CN106623939B - 一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，通过计算机软件建立金属零件的几何模型，并分层离散，设定和模拟零件的运动轨迹；由脉动送送丝机构将金属丝材匀速送至电磁感应加热区域和电阻加热区域，金属丝材由电磁感应加热电源预热到一定温度，带有一定热量的丝材持续送给直至金属丝材与基材短路，金属丝材与基材的接触部位产生电阻热，在电阻热的作用下，金属丝材熔化，形成熔体；在重力、电磁力的作用下熔体稳定过渡到基材，并开始凝固；三维运动系统由原先设定的运动轨迹控制金属丝材熔化、过渡、凝固逐步点、线、面、体完成金属零件的成形工件。采用本发明技术方案，具有降低成本，提高了效率，同时还降低对基材的热输入，减少基材的变形的特点。
Description
技术领域
本发明属于金属零件成形加工领域，尤其涉及一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法。
背景技术
随着先进制造技术的快速发展，金属零件3D打印成形技术方法不断涌现，以激光束、电子束、等离子束高能三束为加热热源的激光烧结法和激光熔覆成形法、电子束成形法、等离子熔积成形法等金属零件成形方法，这些方法在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域有着广阔的应用前景，但上述方法也存在一些明显的缺点：
激光束、电子束和等离子束所用设备的投资、维护成本高，以致金属零件的制造成本十分昂贵；
激光束、电子束和等离子束三种成形方法在金属零件制造过程中对基材热输入高，造成基材产生大的形变，并且在制造过程中，容易造成零件和基材较大的形变；
以高能束成形主要是是由以铺设粉末为添加材料的成形方法，容易受制保护气的影响，导致粉末分布不均及其组织性能夹杂污物，使得成形效率大大降低；
电阻加热金属丝材加热，在丝材加热到熔化的过程为，电阻加热熔丝是由固态到固液两态，再由固液两态直至熔化的过程。其加热时间较长，效率低，组织性能较差；
电磁感应金属丝材加热，加热时间长，熔滴从喷头滴出后会瞬间凝固，不能保证丝材的平缓过渡与成形。
发明内容
本发明的目的是针对上述金属成形方法的不足，提供了一种能耗低，效率高、形变小的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法。
一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，包括以下步骤：
一、通过计算机的三维制图软件对欲制的金属零件建立几何模型，设定该金属成形工艺的运动轨迹；
二、根据金属丝材，选择电磁感应线圈的匝数，设置电池感应电源的工作频率，电磁感应线圈匝数和频率跟金属材料相关；
三、导电嘴和基材短接在可编程电源两极；
四、通过气体保护罩向由电磁感应线圈构成的电磁感应加热区域和由导电嘴构成的电阻加热区域输送保护性气体，当金属丝材通过电磁感应线圈时，电磁感应加热电源对金属丝材进行加热预处理；
五、金属丝材通过电磁感应线圈后，继续送给，以接触方式穿过导电嘴，使金属丝材和基材短路；
六、金属丝材和基材短路后产生电阻热，在原始电磁感应加热的温度下，丝材开始熔化并形成熔体；
七、脉动送丝机构采用送-停-送-停的进给方式进行，促进熔滴的稳定过渡，熔体在重力作用下驱动过渡到基材并凝固成形；
八、三维运动控制系统带着脉动送丝机构沿水平方向运动，至本层金属实体成形；
九、三维运动控制系统向上移动一个层高，重复步骤五至步骤八，按照原先设定几何模型的运动轨迹堆积成金属零件实体；
十、取出实体底部的基材获得成形的金属零件。
作为优选，所述的金属丝材的熔点温度必须要远小于导电嘴的熔点温度。
作为优选，所述金属丝材的直径为：1.6mm≥d≥0.3mm。
作为优选，所述导电嘴到基材的距离为：8mm≥L≥2mm。
作为优选，所选择基材的熔点温度应小于等于金属丝材的熔点温度。
作为优选，金属丝材为低碳钢Q235，基材为Q235D低碳钢板。
作为优选，所述保护性气体氢气、氮气或氦气。
与现有的金属成形方法相比，本发明电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法具有以下特点：
1)、以电磁感应加热和电阻热为金属丝材的热源，不需要使用价格昂贵，体积大的高能束(激光束、电子束、等离子束)热源设备，设备的投资和维护成本大大降低。
2)、以电磁感应加热、电阻热的先后顺序加热，其热量绝大多数用于熔化金属丝材，并且金属丝材由固态到固液两态和固液两态到液态同时进行，比电阻加热金属丝材熔积成形的时间缩短了一半以上，大大的提高了效率，还降低了对基材的热输入，减少了基材的变形。
3)、与铺设粉末为添加材料的成形方法相比，使用金属丝材作为添加材料，不会导致粉末被保护气体吹散或者被污染，提高了材料的利用率。
4)、在金属成形过程中，没有电弧的存在，保证了在真空中金属的成形。为太空的金属成形制造做出了铺垫。
本发明的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，通过计算机软件建立金属零件的几何模型，并分层离散，设定和模拟零件的运动轨迹；由脉动送送丝机构将金属丝材匀速送至电磁感应加热区域和电阻加热区域，金属预热到一定温度(小于熔点温度)，带有一定热量的丝材持续送给直至金属丝材与基材短路，金属丝材与基材的接触部位产生电阻热，在电阻热的作用下，金属丝材熔化，形成熔体；在重力、电磁力等机械力的作用下熔体稳定过渡到基材，并开始凝固；三维运动系统由原先设定的运动轨迹控制金属丝材熔化、过渡、凝固逐步点、线、面、体完成金属零件的成形工件。与现有的高能束为热源和电阻热为热源的成形方法相比，本发明利用电磁电阻热复合的方法熔化金属丝材不需要昂贵的设备，降低了对基材的热输入，减少了基材的热变形，通过电磁感应预热，效率比电阻热熔积成形提高了一倍以上。
