CN109732183B - 一种磁控等离子弧增材制造方法 - Google Patents

一种磁控等离子弧增材制造方法 Download PDF

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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，
Figure RE-GDA0002013978960000032
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：
Figure RE-GDA0002013978960000031
当
Figure RE-GDA0002013978960000033
电弧做匀速运动，当
Figure RE-GDA0002013978960000034
电弧做加速运动，当
Figure RE-GDA0002013978960000035
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
Figure RE-GDA0002013978960000041
此时需要将电弧扫描速度调整到
Figure RE-GDA0002013978960000042
调整磁场频率，控制电弧扫描速度
Figure RE-GDA0002013978960000043
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
Figure RE-GDA0002013978960000044
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
Figure RE-GDA0002013978960000045
此时需要将电弧扫描速度调整到
Figure RE-GDA0002013978960000051
调整磁场频率，使AB段电弧扫描速度
Figure RE-GDA0002013978960000052
Figure RE-GDA0002013978960000053
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
Figure RE-GDA0002013978960000054
此时需要将电弧扫描速度调整到
Figure RE-GDA0002013978960000055
则此时需要将扫描速度提高到
Figure RE-GDA0002013978960000056
根据
Figure RE-GDA0002013978960000057
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
Figure RE-GDA0002013978960000058
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
Figure RE-GDA0002013978960000059
BC段控制电弧扫描速度为
Figure RE-GDA00020139789600000510
CD段控制电弧扫描速度为
Figure RE-GDA00020139789600000511
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 (2)

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磁控电弧摆动控制器组成的系统完成；三维磁控电弧摆动控制器主要由两组励磁线圈组成，两组励磁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；在计算机中输入所需加工工件的程序，程序控制三维磁控电弧摆动控制器中的励磁线圈产生磁场，磁场控制等离子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所述的磁控等离子弧增材制造方法，其中所述的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，其步骤是：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
Figure FDA0002727171520000011
此时需要将电弧扫描速度调整到
Figure FDA0002727171520000012
调整磁场频率，控制电弧扫描速度
Figure FDA0002727171520000013
以达到相应位置的相应高度H。
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