CN108213649A - 一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法。该方法为：将电弧增材制造的焊接参数输入控制器中；控制器根据制造参数的实时变化驱动磁场发生装置中的励磁电源产生不同强度的纵向磁场；当增材件堆敷的表面出现气孔时，通过空心轴电机控制激磁线圈的旋转产生环形磁场，对熔池进行不同程度的振荡搅拌；最终实现磁场控制电弧机器人将熔融丝材按照成形路径逐层堆积自动增材成形。本发明有利于控制增材过程中电弧的形态以及运动状态；采用环形磁场搅拌，能够加快熔池中的气孔等夹杂物的上浮速度，得到稳定性好、可控性好的旋转射流过渡，从而大幅减少增材制造件中的气孔等缺陷，提高电弧机器人增材成形件成形形貌的连续一致性。

Description

一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法及装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法及装置。

背景技术

现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，高性能难加工金属大型关键构件制造技术被公认为是重大高端装备制造业的基础和核心关键技术。电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将金属丝材熔化，然后按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形结束。成形零件由全焊缝金属组成，致密性高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好，并且相比于激光、电子束增材制造技术，电弧增材制造技术具有成本低、成形速率快、能够成形大尺寸复杂件等优点。

目前，电弧增材成形技术在成形零件的的成形特征、组织均匀程度和力学性能等方面有了很大提高，但仍存在成形零件的精度不高需要切削加工、组织性能、力学性能与实际生产中使用的传统制造方法制造的性能有较大的差距等问题。成形零件最终要的质量是成形零件的外观精度。而熔滴过渡及焊接过程的稳定性控制性较差，这是焊接技术的特点也是普遍缺点，电弧增材成形中成形材料的添加是金属材料以高温的液态熔滴的形式过渡到熔池中来完成的。

另外，利用电弧增材制造技术制造金属件在成形件表面质量的控制上依然存在着较大的困难，主要是因为电弧和熔池的稳定性随“时间一空间”变化而变化，从而难以实现成形件表面质量的控制。

专利申请号为201510198833.8的发明涉及一种焊接用旋转磁场发生装置，通电后, 每组线圈中间产生平行线圈轴线的磁场,此磁场随着电流的变化也呈正余弦变化，磁场方向做圆周运动，大小不变，使得焊接电弧也随着磁场做圆周运动，当焊枪向前移动,电弧发生螺旋前进,完成焊接。可以产生横向的恒定大小的低频匀速旋转磁场,来控制焊接电弧运动轨迹完成焊接,使得热量一定程度重新分布，降低熔化边界的温度梯度,减小成分偏析,改善焊缝成形。

专利申请号为201610363272.7的发明公开了一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法。两个焊接工件按照对接的形式固定在第一工件支撑板和第二工件支撑板上，两个焊接工件之间形成焊件接头间隙,在焊接工件的正面、焊件接头间隙处有坡口,第一通水铜管的管壁、第二通水铜管的管壁紧贴在坡口两侧励磁线圈置于焊接工件的背面,激光束垂直照射在焊接工件的正面,焊枪置于焊接工件的正面，激光束、焊件接头间隙和励磁线圈同轴线。解决了现有技术中高氮钢在焊接过程中易产生气体、氮化物、碳化物以及碳氮化物易析出、焊缝晶粒粗大的问题，从而提高了高氮钢焊接接头的力学性能，改善了焊接热影响区的韧性。

专利申请号为201110181329.9的发明一种焊接过程中使用脉冲磁场细化焊缝组织的方法，包括采用普通的熔化极气体保护焊方法进行焊接加工，在熔化极气体保护焊焊接熔池的上方设置外加磁场，所述磁场的机械移动与焊枪移动同步，在焊接过程中，通过所述磁场控制电弧和熔滴过渡行为，促使熔化极气体保护焊熔池内金属熔体强制运动，产生电磁搅拌作用，最终实现焊接过程中细化焊缝组织的目的。本发明的方法和设备在焊接过程中细化焊缝组织、减少焊接缺陷，从而降低成本，提高焊接质量和生产效率。

