CN107649775B - 一种电子束熔丝沉积导流咀及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子束熔丝沉积导流咀及方法，以解决现有电子束熔丝沉积技术会导致熔丝过程易中断、发生粘丝现象、电子束熔丝沉积过程中会产生大量金属蒸汽，造成气孔的问题。本发明的方法：一、将金属丝材由送丝导流咀的送丝段的通孔中送入；二：电子束从圆孔穿入直接作用在金属丝材上，使丝材熔化形成液态金属；三：金属丝材在电子束作用下熔化后经过储液凹槽流落至基板后凝固成沉积金属，至此，完成熔丝沉积加工。本发明的送丝导流咀的上方管壁上且位于送丝段与熔丝段的交界处开设有与通孔相通的圆孔，送丝导流咀的内壁靠近熔丝段末端部位设有储液凹槽，所述加热线圈套装在导流咀上且位于储液凹槽的部位。本发明用于电子束熔丝沉积增材制造。

Description

一种电子束熔丝沉积导流咀及方法
技术领域
本发明涉及一种电子束熔丝沉积加工技术，具体涉及一种电子束熔丝沉积导流咀及方法。
背景技术
在航空航天、微纳制造、生物医学工程等领域，电子束熔丝沉积增材制造技术有着广泛应用。电子束熔丝沉积原理是将丝材在电子束的热源作用下熔化后凝固形成沉积体，在电子束熔丝沉积加工过程中电子束直接作用于丝材和基体金属上，因此存在以下问题：首先，要求丝材准确插入已形成的熔池中，即丝材送入点必须位于与电子束流移动方向一致的轴线上，且高度方向上必须保持与电子束形成的熔池相对位置不变，即使产生较小偏差，也会使熔丝过程不连续甚至发生粘丝现象；其次，当丝材弹性模量较小或丝材受热不均匀时极易发生弯曲变形，导致丝材偏离熔池，最终使得熔丝过程中断；第三，在电子束的直接作用下，产生大量金属蒸汽，最终形成气孔等缺陷。上述分析可知，造成电子束熔丝加工稳定性差的本质原因是：加工过程实质均为丝-束-熔池三者直接耦合过程，三因素耦合过程控制难度高，且各因素可调节窗口区间很小，导致熔丝过程稳定性和连续性较差。因此，研究一种新型的电子束熔丝沉积技术，实现提高效率、提高稳定性、降低成本对增材制造技术的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有电子束熔丝沉积加工技术存在以下问题：⑴、丝材送入点须与电子束流移动方向一致的轴线上，且高度方向上必须保持与电子束形成的熔池相对位置不变，即使产生较小偏差，也会使熔丝过程不连续甚至发生粘丝现象；⑵、丝材弹性模量较小或受热不均匀，极易发生弯曲变形，导致熔丝过程中断；⑶、电子束会产生大量金属蒸汽，造成气孔等缺陷；故提供一种电子束熔丝沉积导流咀及方法。
本发明的电子束熔丝沉积导流咀，其组成包括送丝导流咀和加热线圈，所述送丝导流咀由上至下依次为送丝段、熔丝段和导流段，所述送丝导流咀的内部沿轴线设有通孔，送丝段的通孔直径小于熔丝段的通孔直径，导流段的通孔直径小于送丝段的通孔直径，送丝段的通孔直径与金属丝材的直径相同，送丝导流咀的上方管壁上且位于送丝段与熔丝段的交界处开设有与通孔相通的圆孔，送丝导流咀的内壁靠近熔丝段末端部位设有储液凹槽，所述加热线圈套装在导流咀上且位于储液凹槽的部位。
本发明的一种电子束熔丝沉积方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将金属丝材由送丝导流咀的送丝段的通孔中送入；
步骤二：电子束从圆孔穿入直接作用在金属丝材上，使丝材熔化形成液态金属；
步骤三：金属丝材在电子束作用下熔化后经过储液凹槽流落至基板后凝固成沉积金属，至此，完成熔丝沉积加工。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的方法是利用特制的送丝导流咀实现了电子束熔丝沉积加工模式，即电子束穿过导流咀上的圆孔将导流咀内部丝材熔化得到液态金属，液态金属在导流咀的引流作用下过渡到基体金属上，最终实现电子束熔丝加工。
二、本发明的方法采用了降低和分离影响因素的方式，即将丝-束-熔池三因素分解成双因素作用，即丝-束作用。采用内熔方式(丝材在导流咀内部被电子束加热熔化)形成液态金属，再控制液态金属过渡到基体上形成熔池，最终凝固成形，实现连续稳定的电子束熔丝加工过程。
三、本发明利用导流咀限制金属丝材的受热变形，避免了电子束熔丝沉积过程中因金属丝材受热变形导致沉积过程中断的问题。
四、金属丝材在送丝导流咀内部熔化后流落至基板后凝固成形，送丝导流咀末端通孔方向垂直向下，不存在送丝角度及送丝方位的变化，故可保证沉积角度始终不变。
五、导流咀内部存在储液凹槽，可保证液态金属能够连续流出，提高了沉积体的成形精度及连续沉积的稳定性。
六、金属丝材在导流咀内部熔化，减少了液态金属的飞溅，保证沉积体的成形质量。
七、本发明既能解决送丝角度对沉积体成形和性能的影响，又能控制零件成形的精度，且还能提高电子束熔丝沉积过程的稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种电子束熔丝沉积方法的示意图；
图2是本发明的电子束熔丝沉积导流咀的整体结构主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、将金属丝材5由送丝导流咀1的送丝段1-1的通孔中送入；
步骤二：电子束3从圆孔1-5穿入直接作用在金属丝材5上，使丝材熔化形成液态金属；
步骤三：金属丝材5在电子束3作用下熔化后经过储液凹槽1-6流落至基板7后凝固成沉积金属4，至此，完成熔丝沉积加工。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤三中在液态金属6流出送丝导流咀1沉积至基板7时，工作台8按照预设的路径行走，其行走速度为200mm/min～500mm/min，沉积过程中可以适当断续加快送丝速度保证储液凹槽1-6内有液态金属6。其它步骤与具体实施方式一相同。
储液凹槽1-6的作用是使液态金属6流动时具有滞后时间，以保证沉积过程的稳定性，考虑到送丝速度的不稳定性，如果送丝速度较快，则多余的液态金属在储液凹槽内储存，反之，则储液凹槽内储存的液态金属流下，储液凹槽的作用类似于静脉输液器的墨菲壶。这样即可保证液态金属能够连续稳定流出。
由于储液凹槽1-6的存在及液态金属6流动需要时间，不同的送丝导流咀1对应不同滞后时间，可针对不同金属丝材5直径、通孔1-4内径和导流段1-3长度预先进行试验，得到对应的滞后时间(一般为1秒～4秒)，熔丝沉积过程中需要考虑滞后时间，即提前将电子束3作用在金属丝材5上，使其熔化、流出并填入储液凹槽1-6中。滞后时间的存在使得电子束3作用时间和工作台8行走时间不同步，即沉积开始时先打开电子束，等滞后时间过去后工作台再开始行走；结束时先关闭电子束然后再停止工作台的行走。滞后时间如果控制不准确，则会影响沉积精度及成形。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式包括送丝导流咀1和加热线圈2，所述送丝导流咀1由上至下依次为送丝段1-1、熔丝段1-2和导流段1-3，送丝导流咀1的内部沿轴线设有通孔1-4，通孔1-4用于送丝和引导液态金属6定向流动，送丝段1-1的通孔直径小于熔丝段1-2的通孔直径，导流段1-3的通孔直径小于送丝段1-1的通孔直径，送丝段1-1的通孔直径与金属丝材5的直径相同，送丝导流咀1的上方管壁上且位于送丝段1-1与熔丝段1-2的交界处开设有与通孔1-4相通的圆孔1-5，电子束3可穿过圆孔1-5直接作用在金属丝材5上，使金属丝材5熔化形成液态金属，送丝导流咀1的内壁靠近熔丝段1-2末端部位设有储液凹槽1-6，加热线圈2套装在导流咀1上且位于储液凹槽1-6的部位。送丝导流咀1的内表面要求光滑。加热线圈2对储液凹槽1-6及通孔1-4中的液态金属6进行加热，避免液态金属6在送丝导流咀1内凝固。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式为圆孔1-5的上端设有锥形凹槽1-7。这样设计便于电子束进入。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式为送丝导流咀1可设计为分体式，可沿轴线一分为二。以便拆开清理。其它组成及连接关系与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式为送丝导流咀1的材质为氮化硼陶瓷或钨。氮化硼陶瓷和钨均具有耐高温的性能，且氮化硼陶瓷和钨不与液态金属6发生反应。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式为储液凹槽1-6为半球形，其半球直径为3mm～8mm，储液凹槽1-6用于暂存熔化的液态金属6，其半径需足够大以保证其暂存能力。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

