CN109732183A - 一种磁控等离子弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本文公开一种磁控等离子弧增材制造方法，应用于一些精小金属器件的增材制造。它的技术要点为：在增材制造过程中，在焊炬进行平移、旋转等机械运动后，通过磁场控制等离子电弧进行精调，以便完成电弧在平面内的精确扫描；采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，完成同层不同高度的堆积。本发明响应速度快，成型精度高，减小了增材制造过程中极限位置出现的几率。

Description

一种磁控等离子弧增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体来说是一种磁控等离子弧增材制造方法。

技术背景

增材制造技术又叫做3D打印技术，和传统机加工制造技术相比，它是利用材料离散/堆叠的原理，进行逐层累积从而实现构件的制造。在传统的增材制造过程中，热力场分布的主动精确控制难度较大，因而出现一系列与成形精度与组织性能相关的问题。例如：逐层堆积过程易造成热量累积效应，导致熔池可控性较差，零件边缘易发生流淌；长期非稳态热力耦合循环下，成形零件中存在较大的焊接热应力和残余应力，极易引起基板翘曲变形与成形件开裂；逐层堆焊冶金过程复杂，成形件非均匀受热以及不同位置散热件的差异导致组织不均匀长大、显微偏析严重等等，加大了成形件性能的控制难度。因此，传统的电弧增材制造只能直接制造结构不太复杂、精度要求不高的零件，来满足零件在外观和性能方面的使用要求。而本发明所涉及的磁控等离子弧增材制造技术，因为电弧经过压缩，其形状精细，并且在磁场的控制下，可以减小对热力场精细控制的难度，有利于提高增材制造的成型精度和组织性能，因此本发明可以制造结构相对复杂，难度相对较高的零件。

传统的增材制造技术大多利用控制焊炬平移、旋转等机械运动来实现电弧在工件上的扫描。这些技术对电弧扫描的精细控制难度较大，而且机械器件的运动容易出现极限位置，导致增材制造过程出现故障。本发明是利用电弧是一种柔性导体这一特性，可以有效的降低增材制造过程中极限位置出现的几率。

当今社会对增材制造技术的研究越来越重视，如专利号为“201711402065.9”的“一种金属激光熔化增材制造方法”，该方法在激光增材制造加工完每一层后，采用无损探伤方法对单层激光凝固区遍历扫描，对缺陷特征进行识别、定位以及包容区域简化，再采用机械加工方法去除缺陷区域，最后通过增材再制造方法修复切除区域，该方法设备复杂，并且耗费精力。磁控技术目前发展的已经比较广泛，如专利号为“201710089924.7”的“一种具有磁聚电弧作用的磁控旋转电弧传感器”，对电弧进行磁汇聚、机械压缩和热压缩,因而焊接时使得电弧稳定偏转。如专利号“201310228848.5”的“一种磁控电弧加工轴的方法”，利用磁控电弧加工轴获得了成功。与激光增材制造方法相比，本发明将磁控电弧的特性运用到增材制造领域，结构简单，生产成本低，增材制造过程中成型精度高。因此，本发明对增材制造领域的发展具有推动作用。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，更好的推动增材制造领域的发展，提出一种磁控等离子弧增材制造方法。

采用如下技术方案：本发明为一种磁控等离子弧增材制造方法，主要由等离子焊枪和三维电弧摆动控制器组成的系统完成。在计算机中输入所需加工工件的程序，程序控制电弧摆动控制器中的感应线圈产生的磁场，达到控制电弧在平面内按照既定图案进行扫描；采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，实现同层不同高度的增材制造过程。

三维磁控电弧摆动器主要由两组线圈组成，两组线圈的产生磁场方向互相垂直，所产生的安培力在平面上互相垂直，以此控制电弧在 XOY平面内的摆动。而对工件高度的控制主要是利用磁场控制电弧的摆动速度，来影响增材制造过程的熔覆量，进而控制增材制造过程中相应位置的高度。

其控制电弧在XOY平面内进行扫描的原理如下：设两磁场的磁感应强度分别为B1、B2，l为电弧长度，为磁场与电弧的夹角，电弧导体的质量为M、K为阻力系数，ρ为电荷密度，V为运动速度，S 为单位长度弧柱的迎风面积由此可得电弧的加速度为：

