070017);Major Plan ofYunnan for esearch and Development(202103AN080001 002)作者简介:刘美红(1973 )，女，博士，教授，博士生导师。研究方向:先进制造与密封技术。洪恩航(1991 )，男，硕士研究生。研究方向:电弧增材制造。黎振华(1976 )，男，博士，教授，博士生导师。研究方向:增材制造与新材料。基于图像处理与数值仿真辅助的电弧增材成形研究刘美红1，洪恩航1，黎振华2，滕宝仁3(1 昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500;2 昆明理工大学 材料科学与工程学院，云南 昆明 650093;3 昆明理工大学 工程训练中心，云南 昆明 650500)摘要为解决 Fronius CMT TPS3200 焊接电源提供的焊接模式(CMT 或 CMT+Pulse)与增材策略(单向或往复路径)的选择问题，在相同线能量密度条件下，基于不同模式的单道单层优质焊道成形，探索了单道多层的层宽、层高变化规律，并结合图像处理与数值仿真评价单道 10 层的增材试验。研究发现，针对焊道成形，CMT+Pulse 模式与 CMT 模式分别从第 4 层和第 3 层开始趋于稳定。为优选扫描策略，通过顶层焊道成形和数值仿真结果对比，确定了往复路径优于单向路径。在往复路径下，CMT 模式的焊道成形均优于 CMT+Pulse 模式。研究结果表明，CMT 模式率先达到散热稳定条件，结合优选往复路径，在焊道成形方面具有优势，为后续电弧增材奠定了基础。关键词电弧增材制造;扫描策略;焊接模式;图像处理;数值仿真;粗糙度;斜率;单道多层成形中图分类号TG444+74;TP751文献标识码A文章编号1007 7820(2023)01 007 08doi:10.16180/ki.issn1007 7820.2023.01.002Study on Wire Arc Additive Manufacturing Forming Based onImage Processing and Numerical SimulationLIU Meihong1，HONG Enhang1，LI Zhenhua2，TENG Baoren3(1 Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China;2 Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University ofScience and Technology，Kunming 650093，China;3 Engineering Training Center，KunmingUniversity of Science and Technology，Kunming 650500，China)AbstractTo solve the selection problem of welding mode(CMT or CMT+Pulse)and additive strategy(uni-directional or reciprocating path)provided by Fronius CMT TPS3200 welding power supply，under the same linearenergy density，based on the high quality forming of single track single layer welding bead with different modes，the variation law of layer width and layer height toward single track multi layers is studied，and single track 10 layers bead forming is evaluated by combining image processing and numerical simulation It is found that the weldbead forming of CMT+Pulse mode and CMT mode tend to reach stability from the fourth and third layer，respective-ly In order to select optimal scanning strategy，the reciprocating path for bead forming is better than the unidirection-al path based on the aspect of numerical simulation and evaluation of top weld bead forming Under the reciprocatingpath，the weld bead forming of CMT mode is better than CMT+Pulse mode The results show that the CMT modepreferred to achieve the heat dissipation stability condition，and combined with the optimal reciprocating path，it hasadvantages in welding bead forming，which lays the foundation for subsequent arc additive materialsKeywordswire arc additive manufacturing;scanning strategy;welding mode;image processing;numerical sim-ulation;roughness;slope;single track and multi layer bead forming电弧增材制造依托于近净成形手段，被广泛应用于航空航天、精密制造等领域1。