CN110976867B - 一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法 - Google Patents

一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法，所述装置包括熔积能量源、柔性夹具及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源，所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源同步移动；所述熔积能量源以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生脉冲电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区进行电磁冲击。本发明可以抑制气孔、未融合、微裂纹等冶金缺陷，打破再结晶过程，细化晶粒，缓解甚至消除成形件拉应力，抑制成形制件变形，避免开裂，进而提高金属构件的成形质量和力学性能。

Description

一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法。
背景技术
金属增材制造技术一般运用高能束(激光、电磁束或者电弧)进行局部金属丝材/粉材熔化沉积，金属零件经历周期性急冷急热、熔化、凝固和固态相变，材料空间和时间上的不均匀膨胀和收缩导致构件复杂的热应力和变形，而堆积过程中夹杂、气孔和未融合等高质量缺陷以及局部特殊热现象导致的组织缺陷都是损害零件性能的因素，为了消除这些缺陷并提高零件性能，一方面要优化并严格控制堆积制造工艺，辅以先进的实时无损检测技术；另一方面为增材制造技术开发面向提高零件性能的辅助手段，减小成形件残余应力和变形、控制其缺陷和组织形态以提高机械性能。
尽管电弧增材制造堆积分辨率比电子束增材制造和激光增材制造低，不适合极其复杂结构零件的制造，但是电弧熔积的设备简单，堆积效率高，成本低，在制造大中型商用金属零件和修复再制造等领域具有显著竞争优势。目前，电弧增材制造技术主要的研究目的和热点之一是要探索克服其自身缺点和不足的途径，实现“控形”与“控性”并行制造，这也是提高成形件综合性能和实现电弧增材制造技术大规模工程化应用的关键所在。
现有的电弧增材制造研究中已有的微观组织调控手段主要有工艺参数优化和辅助手段，辅助手段主要有引入受迫加工和引入熔池调控磁场。引入受迫加工对降低残余应力和细化晶粒有一定的效果，但其接触式的调控手段一方面难以抑制电弧熔积的冶金缺陷，另一方面受迫加工设备表面处理不到位容易造成元素污染，而熔池调控磁场由于其直接施加在熔池上，容易出现金属飞溅以及成形形貌较差的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法，其属于一种改善金属增材制造成形件微观组织和力学性能的装置及方法，解决传统的金属电弧增材制造自由成形中残余应力分布复杂和集中、成形件变形大以及组织粗大，难以避免气孔、夹渣等缺陷的问题。所述装置通过将电磁冲击发生机构利用柔性夹具夹持于熔积能量源的附近，在进行熔积成形的同时，电磁冲击发生机构跟随熔积能量源同步移动，通过控制电磁冲击发生机构产生稳定可控的电磁场对高温熔凝微区进行冲击锻打，从而对每一个成形高温熔凝微区都进行冲击强化，使其产生塑性形变，抑制气孔、未融合、微裂纹等冶金缺陷，打破再结晶过程，细化晶粒，缓解甚至消除成形件拉应力，减少成形制件变形，避免开裂，进而提高金属构件的成形质量和力学性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置，所述装置包括熔积能量源、柔性夹具及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源，所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源同步移动；
所述熔积能量源以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区进行电磁冲击。
进一步地，通过改变所述电磁场的频率和脉冲强度或者通过所述柔性夹具调整所述电磁冲击发生机构相对于所述熔积能量源的位姿来改变作用于所述高温熔凝微区的电磁力的大小及作用区域。
进一步地，所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成，所述交变磁场的强度为100～10000A/m，频率为1～100Hz；所述脉冲电场的峰值电流为10A～1000A，脉冲周期为0.01～1.0s。
进一步地，所述电磁冲击发生机构包括导磁铁芯、导磁发生线圈及集磁头，所述导磁铁芯的一端连接于所述集磁头，所述集磁头邻近所述高温熔凝微区设置；所述电磁发生线圈缠绕在所述导磁铁芯上。
进一步地，所述电磁冲击发生机构产生的电磁场在所述集磁头聚集后向所述高温熔凝微区施加电磁力。
进一步地，所述集磁头与所述高温熔凝微区之间的间距大于等于1毫米。
