一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法技術

本發明專利技術公開一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法。該方法借助實時檢測電弧三維快速成形制造過程中電弧激發的聲波信號波形，提取出聲波信號中所有高于振幅閾值的峰值得到峰值散點分布圖，并計算出峰值標準差，根據峰值散點分布圖繪制得到電弧聲波振動曲線，以峰值標準差和峰值散點分布圖、電弧聲波振動曲線評估電弧三維快速成形制造過程穩定性。利用本發明專利技術能夠實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的檢測與評估，同時也適合用于金屬材料電弧堆焊、電弧熔敷與電弧近凈成形等其它電弧增材制造過程穩定性的檢測與評估。

Method for detecting and evaluating arc three-dimensional rapid forming manufacturing process stability based on arc acoustic wave signal

The invention discloses a method for detecting and evaluating arc three-dimensional rapid forming manufacturing process stability based on arc acoustic wave signals. This method uses acoustic signal waveform of arc excitation detecting arc 3D rapid prototyping and manufacturing process, to extract the acoustic signals in all higher than the threshold amplitude of peak peak scatter distribution, and calculate the standard deviation of the peak peak, according to the scatter distribution map to the arc acoustic vibration curve, scattered distribution, arc the acoustic vibration curve of 3D rapid prototyping and manufacturing process evaluation of arc stability in standard deviation and peak peak value. The invention can realize 3D rapid prototyping and manufacturing of arc detection and evaluation of process stability, but also suitable for metal arc welding, arc welding and arc arc near net forming and other additional material manufacturing testing and evaluation of process stability.

