本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及一种随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法及装备。
背景技术：
1、电弧增材制造技术是一种基于焊接技术的先进数字化制造方法，利用高温电弧作为热源，熔化金属丝材，根据三维数字模型，逐层堆积出零件。具有高成形精度，高材料利用率，生产周期短，可选材料多的优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、海洋工程、军工等领域。
2、由于温度梯度和热应力的存在，电弧增材制造的构件往往存在晶粒尺寸不均匀、气孔、夹杂等组织缺陷、残余应力过大导致的变形等问题。影响构件的力学性能，限制电弧增材制造技术的进一步推广和应用。
3、随着超声振动辅助电弧增材制造的研究不断深入，理论逐渐完善的同时，超声振动辅助电弧增材制造构件的方法及装备却发展缓慢。方法需要进一步补充，装备亟待完善，以下是目前超声振动辅助电弧增材领域的难点：
4、1.超声设备有与焊枪进行直接连接，这种刚性结构虽然能够保证超声振动设备与焊枪同步运行，但是不必要的振动传递到焊枪上会导致焊枪产生偏移，影响增材过程的精度，对增材构件的质量产生不利影响，且这种连接方式也会增加超声设备和焊接设备的磨损，降低设备的使用寿命，增加生产成本。
5、2.由运动器控制的超声设备虽然不会对焊枪造成影响，但是对超声振动和电弧增材制造的协同工作的要求很高，且运动器的工作空间需求较大，焊枪可能会因此受阻，且运动器的运动模式一般以直线为主，无法满足辅助制造复杂件的需求。
6、3.上述的超声振动辅助电弧增材的装备均受限于超声振动设备的体积，无法有效地对增材制造时熔池产生影响，构件内部的晶粒组织变化较小。
7、4.对电弧增材构件进行超声振动设备通常为一个超声冲击枪，且只能在焊枪后较远处进行辅助电弧增材，效率较低。
8、5.超声振动的位置一般在沉积道的顶部，下一层沉积道增材时会将上一层沉积道顶部进行重熔，削弱已有的强化作用，施加在基板上由下而上传递超声的方法，仅能对前几层沉积道产生影响，对高层的沉积道的强化作用较小。
技术实现思路
1、针对以上的难点，提供了一种随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法及装备，旨在提高电弧增材构件的组织性能，用于解决辅助电弧增材时超声振动难以精准施加，施加效果不显著的问题。
2、为达成上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的装备，包括电弧增材制造系统和超声振动辅助电弧增材系统。
4、电弧增材制造系统由cmt焊接设备系统、送丝系统、六轴机械臂、保护气、焊枪、基板、工作台组成；cmt焊接设备系统负责控制增材制造过程中的工艺参数，六轴机械臂与焊枪连接，负责控制焊枪的行走，包括行走速度，行走路径，基板为金属薄壁构件提供支撑和稳定性，并起到导热和散热的作用。
5、超声振动辅助电弧增材系统包括：超声冲击枪、超声振动控制装置、两台六轴机器人、光学传感器、温度传感器、计算机系统；超声冲击枪与六轴机械臂联动，由机械臂控制超声冲击枪的行走，超声振动控制装置负责控制超声冲击枪的频率、振动幅度以及能量输出，光学传感器负责收集沉积道和熔池的光学特性并转化为电信号传输给计算机系统，计算机系统接收光学传感器的数据，通过图像处理算法进行分析处理，制定相应决策反馈给机械臂，及时调整超声设备的位置，避免超声冲击枪运动受阻，预防熔池流淌等问题的出现；温度传感器负责监测和收集沉积道温度信息，传输给计算机系统进行数据处理、转换和温度场建模，基于温度场数据绘制等温线图，能够使得超声冲击枪在高温熔池后3～4mm处对沉积道进行超声振动处理。
6、一种随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，具体操作步骤如下：
7、步骤1：对基板表面进行清洁处理，去除氧化层和油污，固定基板，安装丝材，通入保护气；
8、步骤2：开启cmt焊机电源，设定焊接工艺、送丝速度、增材电压、增材电流、焊丝直径等工艺参数；
9、步骤3：开启焊接机器人电源，设定焊枪的初始位置、倾斜角度、行走路径、行走速度，保持焊枪与基板垂直；
10、步骤4：开启超声辅助机器人的电源，设定超声冲击枪的振动频率、行走路径、行走速度；
11、步骤5：校准光学传感器和温度传感器，运行计算机系统，通过plc执行控制任务；
12、步骤6：设定六轴机器人的初始位置和运行路径；
13、步骤7：引燃电弧，焊枪按预定路径进行电弧增材，同时机械臂控制超声冲击枪对沉积道进行超声振动；
14、步骤8：光学传感器工作，收集超声冲击枪头前沉积道的质量和形貌数据并传输给计算机系统进行分析处理，计算机系统评估沉积道质量，将决策反馈给机械臂，同时，光学传感器对熔池形貌状态进行判定，由机械臂对超声冲击枪做出相应的高度调整，温度传感器负责监测和收集沉积道温度信息，通过联动计算机系统绘制等温线图，控制超声冲击枪在设定温度的沉积道区间进行超声振动处理；