专利申请号为201310749922.8的发明公开了一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法及设备,可用于激光点焊和缝焊，该方法是在整个焊接过程中,先将激光束照射到工件上形成焊接接头，再将脉冲强磁场施加于刚刚凝固的焊接接头及其周围区域,脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，并提高焊接接头疲劳强度。

专利申请号为201610180639.1的发明一种外加磁场装置控制焊接残余应力及降低残余应力峰值的系统。本系统是由外加磁场发生装置产生纵向磁场作用于焊接的电弧，电弧中的带电粒子在外加磁场的作用下向电弧边沿旋转，电弧由圆锥形变为钟罩形，电弧能量及电流密度成双峰状分布,从而导致焊接温度场梯度降低，致使焊接残余应力的分布得到了优化，且降低了焊缝处残余应力峰值。

专利申请号为201710016873.5的发明一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置线圈骨架套在铁芯上，并在两侧的线圈骨架上缠绕同样匝数的漆包线夹具体两侧放置两个高度相同的线圈将上述两个线圈串联接在励磁电源上，通过调节励磁电源的电流和频率来控制磁感应强度，然后用焊枪进行焊接。本发明可完成对薄壁件堆焊的成形控制, 利用该磁场发生装置产生的磁场在工件表面产生感应电流,进而产生电磁力控制堆焊层形貌。

专利申请号为201710465131.0的发明公开了一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法。当线圈缠绕部缠绕着线圈且该线圈通电时，磁压缩焊接电弧装置就会产生类似于磁聚焦四极透镜的横向尖角磁场，该横向尖角磁场垂直于电弧弧柱轴线，对电弧产生力的作用，从而实现电弧压缩,提高电弧能量密度另外，这种横向尖角磁场也会改善电弧的形态，提高电弧的挺度。

发明内容

基于以上不足，基于电弧增材制造的现状，本发明提出一种磁场控制式电弧增材制造方法及装置，其目的在于控制增材过程中电弧的形态以及运动状态，确保熔池充分振荡，得到稳定性好、可控性好的旋转射流过渡，从而大大提高生产效率，提高电弧机器人增材成形件成形形貌的连续一致性，进而保证产品质量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法，在增材枪和工件之间形成纵向磁场和环形磁场，维持电弧稳定，并对熔池起到电磁震荡搅拌作用，改善层与层之间的结合状态，提高成型件的质量。

纵向磁场和环形磁场配合，充分搅拌熔池，可实现喷射过渡的频率和尺寸，即不同强度的外加纵向磁场和环形磁场以及成形工艺参数使得熔滴过渡频率以及体积产生变化。

其中，增材枪内设有一个水冷回路，用于保持枪体温度处于适当的温度范围内，并且两侧置有可上下调节的轴对称励磁线圈，丝材和工件之间产生的电弧被外加磁场以及保护气体所包围，枪体结构和磁场配合协同。

磁场发生装置与控制器相连并受控于控制器，控制器与励磁电源相连，励磁电源与励磁线圈相连；控制器根据制造参数和增材高度，控制磁场发生装置中励磁电源，产生强度不断变化的纵向磁场和环形磁场。所述磁场的机械移动与焊枪移动同步，在焊接过程中，通过所述磁场控制电弧和熔滴过渡行为，促使熔化极气体保护焊熔池内金属熔体强制运动，产生电磁搅拌作用，最终实现焊接过程中细化焊缝组织，减少焊接缺陷的目的。

磁场控制式电弧增材制造方法具体为：

步骤1、首先将电弧增材制造的扫描路径及焊接工艺参数输入控制器中，形成包含大量焊接参数的模型化磁场控制器，所述控制器接收的焊机反馈的制造参数具体包括：焊接电流，焊接电压，焊接速度，保护气流量；