当电弧做匀速运动，当电弧做加速运动，当电弧在平面内做减速运动，因此电弧在两个互相垂直的安培力的作用下，就可以在平面XOY上完成扫描。

根据所制造的零件各位置的高度不同，调整磁场频率，控制电弧扫描速度，以达到相应位置的相应高度。设零件某处的高度为H，长度为L，增材制造层数为a，此焊缝单位高度金属量为m，则此层金属总熔覆量为M＝mH/a，又因单位时间的送丝量N，则此处所需扫描时间此时需要将电弧扫描速度调整到调整磁场频率，控制电弧扫描速度以达到相应位置的相应高度H。

附图说明

图1为磁控等离子弧焊枪，图1中1、控制Y轴方向的磁感线圈2、控制Y轴方向的磁感线圈3、电弧压缩小孔4、电极(其中Y轴方向在图中垂直于纸面方向，X方向为水平方向)

图2为磁控等离子电弧增材制造系统原理的结构图，图2中1、基板 2、打印的零件3、等离子电弧4、三维电弧摆动控制器5、焊枪6、送丝机构7、计算机

图3为所需打印工件

具体实施步骤

为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。

实例一：首先在计算机中将所需程序输入，然后计算机在将指令传递给电弧摆动控制器和焊枪，此时焊枪引燃电弧，电弧通过喷嘴时产生等离子电弧，同时磁控电弧摆动控制器控制x轴方向的产生磁场，当速度达到预定值V时，调整B值，使得此时电弧按照预定值V做匀速直线运动。

要制造图3所示的工件，电弧从A点开始做匀速直线运动到达B：因为AB段高度为H₀，长度为L₀，增材制造层数为a，设此焊缝单位高度金属量为m，则此层金属总熔覆量为M₀＝mH₀/a，又因单位时间的送丝量N，则此处所需扫描时间此时需要将电弧扫描速度调整到调整磁场频率，使AB段电弧扫描速度 使增材制造完成后AB段的高度为H₀。BC段的高度为H₁，则此处每层金属总熔覆量为M₁＝mH₁/a，因此在BC段的M₁＝MH₁/a，则此处所需扫描时间此时需要将电弧扫描速度调整到则此时需要将扫描速度提高到根据增大B，使得在BC处扫描速度为V₁。当到达c 处时，减小磁场B，使电弧扫描速度在CD段恢复为此后，电弧根据此三段速度在AD上扫描a次，即可获得相应形状的零件。

总之，对于此工件的制造过程为，在AB段磁场控制电弧扫描速度为BC段控制电弧扫描速度为CD段控制电弧扫描速度为在每层扫描完成后，熄灭电弧和磁场，并停止送丝，此时完成此直壁墙的第一层打印，此后调整焊炬高度，以达到每一次堆积厚度相同，然后进行第二层堆积，直至堆积a层后就可得到所需工件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种磁控等离子弧增材制造方法 ，主要由等离子焊枪和三维电弧摆动控制器组成的系统完成;在计算机中输入所需加工工件的程序，程序控制电弧摆动控制器中的感应线圈产生的磁场，在磁场的控制下，电弧在平面内按照既定图案进行扫描；采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，实现同层不同高度的增材制造过程。

2.根据权利要求1所述，一种新型三维磁控电弧摆动控制器，其特征在于：该构件主要由两组线圈组成，两组线圈的产生磁场方向互相垂直，所产生的安培力在平面上互相垂直，可以控制电弧在平面XOY内进行扫描。

3.采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，实现金属零件同层不同高度时的连续增材制造过程；其特性如下：根据所制造的零件各位置的高度，调整磁场频率，控制电弧扫描速度，以达到相应位置的相应高度;

设零件某处的高度为H，长度为L，增材制造层数为a，此焊缝单位高度金属量为m,则此层金属总熔覆量为M=mH/a，又因单位时间的送丝量N，则此处所需扫描时间,此时需要将电弧扫描速度调整到；

调整磁场频率，控制电弧扫描速度，以达到相应位置的相应高度H。