15、步骤9：一层沉积道的成形结束后，焊枪熄弧，焊枪在上一层熄弧处抬高与上一层沉积道厚度相同的高度，超声冲击枪头移至下一层沉积道起弧处待命；
16、步骤10：重复步骤7到步骤9，直至增材直臂体金属构件完毕，关闭电弧增材制造系统和超声振动辅助增材系统。
17、在电弧增材制造过程中引入超声振动能够产生声流效应和空化效应，超声振动引起的声流效应可以增强熔池的搅拌和对流，使金属液的温度和成分分布均匀，空化效应可以促使金属液中形成微小气泡，有助于晶粒生长，超声振动在晶粒生长的过程中也可以破碎树枝晶和粗大晶粒，去除夹杂气体，细化晶粒组织，减少组织缺陷，从而提高构件的力学性能。这种方法将超声振动引入熔池的同时，还能够对已经成型的沉积道进行超声振动处理，此方法可以对沉积道的表面进行冲击，细化表面晶粒组织，形成塑性变形层，释放构件中的残余应力。
18、本发明相较于现有技术，有以下优点：
19、1.本发明自动化程度高，实时调节能力强，通过在六轴机器人上附着光学传感器，对沉积道进行实时监测，利用计算机系统对超声设备进行及时调节，解决因沉积道的形貌不规则导致超声冲击枪受阻的问题，温度传感器可以及时调整超声冲击枪与熔池之间的距离，解决超声冲击枪作用距离过远，效果不佳，距离过近，沉积道流淌的问题，有助于优化超声振动参数，提高构件质量；
20、2.本发明具有较高的灵活性和适应性，应用两个六轴机器人来控制超声冲击枪的行走，两台六轴机器人通过中央控制器协调，既可以在金属薄壁构件的两侧施加超声振动，也能在沉积道的其他位置施加超声振动；以不同角度针对性地对熔池施加超声振动，呈可调节夹角状对沉积道进行超声振动处理；超声冲击枪的行动路径也不仅限于直线，能够以较快的速度，以s形路径或其他方式的路径施加超声振动，可以增大表面质量处理的范围；施加位置可以更加靠近熔池，声流效应、空化效应以及破碎晶粒的效果更加明显，适用于一般复杂件的强化处理；
21、3.本发明施加的超声振动效率更高，使用两个超声冲击枪对沉积道进行超声冲击，对沉积道的表面质量处理覆盖面更广，对内部晶粒的细化作用更加明显，显著提高超声振动的效率。
1.一种随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的装备，其特征在于，包括电弧增材制造系统和超声振动辅助电弧增材系统：
2.根据权利要求1所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的装备，其特征在于，超声振动辅助增材系统中的机械臂(3)为两台配备传感器和数据采集设备的机械臂，实时收集和分析增材过程中的数据，及时调整超声冲击枪(8)的位置。
3.根据权利要求1所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的装备，其特征在于，光学传感器(11)使用表面轮廓测量仪，利用光学原理和图像处理实时高精度的测量，组成部分为：光源系统、镜头和相机、图像处理单元、数据存储和输出接口。
4.根据权利要求1所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的装备，其特征在于，温度传感器(12)使用红外线传感器测量温度，利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律和温度与辐射能量之间的关系测量沉积道的实时温度，红外线传感器的组成部分为红外发射器、红外接收器、信号处理电路、输出接口。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的随行超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁件的装备的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
6.根据权利要求5所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，其特征在于，在进行增材制造过程中，超声振动的能量通过沉积道传递到熔池中。
7.根据权利要求5所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，其特征在于，焊枪(5)的每次抬高高度约为2mm。
8.根据权利要求5所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，其特征在于，超声振动的频率应该在30khz以上，功率应大于1kw。
9.根据权利要求5所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，其特征在于，超声振动能够作用在未完全冷却的沉积道上，超声冲击枪(8)与电弧之间的距离保持恒定并不大于10mm。
10.根据权利要求5所述的随行双面超声振动辅助电弧增材制造金属薄壁构件的方法，超声冲击枪(8)与焊枪(5)的行走速度应当保持一致。