增材过程中，控制器能实时接收焊机反馈的实时焊接参数(主要是焊接电流)，并实时调用出对应的磁场参数，即不同频率、强度、占空比的交变励磁电流，其方向可随时间不断变化；

步骤2、控制器则根据对应的磁场参数(磁场强度，频率及占空比)，通过调节励磁电源的电流和频率来控制磁感应强度(一般情况下，焊接电流增大时，控制器反馈增加励磁电源电流和频率的指令，提高磁感应强度)；控制器使纵向磁场变化频率高于电弧频率确保熔池充分振荡，并维持电弧稳定；

步骤3、增材初期，通过控制磁场发生装置中的励磁电源产生对应强度的纵向磁场，并进行增材；

步骤4、当增材件堆敷的表面出现明显气孔时，通过控制激磁线圈的旋转产生不同频率和强度的环形磁场，对不同位置的熔池进行不同强度的振荡搅拌，直至增材结束。具体操作如下：随着增材成型件高度的增加，控制励磁线圈的旋转速度逐渐增大，直到达到稳定速度，即线圈旋转速度与实际焊接速度保持一致时不再变化。在这个过程中，刚出现气孔时，环形磁场的频率和强度较大，直至线圈旋转速度不变时，环形磁场的频率和强度不再变化；其中，空心轴电机带动磁线圈绕增材枪旋转，对不同位置的熔池进行震荡搅拌；

其中，线圈两端产生的感应电势：e＝Nd_ψ/dt，式中：e为线圈两端感应电势，N为线圈匝数，ψ为通过线圈的磁通，从式中可以看出，线圈匝数不变的情况下，感应电势与磁通的变化成正比，也就是轴电机的旋转速度成正比，此发明中最大旋转速度为实际焊接速度。

整个增材过程中，通过焊枪外部装有传感装置，实时监测熔池励磁线圈高度，并将传感信息反馈给可上下调节的励磁线圈，保证励磁线圈与熔池的间距始终保持一致。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1、通过控制磁场的频率和强度，采用纵向磁场和环形磁场相配合的方式，充分搅拌不同位置的熔池，可实现喷射过渡的频率和尺寸，即不同频率和强度的外加磁场以及成形工艺参数使得熔滴过渡频率以及体积产生变化。

2、利用磁场控制电弧增材制造过程，主要包括以电弧为热源，采用同步送丝的方式，通过纵向磁场和环形磁场配合电弧增材制造参数，将熔融丝材按照一定的成形路径逐层堆积实现零件的实体制造，获得良好的增材制造质量。

3、焊枪外部装有传感装置4，实时监测熔池励磁线圈高度，并将传感信息反馈给可上下调节的励磁线圈，保证励磁线圈与熔池的间距始终保持一致。

附图说明

图1为工艺流程图；

图2为增材枪的结构示意图；

图3为磁场发生装置示意图；

图4为环形磁场作用示意图；

其中有：1、水冷回路，2、励磁线圈，3、控制器，4、传感装置，5、环形磁场，6、熔池，7、励磁电源，8、增材枪，9、空心轴电机。

具体实施方式

为了更加清晰的表述本发明的制造优点，以下结合具体实施例对本发明进一步说明。

以下实施例用来说明本发明，但不是限制于本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。

结合附图，本发明磁场控制式电弧机器人增材成形方法与装备，包括由机器人、变位机组成的机械及控制系统和由焊接电源、电弧控制器、送丝机、焊枪等组成的焊接系统以及磁场发生装置、交流电源以及控制器3。磁场发生装置包含对称激磁线圈2，空心轴电机，激磁线圈2与控制器3相连并受控于控制器，激磁电流由自制的激磁电源产生；控制器控制激磁线圈产生纵向磁场，并且通过空心轴电机4的转动控制器控制磁线圈产生环形磁场5；控制器与交流电源7相连，由交流电源7向控制器供电；增材枪内设有一个水冷回路1，用于保持枪体温度处于适当的温度范围内。