【技術實現步驟摘要】
一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法
本專利技術涉及一種檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法，適用于檢測與評估金屬材料電弧三維快速成形制造過程穩定性應用場合，同時也適合用于金屬材料電弧堆焊、電弧熔敷與電弧近凈成形等其它電弧增材制造過程穩定性的檢測與評估。
技術介紹
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，因此又稱為電弧快速成形制造技術。在電弧三維快速成形制造過程中，電弧能量作用于制造區而產生的電弧燃弧和熔滴過渡穩定性變化是影響制造質量的重要因素。因此，在電弧三維快速成形制造過程中采用專用儀器或方法檢測與評估制造穩定性對于制造過程的控制和制造質量的評估具有非常重要的現實意義。在電弧三維快速成形制造過程中，電弧熱源、熔滴與熔池形成的相互作用效應會以不同形式釋放能量，以空氣負載形式釋放的聲波即是其中的一種。
技術實現思路
本專利技術針對金屬材料電弧三維快速成形制造過程穩定性，提供一種基于電弧聲波信號的檢測與評估方法，其利用電弧激發的可聽聲波能量作為信息源，實時檢測電弧所產生的聲波信號，提取信號的特征分布，實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的檢測和評估。本專利技術采取以下技術方案：一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法，所述方法利用實時檢測電弧沖擊產生的連續可聽聲波釋放特征，實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的評估，所述方法的步驟如下：（1）安裝聲波傳感器于電弧側上方；（2）打開電弧發生器電源，開始對目標對象的三維快速成形制造；（3）實時采集輸出電弧能量連續沖擊基板或制造區域的熔池而激發產生的聲波信號，并繪制出信號的動態波形圖；（4）三維快速成形制造結束，關停電弧能量輸出，并停止聲波信號在線檢測；（5）由聲波信號動態波形振幅特征設定聲波信號振幅的閾值；（7）提取聲波信號中所有高于振幅閾值的峰值得到峰值散點分布圖，并計算出峰值標準差；（8）根據峰值散點分布圖繪制得到電弧聲波振動曲線；（9）根據峰值標準差和峰值散點分布圖、電弧聲波振動曲線評估電弧三維快速成形制造過程穩定性。判斷電弧三維快速成形制造過程穩定性的依據為：（1）峰值散點分布越集中和均勻，電弧三維快速成形制造過程穩定性越好；（2）電弧聲波振動曲線越平滑，電弧三維快速成形制造過程穩定性越好；（3）峰值標準差越小，電弧三維快速成形制造過程穩定性越好。三個判斷依據中，（1）、（2）為定性判據，（3）為定量判據。所述聲波信號振幅的閾值需不小于電弧聲波信號平均振幅的1/3本專利技術的創新在于利用對電弧沖擊產生的聲波信號的檢測，實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的檢測與評估，與現有技術相比具有以下優點：（1）檢測與評估方法簡單，可操作性強，適用面廣；（2）系統設計與制造成本低廉；（3）評估結果直觀，并且符合電弧三維快速成形制造的實際工況；（4）檢測效率高，可實現快速評估。附圖說明圖1是電弧三維快速成形制造過程穩定性檢測系統組成示意圖。圖2是實施例1檢測到的電弧聲波信號波形。圖3是對應于實施例1的電弧聲波信號峰值散點分布圖。圖4是實施例2檢測到的電弧聲波信號波形。圖5是對應于實施例2的電弧聲波信號峰值散點分布圖。圖6是實施例3檢測到的電弧聲波信號波形。圖7是對應于實施例3的電弧聲波信號峰值散點分布圖。圖8是對應于實施例1、2、3的電弧聲波振動曲線。圖中，1電弧發生器、2電弧、3基板、4聲波傳感器、5前置放大器、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，進一步闡述本專利技術。參見圖1，采用的電弧三維快速成形制造穩定性檢測系統包括電弧發生器1、聲波傳感器4、前置放大器5、信號調理器6、數據采集卡7和計算機8等。基板3采用與制造對象相同的材料制備，電弧2沖擊激發的聲波信號作為信息源，聲波傳感器4安裝在基板3上，用于探測激發產生的聲波信號，傳遞給前置放大器5，信號經放大后再經過信號調理器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。設定電弧電流輸出為156A，電弧電壓輸出為18.6V，工作臺移動速度為10mm/s。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MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直。安裝聲波傳感器于電弧側上方，打開電弧發生器電源，按照編制好的程序開始對目標對象的三維快速成形制造。實時采集輸出電弧能量激發產生的聲波信號直至制造結束，繪制出信號的動態波形如圖2所示。關停電弧能量輸出，并停止聲波信號在線檢測。設定聲波信號振幅閾值為4.0，提取聲波信號中所有高于振幅閾值4.0的峰值得到峰值散點分布如圖3所示，并計算出峰值標準差σ=0.918。根據峰值散點分布圖繪制得到電弧聲波振動曲線如圖8所示。由圖3和圖8可以看出，該工藝下峰值散點分布較為發散，電弧聲波振動曲線平滑性較差，峰值標準差較大，電弧三維快速成形制造過程穩定性較差。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142A，電弧電壓輸出為17.8V，工作臺移本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法，所述方法利用實時檢測電弧沖擊產生的連續聲波釋放特征，實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的評估，所述方法的步驟如下：（1）安裝聲波傳感器于電弧側上方；（2）打開電弧發生器電源，開始對目標對象的三維快速成形制造；（3）實時采集輸出電弧能量連續沖擊基板或制造區域的熔池而激發產生的聲波信號，并繪制出信號的動態波形圖；（4）三維快速成形制造結束，關停電弧能量輸出，并停止聲波信號在線檢測；（5）由聲波信號動態波形振幅特征設定聲波信號振幅的閾值；（7）提取聲波信號中所有高于振幅閾值的峰值得到峰值散點分布圖，并計算出峰值標準差；（8）根據峰值散點分布圖繪制得到電弧聲波振動曲線；（9）根據峰值標準差和峰值散點分布圖、電弧聲波振動曲線評估電弧三維快速成形制造過程穩定性。

【技術特征摘要】
1.一種基于電弧聲波信號檢測與評估電弧三維快速成形制造過程穩定性的方法，所述方法利用實時檢測電弧沖擊產生的連續聲波釋放特征，實現對電弧三維快速成形制造過程穩定性的評估，所述方法的步驟如下：（1）安裝聲波傳感器于電弧側上方；（2）打開電弧發生器電源，開始對目標對象的三維快速成形制造；（3）實時采集輸出電弧能量連續沖擊基板或制造區域的熔池而激發產生的聲波信號，并繪制出信號的動態波形圖；（4）三維快速成形制造結束，關停電弧能量輸出，并停止聲波信號在線檢測；（5）由聲波信號動態波形振幅特征設定聲波信號振幅的閾值；（7）提取聲波信號中所有高于振幅閾值的峰值得到峰值散點分布圖，并計算出峰值標準差；（8）根據峰值散點分布圖繪制得到電弧聲波振動曲線；（9...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅怡，朱亮，韓靜韜，張成洋，王子琪，熊偉，杜海濤，
申請(專利權)人：重慶理工大學，
類型：發明
國別省市：重慶,50