进一步地，所述电磁冲击发生机构的冲击作用区域与电弧熔积成形时所产生的熔池之间的间距大于等于10毫米。
进一步地，所述电磁发生线圈与所述集磁头之间的间距小于等于10毫米。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的方法，提供如上所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，所述熔积能量源与所述电磁冲击发生机构同步移动，所述熔积能量源以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区进行电磁冲击，直至待制造零件制造完成。
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，本发明提供的电磁冲击复合电弧增材制造的装置及方法主要具有以下有益效果：
1.熔化沉积成形时，对电磁冲击发生机构线圈通入交变电流，再利用集磁头将电磁场集中在高温熔凝微区，脉冲电磁力对高温塑形区域产生挤压变形，进而抑制成形区域气孔、偏析、未熔合等冶金缺陷，同时其变形力还可以通过再结晶细化晶粒，从而提高成形零件的强度、抗疲劳、抗裂纹等机械性能。而且对焊道的塑形变形还可以实现对成形焊道残余应力的释放。
2.相比于机械受迫加工，由于其与作用对象之间无接触，电磁冲击具有高效无污染的优点，而且利用柔性夹具夹持电磁冲击发生机构，其电磁冲击作用大小、分布和方向可以实时在线控制，适用于熔积路径复杂的情形。
3.所述集磁头与所述高温熔凝微区之间的间距大于等于1毫米，以避免造成焊道元素污染和破坏集磁头。
4.所述电磁冲击发生机构的冲击作用区域与熔池之间的间距不小于10毫米，避免电磁力作用于所述熔池而造成飞溅和影响电弧形貌。
附图说明
图1是本发明提供的电磁冲击复合电弧增材制造的装置的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-熔池，2-熔积能量源，3-导磁铁芯，4-电磁发生线圈，5-集磁头，6-高温熔凝微区。
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。
请参阅图1，本发明提供的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，所述装置适用于电弧增材制造、激光增材制造或电子束增材制造，其包括熔积能量源2、柔性夹具、控制器及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源2，所述熔积能量源2、所述控制器及所述电磁冲击发生机构分别连接于所述控制器。所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源2同步移动。所述熔积能量源2以丝材为原料进行电弧熔积成形；待所述丝材熔化沉积后，所述控制器控制所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区6进行电磁冲击，以对沉积区域进行挤压及冲击，从而改变沉积层残余应力分布并调控成形零件微观组织，减少气孔、未融合等冶金缺陷和细化晶粒，进而提升成形零件的力学性能，由此实现了无污染、响应快的电磁冲击发生机构与电弧熔化沉积的同步复合。此外，对高温熔凝微区6进行电磁冲击还可以使微观组织产生交变形变(一种伸长和压缩的反复形变过程)，合适的电磁冲击可以压实气孔、微裂纹等冶金缺陷，打碎塑性成形过程中产生的枝状晶，调控残余应力。
本实施方式中，通过改变所述电磁场的频率和脉冲强度或者通过所述柔性夹具调整所述电磁冲击发生机构相对于所述熔积能量源2的位姿来改变作用于所述高温熔凝微区6的电磁力的大小及作用区域，继而改变残余应力而改善和调控微观组织。
所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成，所述交变磁场的强度为100～10000A/m，频率为1～100Hz；所述脉冲电场的峰值电流为10A～1000A，脉冲周期为0.01～1.0s，所述电磁场的具体参数是由丝材的物性参数及待制造金属零件的性能技术指标来确定。
所述熔积能量源2可以为等离子焊枪、气体保护焊枪或者激光焊头。所述电磁冲击发生机构包括导磁铁芯3、导磁发生线圈4及集磁头5，所述导磁铁芯3的一端连接于所述集磁头5，所述集磁头5邻近所述高温熔凝微区6设置。所述电磁发生线圈4缠绕在所述导磁铁芯3上。其中，所述电磁冲击发生机构产生的电磁场在所述集磁头5聚集后向所述高温熔凝微区6施加电磁力。
本实施方式中，通过改变所述电磁冲击发生机构的励磁电流大小、线圈匝数等参数及其相对于所述熔积能量源2之间的相对位置及角度来改变作用在所述高温熔凝微区6的电磁力的大小和分布；所述电磁冲击发生机构的工艺参数及所述电磁冲击发生机构相对于所述熔积能量源2的位姿是根据工艺试验制定的控制策略在实际熔积成形时进行控制的，且是可以实时控制的。
所述电磁冲击发生机构的电磁发生端与所述高温熔凝区域之间是无接触的，具体间距值是由丝材的物性参数及金属零件的性能技术指标而确定的；所述电磁发生线圈4的匝数直接影响变形量，具体匝数由高温熔凝微区6的目标变形量确定。
