CN108176913A - 电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法与设备，通过外加磁场改变熔池传热传质，并通过塑性受迫加工改变成形工件的应力分布状态，从而改变熔积过程，包括：熔池凝固结晶、固态相变到再结晶、塑性变形的整个成形过程；通过电磁、热、力多种物理场作用工件成形过程并控制成形零件的冶金、微观组织、应力应变的分布状态从而提升成形零件性能。利用磁场对电弧熔积熔池的电磁力作用，搅拌熔池，从而细化晶粒、改变成形组织，抑制缺陷，通过焊枪跟随的受迫加工装置对焊道进行塑性受迫加工，以降低焊道残余应力、细化晶粒，提高成形零件的抗疲劳、抗裂纹等性能。

Description

电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法与设备

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及能够提高电弧增材制造零件机械性能的磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造技术。

背景技术

电弧增材制造是一种以焊接电弧为热源的金属增材制造技术。电弧增材制造以丝材为成形材料，熔积效率高，设备和原材料投入低，可以直接成形多种金属材料，在大中型金属零件快速制造、修复再制造等领域具有广阔的应用前景。电弧增材制造零件的主要问题：

1）电弧增材制造零件经历复杂的热循环，残余应力分布复杂，成形件容易变形、开裂；

2）成形零件微观组织转变复杂，主要体现为组织粗大、不均匀和各向异性，以及难以避免气孔、夹杂、成分偏析等冶金缺陷。

这些问题降低了电弧增材制造零件整体的力学性能，从而制约了电弧增材制造技术的大规模应用推广。

目前电弧增材制造研究中微观组织和性能调控主要通过工艺参数优化和引入受迫加工的方法，工艺参数优化的方法需要进行大量的工艺实验，且有一定的局限性；引入受迫加工对降低残余应力和细化晶粒有一定的效果，但难以抑制电弧熔积的冶金缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种磁场与受迫加工复合辅助电弧增材制造技术及装置，以解决现有技术中提及的上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法，通过外加磁场改变熔池传热传质，并通过塑性受迫加工改变成形工件的应力分布状态，从而改变熔积过程，包括：熔池凝固结晶、固态相变到再结晶、塑性变形的整个成形过程；通过电磁、热、力多种物理场作用工件成形过程并控制成形零件的冶金、微观组织、应力应变的分布状态从而提升成形零件性能 。

在焊枪的周围增设一个电磁场发生装置，通过改变电磁场发生装置的励磁电流大小或者电磁场发生装置相对于焊枪的相对位置和倾斜角度，来改电磁场发生装置在熔池区域的磁场大小和磁场的分布状况，进而改变熔池外加磁场的大小和方向，达到通过外加磁场控制熔池对流以及传热传质。

在焊枪的后方增设受迫加工装置，通过受迫加工装置与焊枪行走机构连接实现对基板上的已熔积成形的焊道实施塑性受迫加工。

实现电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法的设备，它包括焊枪，所述焊枪的轴线垂直与基板，所述焊枪安装在焊枪行走机构上，所述焊枪行走机构上安装有受迫加工装置，所述受迫加工装置位于已熔积成形焊道的正上方；所述焊枪上或者焊枪行走机构安装有跟随焊枪移动的电磁发生装置。

所述焊枪的焊接工艺参数、电磁发生装置的励磁参数以及受迫加工装置的作用位置和作用力参数采用独立调节，但运行过程中各装置是同时动作的。

所述电磁发生装置的励磁线圈直接缠绕在焊枪的主轴上，在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场。

所述电磁发生装置的励磁线圈缠绕在导磁铁芯上，所述导磁铁芯通过可调节支架固定安装在焊枪上，所述可调节支架能够实现导磁铁芯与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布。

所述受迫加工装置采用超声冲击装置、辊压装置或机械振动、冲击、锤击、撞击装置，主动作用于焊道达到塑性加工的效果。

所述导磁铁芯上设置有水冷流道。

所述超声冲击装置包括超声换能器，所述超声换能器将其它能量转换为超声振动作用于焊道。

所述机械振动、冲击、锤击、撞击装置，将其它形式的机械能转换为直接作用焊道的冲击、锤击、撞击作用。

所述辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。

本发明有如下有益效果：

1、本发明可以通过电磁场与受迫加工复合来辅助电弧增材制造成形过程，利用外加磁场对电弧熔积的金属液态熔池施加外加的电磁力作用，诱导熔池强制对流，从而搅拌熔池并细化晶粒、改变成形组织，抑制气孔、偏析、夹杂等冶金缺陷。

2、通过焊枪跟随的受迫加工装置对焊道进行塑性受迫加工，实现对成形焊道残余应力的释放，同时塑性受迫加工还可以通过再结晶细化晶粒，从而提高成形零件的强度、抗疲劳、抗裂纹等机械性能。