附图说明
图1电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法的示意图。
图中：1-金属丝材、2-脉动送丝系统、3-保护气体、4-气体保护罩、5-电磁感应电源、6-电磁感应线圈、7-导电嘴、8-三维运动控制系统、9-可编程电源、10-熔积成形零件、11-基材。
具体实施方式
本实施例采用的设备包括：电磁感应电源5、可编程电源9、脉动送丝系统2和三维运动控制系统8。其电磁感应电源5和可编程电源9为热源，电磁感应电源5为XJH-25KW-B型号的晶体式高频感应加热设备，可编程电源9为特殊自制电源。所述可编程电源9一端连接基材，所述可编程电源9另一端连接导电嘴。脉动送丝系统2是由等速送丝、缓冲器和脉动送丝三部分构成，三维运动控制系统8是由计算机设定的运动轨迹来控制。金属丝材1为直径1.2mm的Q235低碳钢焊丝，基材11是厚度为3mm的Q235D低碳钢板，保护气体未氩气(流量为15L/min)，可编程电流波形为脉冲波形，其基值电流20～80A，峰值电流为140～260A，周期为20ms。
如果电流太小,金属丝材熔化量较少,熔体不会在重力作用下过渡到基材，容易出现成形凹缺陷。如果电流太大,熔滴脱落较多,熔体就会爆断，容易出现成形凸缺陷。
具体成形方法包括以下步骤：
一、选择材料想要加工的金属丝材为直径1.2mm的低碳钢Q235，查找Q235的熔点为1534℃，基材为Q235D低碳钢板；
二、制作金属零件的几何模型，此实例以圆筒为例，进行分层离散计算，由计算机软件设计金属零件的运动轨迹，生成制作数据对三维运动系统进行控制；
三、通过气体保护罩4向由电磁感应线圈6构成的电磁感应加热区域和由导电嘴7构成的电阻加热区域输送保护性气体3，Q235金属丝材1通过电磁感应线圈6后，启动电磁感应电源5，将预热温度调制1400℃左右，继续送给，以接触方式穿过导电嘴7，金属丝材1和基材11短路后，可编程电源开始工作；
四、脉动送丝系统2控制金属丝材1脉动送给，在可编程电源的作用下，金属丝材1和基材11接触部位产生电阻热，此时金属丝材1在电磁感应加热的作用下将至熔化，故在电阻热作用下，极短时间内形成了熔体；
五、熔体在重力和电磁力等机械力的作用下驱动液态丝材过渡到基材11；
六、三维运动控制系统8在XY平面内重复步骤三到步骤五按照预设的运动轨迹运行，在基材11上对熔积成形零件10进行熔敷，直至焊丝成形的该层的成形实体；
七、三维运动控制系统8延Z轴方向向上移动2mm，重复步骤六的过程，堆积成圆筒实体；
八、除去底部的基材11低碳钢板，获得成形的金属工件。
以上内容是结合具体的优选实例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实例只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、通过计算机的三维制图软件对欲制的金属零件建立几何模型，设定该金属成形工艺的运动轨迹；
二、根据金属丝材，选择电磁感应线圈的匝数，设置电池感应电源的工作频率，电磁感应线圈匝数和频率跟金属材料相关；
三、导电嘴和基材短接在可编程电源两极；
四、通过气体保护罩向由电磁感应线圈构成的电磁感应加热区域和由导电嘴构成的电阻加热区域输送保护性气体，当金属丝材通过电磁感应线圈时，电磁感应加热电源对金属丝材进行加热预处理；
五、金属丝材通过电磁感应线圈后，继续送给，以接触方式穿过导电嘴，使金属丝材和基材短路；
六、金属丝材和基材短路后产生电阻热，在原始电磁感应加热的温度下，丝材开始熔化并形成熔体；
七、脉动送丝机构采用送-停-送-停的进给方式进行，促进熔滴的稳定过渡，熔体在重力作用下驱动过渡到基材并凝固成形；
八、三维运动控制系统带着脉动送丝机构沿水平方向运动，至本层金属实体成形；
九、三维运动控制系统向上移动一个层高，重复步骤五至步骤八，按照原先设定几何模型的运动轨迹堆积成金属零件实体；
十、取出实体底部的基材获得成形的金属零件。
2.如权利要求1所述的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述金属丝材的直径为：0.3mm≤d≤1.6mm。
3.如权利要求1所述的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述导电嘴到基材的距离为：2mm≤L≤8mm。
4.如权利要求1所述的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所选择基材的熔点温度应小于等于金属丝材的熔点温度。
5.如权利要求1所述的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，金属丝材为低碳钢Q235，基材为Q235D低碳钢板。
6.如权利要求1所述的电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述保护性气体为氢气、氮气或氦气。
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