但是电弧增材可调参数多，焊接熔池可控性差，焊接过程不稳定2，使得电弧增材制造在成形精度与性能方面存在不足3。目前，通过辅助手段进行制件成形分析并通过数值仿真模拟工艺过程，已成为国内外学者研究的热点。图像处理作为一种提取增材成形的辅助手段，被大量用于成形评测中。基于拍摄的图像，文献 4采用 Photoshop CS4 直接测距的方式已逐渐被数字图像处理取代。数字图像处理通过图像去噪、边缘检7Electronic Science and Technology刘美红，等:基于图像处理与数值仿真辅助的电弧增材成形研究https:/journa-测5 7 等操作提取与实际焊道成形相匹配的焊道轮廓。在单道多层的成形评测中，文献 8将黑白格标定板作为计算像素大小工具用于获得粗糙度等评价指标的数据。在此基础上，本文采取任意已知尺寸的物品作为标定物简化黑白标定板，通过 OpenCV 截取图片顶层焊道形貌，设置阈值二值化图像后提取焊道轮廓，并遍历轮廓像素点计算预期评价值。焊接仿真主要用于计算焊道温度场，辅助分析增材制造过程。该辅助方法已由线、面热源在平面的移动 9 10 逐渐发展为依托生死单元受热模拟熔滴搭接，使仿真更贴近实际制造情况。但是，生死单元与移动热源相对独立，设置较为复杂。为了研究热源移动时温度场的变化情况，本文采用自主开发的专用电弧增材系统。该系统可保证双椭球热源对应运动方向的一致性，配合使用分析步与生死单元仿真软件和移动热源与路径规划仿真软件，可快捷高效地进行焊接仿真处理。基于上述分析，本文主要在单道单层获得优质成形的工艺参数基础上，针对单道多层增材成形进行研究，通过先探索层宽、层高变化规律并确定抬枪高度，为后续单道多层增材打下基础。本文重点针对焊机模式及扫描策略，辅以图像处理与数值仿真进行分析和对比，从而优选焊接模式及扫描策略。1实验与方法1.1增材设备及成形1 1 1增材制造系统及焊接模式增材试验以 Fronius CMT(Cold Metal Transfer)TPS3200 焊接电源配合 ABB IB1410 工业机器人构建的增材成形系统作为焊道成形基础，采用控制柜集成主要增材硬件并辅以计算机进行数据传输，系统构成如图 1 所示。Fronius CMT TPS3200 焊接电源采用了冷金属过渡技术，可减少焊接缺陷并提高成形质量11，但仍无法避免成形过程中尺寸偏差较大等问题。焊接电源有两种模式可供选择，CMT 模式为常规冷金属过渡模式，而 CMT+Pulse 在常规模式基础上进一步通过增加脉冲电流增大热输入，并可增强熔覆过程中气体溢出能力12。为探究不同模式对焊道堆积成形的影响，本文针对焊接电源的 CMT 和 CMT+Pulse 两种模式进行了单道多层成形研究及比较。图 1 电弧增材系统构成Figure 1 Composition of the wire arc additivemanufacturing system1 1 2成形基本参数为方便将焊接电源的两种不同模式进行统一比较，本文选取线能量密度作为参照。线能量密度计算式为=p/v(1)式中，p 是焊接热源功率(单位为 W);V 是焊接速度(单位为 mms1);是线能量密度(单位为 Jm1)。本文统一了 CMT 与 CMT+Pulse 模式的线能量密度，在基板不变形的前提下，筛选出各模式工艺参数，如表 1 所示。基于不同模式下相同线能量密度的单道单层焊道成形连续且宽窄一致，宏观成形如图 2 所示，表明其可作为单道多层成形基础。表 1 相同线能量密度下的工艺参数Table 1 Process parameters under the same linear energy density焊接模式送丝速度/mmin1焊接速度/mms1电流/A电压/V热源功率/W线能量密度/Jm1CMT+Pulse3 5157314310439 1027 104CMT328501125600 1027 104(a)(b)图 2 不同模式下单道单层优选焊道成形(a)CMT+Pulse 模式(b)CMT 模式Figure 2 Single pass and single layer optimizedbead forming in different modes(a)CMT+Pulse mode(b)CMT mode1 1 3增材相关参数本文采用直径 1 2 mm 的 4043 铝合金焊丝，高纯度氩气保护气体气流量为 15 Lmin1，焊道各层增材长度统一为 105 mm，起弧处层间温度为 100。1.2焊道成形质量评价1 2 1层宽、层高成形尺寸评价电弧增材制造以焊道作为最小成形单位，在层层堆焊过程中，将各层焊道的层宽、层高作为描述宏观成形和观察成形变化规律的主要参数。层宽、层高是判断增材散热达到稳定的基础，层高是用于设置抬枪高8刘美红，等:基于图像处理与数值仿真辅助的电弧增材成形研究Electro