Claims (7)

1.一种电子束熔丝沉积导流咀，其特征在于：所述导流咀包括送丝导流咀(1)和加热线圈(2)，所述送丝导流咀(1)由上至下依次为送丝段(1-1)、熔丝段(1-2)和导流段(1-3)，所述送丝导流咀(1)的内部沿轴线设有通孔(1-4)，送丝段(1-1)的通孔直径小于熔丝段(1-2)的通孔直径，导流段(1-3)的通孔直径小于送丝段(1-1)的通孔直径，送丝段(1-1)的通孔直径与金属丝材(5)的直径相同，送丝导流咀(1)的上方管壁上且位于送丝段(1-1)与熔丝段(1-2)的交界处开设有与通孔(1-4)相通的圆孔(1-5)，送丝导流咀(1)的内壁靠近熔丝段(1-2)末端部位设有储液凹槽(1-6)，所述加热线圈(2)套装在导流咀(1)上且位于储液凹槽(1-6)的部位。
2.根据权利要求1所述的电子束熔丝沉积导流咀，其特征在于：所述圆孔(1-5)的上端设有锥形凹槽(1-7)。
3.根据权利要求1或2所述的电子束熔丝沉积导流咀，其特征在于：所述送丝导流咀(1)可设计为分体式，可沿轴线一分为二。
4.根据权利要求3所述的电子束熔丝沉积导流咀，其特征在于：所述送丝导流咀(1)的材质为氮化硼陶瓷或钨。
5.根据权利要求4所述的电子束熔丝沉积导流咀，其特征在于：所述储液凹槽(1-6)为半球形，其半球直径为3mm～8mm。
6.一种利用权利要求1所述电子束熔丝沉积导流咀实现电子束熔丝沉积方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将金属丝材(5)由送丝导流咀(1)的送丝段(1-1)的通孔中送入；
步骤二：电子束(3)从圆孔(1-5)穿入直接作用在金属丝材(5)上，使丝材熔化形成液态金属；
步骤三：金属丝材(5)在电子束(3)作用下熔化后经过储液凹槽(1-6)流落至基板(7)后凝固成沉积金属(4)，至此，完成熔丝沉积加工。
7.根据权利要求6所述的电子束熔丝沉积方法，其特征在于：所述步骤三中在液态金属(6)流出送丝导流咀(1)沉积至基板(7)时，工作台(8)按照预设的路径行走，其行走速度为200mm/min～500mm/min，沉积过程中可以适当断续加快送丝速度保证储液凹槽(1-6)内有液态金属(6)。
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