本发明利用以软件建立成形零件的三维模型，首先根据成形零件的形状结构及尺寸大小，对该模型进行分层切片处理；其次，根据各分层切片的尺寸和形状特点进行成形路径规划；磁场发生装置与控制器3相连并受控于控制器，控制器与交流电源相连，由交流电源向控制器供电；磁场发生装置由多匝外加线圈2组成，安装在增材枪两侧。

具体实施：本发明磁场控制式电弧机器人增材成形方法与装备，包括日本安川(YASKAWA)公司产生产的型号为MOTOMANMH6的弧焊机器人和DX100控制柜，二轴倾翻旋转式变位机，福尼斯Magicwave 3000型号交直流一体化焊机，ROB5000端子，飞马特PMW等离子焊枪，送丝机和焊接耗材，以及激磁线圈和激磁电源组成的磁场发生装置。

利用以软件建立成形零件的三维模型，首先根据成形零件的形状结构及尺寸大小，对该模型进行分层切片处理；其次，根据各分层切片的尺寸和形状特点进行成形路径规划。实验中所用分层建模软件系统主要由3DAutomate和Mastercam组成。

在等离子焊枪两侧安装外加磁场发生装置，本发明中采用的是一种外加交变磁场，该磁场由安装在焊枪上的励磁线圈2产生，激磁电流由自制的励磁电源7产生。励磁线圈2的结构采用空心圆柱轴对称线圈，磁头尺寸按照实验用的焊枪尺寸进行设计，将励磁线圈利用可上下调节装置置于焊枪两侧，在线圈制作过程中考虑到线圈发热及电弧的辐射热量，需要在激磁线圈上设计石棉层来达到隔热的目的，同时焊枪上设置的水冷回路1也能起隔热作用。磁场发生装置与控制器3相连并受控于控制器，控制器3与励磁线圈电源相连。该磁场装置也可以用于MIG,TIG,CMT等电弧增材制造工艺中。

试验过程中首先将电弧增材制造的焊接参数输入控制器中，形成包含大量焊接参数的模型化控制器；其中，焊接参数包括焊接电流，焊接电压，焊接速度以及保护气流量，且与输入大量试验所得的所匹配的焊接工艺参数；本实验中，焊接电流140A，保护气流量20L/min，焊接速度3.5mm/S。

增材过程中，控制器3能实时接收焊机反馈的实时焊接参数(主要是焊接电流)，并实时调用出对应的磁场参数，即不同频率、强度、占空比的交变励磁电流，其方向可随时间不断变化；

控制器则根据对应的磁场参数，驱动励磁电源产生不同强度和频率的励磁电流(本实验中电流为3.8～8.5A)，从而改变通电的激磁线圈的强度和频率，产生不同强度的电磁力(一般情况下，焊接电流增大时，控制器对励磁电源发出控制指令，增加励磁电源的强度和频率，从而增加励磁线圈的强度)；

控制器使纵向磁场变化频率高于电弧频率确保熔池充分振荡，并维持电弧稳定，确保熔池6充分振荡。

实验过程中，由于增材开始阶段，材料高度较低，通过控制器控制电流方向沿线圈缠绕方向，形成纵向磁场。

本实验中，增材构件为正十二边形异种材料增材构件，每层高度为2mm，总高度为60mm。增材过程中，当增材至20mm左右，发现增材过程中出现较多飞溅，且构件中出现较多飞溅，因此，之后便采用环形磁场进行增材过程控制，发现情况得到明显改善。

