CN110369825B - 一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统 - Google Patents

一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统，属于增材制造领域，该方法适用于送丝和送粉增材制造，包括：制造前准备步骤；加工设备调整步骤，布置丝材或金属粉末、调整焊枪或送粉喷嘴和脉冲源发射探头的位置；机床启动步骤；同步加载高功率脉冲步骤，通过所述电磁超声发生系统的上位机操作软件、主控系统、高功率脉冲发生模块和所述脉冲源发射探头使熔融态金属发生超声振动；以及完成试件成形步骤。所述脉冲源发射探头与增材制造机床的焊枪或送粉喷嘴随动，实现对熔池的实时照射。本发明使增材制造获得驼峰抑制的能力，提高了增材制造试件的表面质量，为后序加工工序提供了便利。

Description

一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型实施为实体零件的一种新型制造技术。与传统的、对原材料进行去除、组装的加工模式不同，增材制造是一种“自下而上”实现结构件从无到有的制造方法。这使得过去受到传统制造方式约束而无法实现的复杂结构件的制造变为可能。
增材制造过程是一个多物理场耦合过程，在试件的成形过程中存在各种不稳定因素，其本质脱离不开金属熔融、凝固成形、逐层增长等特性。其中，送粉金属熔化或等离子、激光等电弧增材中熔丝功率、焊接速度等的影响会导致焊道表面出现明显的波纹状驼峰，具体表现为沿着成形方向其中心线上的材料高度有起伏、材料宽度也不能保持一致。试件材料表面的不平整或给后续的轧制工序带来轧辊下压量不固定、轧制力难以控制等问题，同时也会给组织性能均匀性甚至层间质量均匀性带来不利影响。为优化加工，使层间均质，提高层间结合质量，在增材制造过程中对熔融金属驼峰进行抑制是十分必要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统，由此解决现有增材制造过程中存在熔融金属驼峰的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法，包括：
在待加工试件的增材制造过程中，将高功率脉冲施加于熔池内的待增材制造的熔融态金属液滴上，以使熔池内的熔融态金属发生超声振动，直至完成所述待加工试件的增材制造过程。
优选地，施加所述高功率脉冲的时刻与开始所述待加工试件的增材制造过程同步或者提前于所述待加工试件的增材制造过程，以保证整个增材制造过程中熔池内的熔融态金属的超声振动。
优选地，所述高功率脉冲覆盖范围的半径的最小值大于所述熔融态金属液滴的半径。
按照本发明的另一方面，提供了一种增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声系统，包括：控制模块、高功率脉冲发生模块及脉冲源发射探头；
在待加工试件的增材制造过程中，由所述控制模块控制所述高功率脉冲发生模块与所述脉冲源发射探头共同合成高功率脉冲，并由所述脉冲源发射探头向熔池内的待增材制造的熔融态金属液滴发射所述高功率脉冲，以使熔池内的熔融态金属发生超声振动，直至完成所述待加工试件的增材制造过程。
优选地，所述控制模块包括：上位机操作模块及主控模块；
所述上位机操作模块，用于对所述电磁超声系统进行参数配置及启停控制；
所述主控模块，用于实现与所述上位机操作模块的通信，以控制所述电磁超声系统的工作时序、完成数据转换和存储的功能。
优选地，所述脉冲源发射探头对准所述熔池的位置。
优选地，所述脉冲源发射探头与所述待加工试件之间的距离设置为5～10mm。
优选地，所述脉冲源发射探头的脉冲覆盖范围半径的最小值大于所述熔融态金属液滴的半径。
优选地，所述脉冲源发射探头施加所述高功率脉冲的时刻与开始所述待加工试件的增材制造过程同步或者提前于所述待加工试件的增材制造过程，以保证整个增材制造过程中熔池内的熔融态金属的超声振动。
优选地，所述脉冲源发射探头为环形结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
在增材制造的过程中，用电磁超声对熔融金属驼峰进行抑制，使制造过程中实体的每一层表面更加平整和均一，提高了试件制造的表面质量，为后序加工工序提供了便利。此外，也有助于细化晶粒、减少试件内部缺陷、加速热量的外散，提高了试件材料内部的质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法的工作示意图；
图2是本发明实施例提供的一种脉冲源发射探头与焊枪的位置关系俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种电磁超声系统的结构框图；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-上位机操作模块，2-主控模块，3-高功率脉冲发生模块，4-脉冲源发射探头，5-焊枪，6-试件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
电磁超声(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)技术，与传统的超声技术有所不同，其借助试件内部质点的振动实现超声波的发射，无需与试件表面直接接触，可以在增材制造过程中实时产生超声波，其超声波产生的过程就是电能向试件粒子内部动能转化的过程。当发生超声振动时，其较高的频率会对液态介质产生剧烈的“破坏”和重组作用，其产生超声振动的表面张力和纵向体积力会促使液滴驼峰形状发生变化，可以有效改变原有液滴形态，降低驼峰高度的同时填补熔池间隙区域，得到偏差较小的粗糙表面。
