CN110181056A - 铝液柱扫描磁力控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种铝液柱扫描磁力控制方法，通过在下落的铝液柱的两侧施加磁场，使得铝液柱内产生洛伦兹力导致其在沉积平台上的落点发生偏转，从而实现二维平面上的扫描；所述的磁场为旋转磁场或对称分布交变磁场。本发明可实现铝液柱二维平面上的任意扫描，不需二维移动平台且避免了由于平台冲击造成打印精度的问题。

Description

铝液柱扫描磁力控制装置
技术领域
本发明涉及的是一种冶金领域的技术，具体是一种铝液柱扫描磁力控制装置。
背景技术
铝液直接成形技术属于增材制造技术，其基本原理是通过加热铝块或铝合金丝得到高温铝液，铝液通过微孔或狭缝以液滴或者液柱的方式滴落到其正下方的冷凝台上铺展凝固，利用凝固层的重复堆叠结合成型。铝液直接成型的关键技术之一是在液滴或液柱下落的过程中对其运动轨迹进行精确控制，以实现其可以精确运动到冷凝台上的特定位置，进而实现复杂形状或均匀平面结构的堆叠成型。
从技术路径上看，分为液滴控制方法和液柱控制方法。现有技术中有采用磁场控制带电金属液滴直接沉积成型的金属微滴增材制造方法，该方法的优势是可以精确控制液滴的运动轨迹，制造出复杂形状，但金属液滴成型效率低下，不可能用于以均匀平面结构为主要特征的大型铸锭的生产。为解决大型铸锭的制备，需要采用连续的铝液液柱在冷凝台上以一定轨迹进行扫描，进而通过铝液铺展堆叠形成均匀平面结构。现有技术所采用的方法是使冷凝台与其正上方液柱的微孔通道进行相对运动，但是对于大型铝锭的制备，冷凝台的载荷较大，现有装置的运动速度难以满足设计要求。实现直接对连续铝液液柱的运动进行控制可以解决这一难题，在液柱微孔通道和冷凝台相对静止的状态下实现铝液以一定轨迹均匀铺展，但当前尚没有解决方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种铝液柱扫描磁力控制方法及装置，可实现铝液柱二维平面上的任意扫描，不需二维移动平台且避免了由于平台冲击造成打印精度的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种铝液柱扫描磁力控制方法，通过在下落的铝液柱的两侧施加磁场，使得铝液柱内产生洛伦兹力导致其在沉积平台上的落点发生偏转，从而实现二维平面上的扫描。
所述的磁场为旋转磁场或对称分布交变磁场。
本发明涉及一种实现上述方法的铝液直接成形装置，包括：沉积平台以及设置于其上方的铝液熔器，其中：铝液熔器的底部设有用于产生连续铝液液柱的开口，沉积平台和铝液熔器之间靠近铝液液柱侧设有磁场发生装置。
所述的磁场发生装置为三相交流电驱动的环形线圈，当输入电流频率在150～450Hz时，能够利用电容降低线圈电感的影响，通过并联谐振来提高线圈电流。如果将变频电源改为直流电源，即可产生静态磁场。
附图说明
图1为旋转磁场铝液柱扫描控制器示意图；
图2a为旋转磁场示意图；图2b为三相交流电路示意图；
图3a为环形铸锭示意图；图3b为圆柱体铸锭示意图；
图4为对称分布磁场铝液柱扫描磁力控制器示意图；
图5a为磁场分布图；图5b为沉积试样示意图；
图中：1微孔通道、2铝液柱、3正弦波直流电源、4沉积试样、5沉积平台、6可控电阻、7铝液、8坩埚、9对称分布的磁场发生装置、10升降台。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及的一种铝液直接成形装置，包含：带有微孔通道1的坩埚 8以及设置于坩埚8下方的带有升降台10的沉积平台5，其中：坩埚8通过正弦波直流电源3 和可控电阻6产生热量以熔化其中的铝液7，坩埚8与沉积平台5之间设有磁场发生装置9，当铝液7从坩埚缝隙流出来，形成连续液柱，通过磁场发生装置9时，由于磁场方向成周期变化，致使带电铝液受到的洛伦兹力方向也发生周期偏转，最终形成动态的环形液柱。
