基于多目标协同优化的大型金属薄壁构件电弧增材制造控形控性研究

A multi-objective collaborative optimization based shape and quality control method was proposed for Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) which involves multiple input process parameters to overcome the difficulties in controlling forming quality and efficiency during the fabrication of large-scale thin-walled metal structures. Through revealing the underlying coupling mechanism between the processing and the deposition path, this study develops models for welding and investigates core theories and key technologies in shape and quality control for WAAM. The objectives include: (1) to develop single bead and multi-bead overlapping models in 2D complex deposition paths through exploring the effects of temperature distribution on bead formation and the optimization method of process parameters; (2) to develop path planning strategies including adaptive contour path planning and zone-division-distribution path planning methods; and (3) to investigate the optimum welding process parameters and path planning parameters for controlling the forming shape and quality using a multi-objective collaborative optimization based theory. The project will present a novel process optimization method and extends the application fields of WAAM showing significance in theory and engineering.

针对电弧增材制造工艺参数多且复杂，成形质量和效率受成形路径影响难以控制等问题，提出一种基于多目标协同优化的大型金属薄壁构件电弧增材制造控形控性新方法。项目从电弧增材制造工艺参数规律出发，揭示堆焊工艺参数与路径的耦合机理，研究控形控性核心理论与关键技术。通过（1）探索二维路径电弧增材制造工艺参数规律与控制方法，包含不同路径参数下焊道的成形形貌规律、阐明焊道尺寸调节控制机理，建立适用于二维路径的焊道以及焊道搭接的理论模型和控制方法；（2）发展路径规划方法，包含基于轮廓偏置扫描的变间距路径规划与分区域分类型组合路径规划方法；（3）提出多目标协同优化控形控性理论，寻求电弧增材制造堆焊工艺参数和成形路径参数的最优组合解。本项目将为电弧增材制造工艺优化提供一种新思路，拓展电弧增材制造应用范围，具有重要的理论意义与工程应用价值。

电弧增材制造在大尺寸或薄壁特征构件快速成型方面具有广阔的应用前景与发展潜力。针对具有尖角结构特征的零件其在拐角处的沉积过程中产生自重叠现象，使得成型形状尺寸难以控制，不仅降低了沉积结构的形状精度，还影响了沉积过程的稳定性的问题，本项目重点研究拐角处的工艺参数优化，提高大尺寸金属构件电弧增材制造成型精度与质量。通过项目研究，提出了拐角成形形状控制策略，即通过局部优化拐角处的焊接工艺参数以及沉积路径，进而减少形状误差、提高成形质量。首先，建立了一个拐角截面模型，该模型建立了焊道轮廓与拐角自重叠区域焊接工艺参数之间的关系。利用所提出的拐角焊道截面模型对拐角过重叠区域的焊接速度进行了局部优化。通过对具有不同角度的薄壁铝结构进行单道多层成形实验，验证了所提出的截面模型对拐角成形的控制作用。实验表明所提出的拐角截面模型控制策略能有效改进拐角成形质量。接着，通过分析拐角多道沉积时产生的沉积空隙现象，提出了适用于多道沉积的拐角路径局部优化策略。该路径优化策略结合焊接工艺参数共同对拐角成形形状进行控制。最后，基于所提出的拐角路径优化策略，采用建立的焊道尺寸数据库，进行路径优化策略焊道成形试验以及拐角多道多层对比成形实验，根据实验成形形貌测量分析结果可知，结合参数控制的拐角路径优化策略能有效实现拐角区域变尺寸焊道沉积。通过以上研究，以第一/通信作者发表学术论文10篇，SCI收录9篇，申请发明专利5项，软件著作权登记3项，项目主持人入选广东省青年珠江学者。