在增材制造过程中，将高功率脉冲施加于待增材制造熔融态金属液滴上，使其内部粒子发生超声振动，并在振动持续的过程中进行增材制造，可以改善熔融态金属的流动与传输、减小熔池深度，使增材制造表面趋于平整，进而实现加工表面的驼峰抑制；同时，也有助于细化晶粒、减少试件中气孔等内部缺陷、加速热量的外散，提高制造质量。
本发明提供了一种增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法及系统，利用电磁超声系统激发熔融态金属的超声振动，在超声振动的状态下完成整个试件的加工过程，使增材制造技术获得熔融金属驼峰抑制的能力，提高加工质量，并且能够缩短加工时间。
本发明实施例以焊枪为例，但不局限于送丝增材制造，本发明同样适用于送粉增材制造。
请参阅图3，本发明较佳实施方式提供的适用于增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法的电磁超声系统，包括上位机操作模块1，主控模块2，高功率脉冲发生模块3，脉冲源发射探头4，形成一条完整的工作路径。
请参阅图1，本发明提供的增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法的工作示意图，脉冲源发射探头4设置在增材制造机床的焊枪5上，与之随动。
请参阅图1和图2，脉冲源发射探头4为环形结构，与焊枪5设置在同一轴线上，面向试件6的熔道的熔融态金属，并且与试件6之间保持一定高度，该高度较佳值应为5-10mm。
本发明实施例提供的一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法，具体实施步骤如下：
(1)制造前准备步骤，将待加工试件的STL模型导入增材制造机床系统内，确定待加工试件模型的摆放方位，待加工试件须为金属材料；
(2)加工设备调整步骤，将基板装夹在增材制造机床上，将材料的丝材布置在增材制造机床上，调整好焊枪5的位置；
其中，加工设备调整步骤，电磁超声系统设置在增材制造机床上，其主要由上位机操作模块、主控模块、高功率脉冲发生模块和脉冲源发射探头组成。
(3)机床启动步骤，开始进行待加工试件的加工，同时通过上位机操作模块1启动电磁超声系统；
其中，机床启动步骤，开始进行试件加工时，同时或稍早启动电磁超声系统，保证整个加工过程熔道内熔融态金属的超声振动。
(4)同步加载高功率脉冲步骤，在焊枪5移动的过程中，通过脉冲源发射探头4将高功率脉冲施加于待加工试件熔池，使熔池内熔融态金属发生超声振动。
其中，同步加载高功率脉冲步骤，脉冲源发射探头4设置在焊枪上，与焊枪随动，实现对熔道内熔融态金属的实时作用，使熔融金属持续产生超声振动。
请参阅图1，脉冲源发射探头4的脉冲覆盖范围的半径a的最小值大于熔融金属液滴的半径b。相对于金属液滴高度为h的无驼峰抑制的普通加工方法，经过电磁超声的驼峰抑制加工，金属液滴的高度为m，高度下降，表面更加均一平整。
(5)完成待加工试件成形步骤，得到增材制造试件。
其中，电磁超声系统工作时，由主控模块、高功率脉冲发生模块与脉冲源发射探头共同合成高功率宽带脉冲并实现其发射功能，并在熔融金属液滴表面感生出脉冲涡流，从而使熔融金属液滴内部质点振动，产生横向延展和纵向传播的超声信号，即获得与之对应的表面牵引力和纵向体积力。
更为具体地：工作时，首先，在增材制造机床的焊枪5上设置电磁超声系统。上位机操作模块1根据试件材质、检测环境和路径配置参数，对设备进行初始化，并发出启停指令。主控模块2根据传输的指令，控制设备启停和运转。主控模块2控制高功率脉冲发生模块3，每隔一个周期产生一个触发脉冲。脉冲源发射探头4向待加工试件6发射高功率脉冲。在待加工试件6的表面感生出涡流，其内部粒子被激发，发生超声振动。
本发明提供的一种增材制造熔融金属驼峰抑制的电磁超声方法，通过脉冲源发射探头4与焊枪5的随动，实现加工过程中对试件熔池的跟踪和实时照射，在试件增材制造成形的全过程中实现对其每一增材成形层的驼峰抑制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种增材制造过程中熔融金属驼峰抑制的电磁超声系统，其特征在于，包括：控制模块、高功率电磁超声脉冲发生模块及脉冲源发射探头；
在待加工试件的增材制造过程中，由所述控制模块控制所述高功率电磁超声脉冲发生模块与所述脉冲源发射探头共同合成高功率电磁超声脉冲，并由所述脉冲源发射探头向熔池内的待增材制造的熔融态金属液滴发射所述高功率电磁超声脉冲，以使熔池内的熔融态金属发生超声振动，直至完成所述待加工试件的增材制造过程；
所述控制模块包括：上位机操作模块及主控模块；
所述上位机操作模块，用于对所述电磁超声系统进行参数配置及启停控制；
所述主控模块，用于实现与所述上位机操作模块的通信，以控制所述电磁超声系统的工作时序、完成数据转换和存储的功能；
所述脉冲源发射探头与所述待加工试件之间的距离设置为5～10mm；
所述脉冲源发射探头的脉冲覆盖范围半径的最小值大于所述熔融态金属液滴的半径。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲源发射探头对准所述熔池的位置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲源发射探头施加所述高功率电磁超声脉冲的时刻与开始所述待加工试件的增材制造过程同步或者提前于所述待加工试件的增材制造过程，以保证整个增材制造过程中熔池内的熔融态金属的超声振动。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述脉冲源发射探头为环形结构。
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