3、在电弧增材制造过程中，可根据需要综合调节迫加工装置、焊枪、电磁场发生装置的参数至相互匹配或者综合性能最优并实现同步协调运行。

4、通过所述电磁场发生装置可以通过设置简单的可调节的支架固定在焊枪上，可以通过调节支架实现导磁铁芯与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布；电磁场发生装置也可以直接绕制在焊枪的轴上，在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场。

5、通过所述的受迫加工装置与焊枪行走机构固定联接实现对已熔积成形的焊道实施塑性受迫加工，受迫加工方法和装置可以是超声冲击、辊压或者机械振动冲击、锤击、撞击方法和装置，上述的受迫加工装置实现对已经成形的焊道区域进行塑性的受迫挤压，其受迫加工位置可以通过调节受迫加工装置与焊枪之间的距离实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例中纵向磁场与冲击振动复合辅助的电弧增材制造实施方案与装置。

图2为本发明实施例中横向磁场与冲击振动复合辅助的的电弧增材制造实施方案与装置。

图3为本发明实施例中变位磁场与冲击振动复合辅助的电弧增材制造实施方案与装置。

图4为本发明实施例中纵向磁场与辊压复合辅助的电弧增材制造实施方案与装置。

图5为本发明实施例中横向磁场与辊压复合辅助的电弧增材制造实施方案与装置。

图6为本发明实施例中变位磁场与辊压复合辅助的电弧增材制造实施方案与装置。

图中：1、受迫加工装置；2、焊枪；3、电磁发生装置；4、焊道；5、基板；6、导磁铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-6所示，电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法，通过外加磁场改变熔池传热传质，并通过塑性受迫加工改变成形工件的应力分布状态，从而改变熔积过程，包括：熔池凝固结晶、固态相变到再结晶、塑性变形的整个成形过程；通过电磁、热、力多种物理场作用工件成形过程并控制成形零件的冶金、微观组织、应力应变的分布状态从而提升成形零件性能。通过采用上述的增材制造方法，在制造过程中，通过电磁场和受迫加工复合辅助作用于焊道上，利用外加磁场对电弧熔积的金属液态熔池施加外加的电磁力作用，诱导熔池强制对流，从而搅拌熔池并细化晶粒、改变成形组织，抑制气孔、偏析、夹杂等冶金缺陷，通过焊枪跟随的受迫加工装置对焊道进行塑性受迫加工，实现对成形焊道残余应力的释放，同时塑性受迫加工还可以通过再结晶细化晶粒，从而提高成形零件的强度、抗疲劳、抗裂纹等机械性能。

实施例2：

在焊枪2的周围增设一个电磁场发生装置3，通过改变电磁场发生装置3的励磁电流大小或者电磁场发生装置3相对于焊枪2的相对位置和倾斜角度，来改电磁场发生装置在熔池区域的磁场大小和磁场的分布状况，进而改变熔池外加磁场的大小和方向，达到通过外加磁场控制熔池对流以及传热传质。在焊枪2的后方增设受迫加工装置1，通过受迫加工装置1与焊枪行走机构连接实现对基板5上的已熔积成形的焊道4实施塑性受迫加工。

实施例3：

实现电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法的设备，它包括焊枪2，所述焊枪2的轴线垂直与基板5，所述焊枪2安装在焊枪行走机构上，所述焊枪行走机构上安装有受迫加工装置1，所述受迫加工装置1位于已熔积成形焊道4的正上方；所述焊枪2上或者焊枪行走机构安装有跟随焊枪2移动的电磁发生装置3。通过采用上述的增材制造设备，能够实现电磁场与受迫加工复合辅助作用，进而达到最佳的制造效果。

进一步的，所述焊枪2的焊接工艺参数、电磁发生装置3的励磁参数以及受迫加工装置1的作用位置和作用力参数采用独立调节，但运行过程中各装置是同时动作的。通过单独控制能够达到最佳的制造效果。

进一步的，所述电磁发生装置3的励磁线圈直接缠绕在焊枪2的主轴上，在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场。

进一步的，所述电磁发生装置3的励磁线圈缠绕在导磁铁芯6上，所述导磁铁芯6通过可调节支架固定安装在焊枪2上，所述可调节支架能够实现导磁铁芯6与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布。