所以，当增材件堆敷的表面出现明显气孔时，通过控制激磁线圈的旋转产生不同频率和强度的环形磁场，对不同位置的熔池进行不同强度的振荡搅拌，直至增材结束；

线圈两端产生的感应电势：e＝Nd_ψ/dt，式中：e为线圈两端感应电势，N为线圈匝数，ψ为通过线圈的磁通，从式中可以看出，线圈匝数不变的情况下，感应电势与磁通的变化成正比，也就是轴电机的旋转速度成正比，此发明中最大旋转速度为实际焊接速度；

具体来说，随着增材成型件高度的增加，控制励磁线圈的旋转速度逐渐增大，直到达到一个稳定速度，即线圈旋转速度与实际焊接速度保持一致时不再变化，本实验中采用的焊接速度为3.5mm/s，线圈旋转速度从1.2mm/s逐渐增加到3.5mm/s，即纵向磁场强度为12T，环形磁场强度逐渐增大到35T，一直保持到增材过程结束。

配有空心轴电机4带动磁线圈绕增材枪旋转，对不同位置的熔池6进行震荡搅拌。最终实现磁场控制电弧机器人将熔融丝材按照一定的成形路径逐层堆积自动增材成形。

Claims (6)

1.一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法，其特征在于，采用纵向磁场和环形磁场相配合的控制方法，实现电弧控制，进行增材成形；具体如下

磁场发生装置与控制器相连并受控于控制器；

控制器根据焊机反馈的制造参数，调出对应的磁场数据；

增材初期，通过控制磁场发生装置中的励磁电源产生对应强度的纵向磁场，并进行增材；当增材件堆敷的表面出现明显气孔时，通过控制激磁线圈的旋转产生不同频率和强度的环形磁场，对不同位置的熔池进行不同强度的振荡搅拌，直至增材结束。

2.根据权利要求1所述的磁场控制式电弧机器人增材成形方法，其特征在于，所述磁场的机械移动与焊枪移动同步，在焊接过程中，通过所述磁场控制电弧和熔滴过渡行为，促使熔化极气体保护焊熔池内金属熔体强制运动，产生电磁搅拌作用。

3.根据权利要求1所述的磁场控制式电弧机器人增材成形方法，其特征还在于，在环形磁场过程控制中，通过焊枪外部装有传感装置，实时监测熔池励磁线圈高度，并将传感信息反馈给可上下调节的励磁线圈，保证励磁线圈与熔池的间距始终保持一致。

4.根据权利要求1所述的磁场控制式电弧机器人增材成形方法，其特征在于，所述控制器接收的焊机反馈的制造参数具体包括：焊接电流，焊接电压，焊接速度，保护气流量；所述与制造参数相对应的磁场参数包括磁场强度，磁场频率以及占空比。

5.根据权利要求1所述的磁场控制式电弧机器人增材成形方法，其特征在于，所述通过控制励磁线圈的旋转产生不同频率和强度的环形磁场，具体操作如下：随着增材成型件高度的增加，控制励磁线圈的旋转速度逐渐增大，直到达到稳定速度，即线圈旋转速度与实际焊接速度保持一致时不再变化；在这个过程中，刚出现气孔时，环形磁场的频率和强度较大，直至线圈旋转速度不变时，环形磁场的频率和强度不再变化，直至增材结束。

6.一种磁场控制式电弧机器人增材成形装置，包括由机器人、变位机组成的机械及控制系统和由焊接电源、电弧控制器、送丝机、焊枪等组成的焊接系统，其特征在于，还包括：磁场发生装置、交流电源以及控制器(3)，所述的磁场发生装置包扩对称的激磁线圈(2)，空心轴电机，激磁线圈(2)与控制器(3)相连并受控于控制器，激磁电流由自制的激磁电源产生；控制器控制激磁线圈产生纵向磁场，并且通过空心轴电机(4)的转动控制器控制磁线圈产生环形磁场(5)；控制器(3)与交流电源7相连，由交流电源7向控制器供电；且增材枪内设有一个水冷回路(1)，用于保持枪体温度处于适当的温度范围内。