如图2所示，所述的磁场发生装置9为三相交流电驱动的环形线圈，当以正弦交流电方式，电流为电压为其中Im和Um为振幅、ω为角频率、为初相位，调节三相交流电流iu＝Im sinωt、iv＝Im sin(ωt-120)、iw＝Im sin(ωt+120)，三相交流电压uu＝Um sinωt、uv＝Um sin(ωt-120)、uw＝Um sin(ωt+120)从而改变环形液柱圆的半径，形成对铝液柱运动轨迹的有效控制；
本装置通过以下方式实现制备：
①首先将炉料放入坩埚8，将炉料升温温度680℃至熔化，打开电源3，将铝液通入220V 正弦波直流电；设置喷射距离16cm，升降台8的移动速度4mm/s，移动方式竖直上下，如图 1所示。
②向铁芯通入三相交流电，利用外力将带电铝液7从微孔通道1中挤出，经过旋转的磁场发生装置9时受到磁场力(洛伦兹力)发生运行轨迹偏转，液柱随着磁场方向周期变化，形成圆形偏转轨迹，铝液柱2冷却在沉积平台5上。
所述的外力，优选通过气压外力方式将带电铝液从微孔通道挤出。
所述的旋转，通过旋转磁场发生装置9实现。
③通过控制升降台10高度，获得一定厚度的环形铸锭，如图3左所示；通过调节旋转磁场发生装置9三相交流电流和电压大小，将交流电电流调至最大值，获得最大环形铸锭，逐渐降低交流电电流值，带电铝液在磁场下的洛伦兹力值逐渐减小，铝液柱偏转角度也在减小，形成环形铸锭半径逐渐降低，最终打印出圆柱铸锭，如图3右所示。
如图3所示，为本实施例成品示意图，其中图3a为环形铸锭示意图；图3b为圆柱体铸锭示意图。
实施例2
本实施例对旋转磁场发生装置9采用两相交流电驱动，当以正弦交流电方式，电流为 i＝±Im sinωt、电压为u＝±Um sinωt，使得磁场发生装置9产生如图5a所示对称分布交变磁场，带电铝液柱2在交变磁场发生装置9作用下，所受洛伦兹力大小不变，方向发生180°周期偏转，铝液柱形成前后或左右偏转运动态势，调节磁场三相电流的大小，改变磁场的大小，从而改变铝液柱所受洛伦兹力大小，控制铝液柱的摆动幅度和频率，进一步控制打印试样的形貌，最终形成的铝液沉积形貌特征如图5b所示。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种铝液柱扫描磁力控制方法，其特征在于，通过在下落的铝液柱的两侧施加磁场，使得铝液柱内产生洛伦兹力导致其在沉积平台上的落点发生偏转，从而实现二维平面上的扫描；
所述的磁场为旋转磁场或对称分布交变磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的旋转磁场，通过对称三相绕组中流过对称三相电流时产生，该磁场的方向随电流交变而在空间不断旋转。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的旋转磁场，当以正弦交流电方式，调节三相交流电iu＝Imsinωt、iv＝Imsin(ωt-120)、iw＝Imsin(ωt+120)，三相交流电压uu＝Umsinωt、uv＝Umsin(ωt-120)、uw＝Umsin(ωt+120)从而改变环形液柱圆的半径，从而形成对铝液柱运动轨迹的有效控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当以正弦交流电方式采用两相交流电驱动，电流为i＝±Imsinωt、电压为u＝±Umsinωt，使得磁场发生装置产生对称分布交变磁场，使得带电铝液柱在交变磁场发生装置作用下，形成前后或左右偏转运动态势。
5.一种实现上述任一权利要求所述方法的铝液直接成形装置，其特征在于，包括：沉积平台以及设置于其上方的铝液熔器，其中：铝液熔器的底部设有用于产生连续铝液液柱的开口，沉积平台和铝液熔器之间靠近铝液液柱侧设有磁场发生装置；
所述的磁场发生装置为三相交流电驱动的环形线圈。
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