进一步的，所述受迫加工装置1采用超声冲击装置、辊压装置或机械振动、冲击、锤击、撞击装置，主动作用于焊道达到塑性加工的效果。

进一步的，所述导磁铁芯6上设置有水冷流道。通过所述的水冷流道能够对导磁铁芯6进行冷却。

进一步的，所述超声冲击装置包括超声换能器，所述超声换能器将其它能量转换为超声振动作用于焊道。通过所述的超声冲击装置能够作用于焊道，进而对焊道进行塑性加工。

进一步的，所述机械振动、冲击、锤击、撞击装置，将其它形式的机械能转换为直接作用焊道的冲击、锤击、撞击作用。进而对焊道进行塑性加工。

进一步的，所述辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。对焊道进行塑性加工。

实施例4：

如图1，所述电磁场发生装置3的励磁线圈直接缠绕在焊枪2上，进而在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场，所述受迫加工装置1采用超声冲击装置或者机械振动、冲击、锤击、撞击装置，进而焊道进行塑性加工。

实施例5：

如图2，所述电磁场发生装置3的励磁线圈缠绕在导磁铁芯6上，而且通过调节导磁铁芯6与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布，进而产生横向磁场，所述受迫加工装置1采用超声冲击装置或者机械振动、冲击、锤击、撞击装置，进而焊道进行塑性加工。

实施例6：

如图3，所述电磁场发生装置3的励磁线圈缠绕在导磁铁芯6上，而且通过调节导磁铁芯6与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布，进而产生变位磁场，所述受迫加工装置1采用超声冲击装置或者机械振动、冲击、锤击、撞击装置，进而焊道进行塑性加工。

实施例7：

如图4，所述电磁场发生装置3的励磁线圈直接缠绕在焊枪2上，进而在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场，所述受迫加工装置1采用辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。

实施例8：

如图5，所述电磁场发生装置3的励磁线圈缠绕在导磁铁芯6上，而且通过调节导磁铁芯6与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布，进而产生横向磁场，所述受迫加工装置1采用辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。

实施例9：

如图6，所述电磁场发生装置3的励磁线圈缠绕在导磁铁芯6上，而且通过调节导磁铁芯6与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布，进而产生变位磁场，所述受迫加工装置1采用辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法，其特征在于，通过外加磁场改变熔池传热传质，并通过塑性受迫加工改变成形工件的应力分布状态，从而改变熔积过程，包括：熔池凝固结晶、固态相变到再结晶、塑性变形的整个成形过程；通过电磁、热、力多种物理场作用工件成形过程并控制成形零件的冶金、微观组织、应力应变的分布状态从而提升成形零件性能 。

2.根据权利要求1所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法，其特征在于：在焊枪（2）的周围增设一个电磁场发生装置（3），通过改变电磁场发生装置（3）的励磁电流大小或者电磁场发生装置（3）相对于焊枪（2）的相对位置和倾斜角度，来改电磁场发生装置在熔池区域的磁场大小和磁场的分布状况，进而改变熔池外加磁场的大小和方向，达到通过外加磁场控制熔池对流以及传热传质。

3.根据权利要求1所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法，其特征在于：在焊枪（2）的后方增设受迫加工装置（1），通过受迫加工装置（1）与焊枪行走机构连接实现对基板（5）上的已熔积成形的焊道（4）实施塑性受迫加工。

4.实现权利要求1-3任意一项所述电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法的设备，其特征在于：它包括焊枪（2），所述焊枪（2）的轴线垂直与基板（5），所述焊枪（2）安装在焊枪行走机构上，所述焊枪行走机构上安装有受迫加工装置（1），所述受迫加工装置（1）位于已熔积成形焊道（4）的正上方；所述焊枪（2）上或者焊枪行走机构安装有跟随焊枪（2）移动的电磁发生装置（3）。

5.根据权利要求4所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述焊枪（2）的焊接工艺参数、电磁发生装置（3）的励磁参数以及受迫加工装置（1）的作用位置和作用力参数采用独立调节，但运行过程中各装置是同时动作的。

6.根据权利要求4所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述电磁发生装置（3）的励磁线圈直接缠绕在焊枪（2）的主轴上，在熔池区域直接产生与焊枪同轴方向的磁场。

7.根据权利要求4所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述电磁发生装置（3）的励磁线圈缠绕在导磁铁芯（6）上，所述导磁铁芯（6）通过可调节支架固定安装在焊枪（2）上，所述可调节支架能够实现导磁铁芯（6）与熔池的相对位置关系和姿态来调节磁场的分布。

8.根据权利要求4所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述受迫加工装置（1）采用超声冲击装置、辊压装置或机械振动、冲击、锤击、撞击装置，主动作用于焊道达到塑性加工的效果。

9.根据权利要求7所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述导磁铁芯（6）上设置有水冷流道。

10.根据权利要求8所述的电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造设备，其特征在于：所述超声冲击装置包括超声换能器，所述超声换能器将其它能量转换为超声振动作用于焊道；

所述机械振动、冲击、锤击、撞击装置，将其它形式的机械能转换为直接作用焊道的冲击、锤击、撞击作用；

所述辊压装置，直接通过调节轧辊与焊道的接触力大小来实现焊道的塑性受迫加工。