此外，所述电磁冲击发生机构还设置有冷却水通道，所述电磁冲击发生机构工作时，所述冷却水通道内通入冷却水以对所述电磁冲击发生机构进行冷却；所述集磁头5与所述高温熔凝微区6之间的间距大于等于1毫米，以避免造成焊道元素污染和破坏集磁头5，具体数值由熔积材料的物性参数和增材工艺确定；所述电磁冲击发生机构的冲击作用区域与熔池1之间的间距不小于10毫米，避免电磁力作用于所述熔池1而造成飞溅和影响电弧形貌，具体参数由熔积材料的物性参数和增材工艺确定；所述电磁发生线圈4与所述集磁头5之间的间距不大于10毫米。
在进行正式增材制造之前，进行面向熔积材料的电磁冲击工艺试验，进而通过金相观察和残余应力检测确定电磁冲击参数与晶粒大小、冶金缺陷和参与应力的关系，并建立电磁冲击参数库，为进一步电磁冲击微观组织调控和残余应力控制提供依据。
在进行增材成形分层、切片和路径规划时，同步针对具体的电磁冲击区域分布规划，考虑熔积能量源行走路径，进行基于熔积路径的柔性夹具运动策略规划，为稳定的电磁冲击步骤奠定基础。同时，在进行正式熔积成形时，当熔积能量源2依据预备工作准备的规划路径行走时，利用柔性夹具将电磁冲击发生机构与熔积能量源2夹持在一起同步运动，同时遵循柔性夹具运动策略规划控制电磁冲击发生机构的空间相对位置，通过改变电磁冲击发生机构与熔积能量源2之间的夹角和距离来改变电磁冲击力在高温熔凝微区6的分布状况，达到针对不同冲击强度、分布的目标冲击效果。
在进行正式熔积成形时，当熔积能量源2熔化金属丝材为熔池1后，熔池1迅速凝固为高温熔凝微区6，此时，根据电磁冲击参数确定电磁冲击参数，利用电磁冲击发生机构对高温熔凝微区6进行脉冲冲击使其产生塑形形变，抑制气孔、未熔合、微裂纹等冶金缺陷，打破再结晶过程，细化晶粒；缓解甚至消除成形件拉应力，减少成形制件变形，避免开裂，大幅提高成形件的强度、抗疲劳和抗裂纹等机械性能。
本发明还提供了一种电磁冲击复合电弧增材制造的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一，提供如上所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，并确定电磁冲击参数与晶粒尺寸、冶金缺陷和残余应力的关系。具体地，进行针对熔积材料的电磁冲击工艺试验，通过金相观察和残余应力检测确定电磁冲击参数与晶粒尺寸、冶金缺陷和残余应力的关系，为进一步电磁冲击微观组织调控和残余应力控制提供调控依据。
步骤二，制定基于熔积路径的柔性夹具运动策略规划，为稳定的电磁冲击作用奠定基础。
步骤三，进行金属零件熔积成形时，对高温熔凝微区进行电磁冲击，以实现微观组织和残余应力的调控。
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 (7)

1.一种电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：
所述装置包括熔积能量源(2)、柔性夹具及电磁冲击发生机构，所述电磁冲击发生机构通过所述柔性夹具连接于所述熔积能量源(2)，所述电磁冲击发生机构与所述熔积能量源(2)同步移动；
所述熔积能量源(2)以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区(6)进行电磁冲击；
所述电磁冲击发生机构包括导磁铁芯(3)、导磁发生线圈及集磁头(5)，所述导磁铁芯(3)的一端连接于所述集磁头(5)，所述集磁头(5)邻近所述高温熔凝微区(6)设置；所述电磁发生线圈(4)缠绕在所述导磁铁芯(3)上；
所述电磁冲击发生机构的冲击作用区域与电弧熔积成形时所产生的熔池(1)之间的间距大于等于10毫米。
2.如权利要求1所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：通过改变所述电磁场的频率和脉冲强度或者通过所述柔性夹具调整所述电磁冲击发生机构相对于所述熔积能量源(2)的位姿来改变作用于所述高温熔凝微区(6)的电磁力的大小及作用区域。
3.如权利要求1所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成，所述交变磁场的强度为100～10000A/m，频率为1～100Hz；所述脉冲电场的峰值电流为10A～1000A，脉冲周期为0.01～1.0s。
4.如权利要求1所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：所述电磁冲击发生机构产生的电磁场在所述集磁头(5)聚集后向所述高温熔凝微区(6)施加电磁力。
5.如权利要求1所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：所述集磁头(5)与所述高温熔凝微区(6)之间的间距大于等于1毫米。
6.如权利要求1所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，其特征在于：所述电磁发生线圈(4)与所述集磁头(5)之间的间距小于等于10毫米。
7.一种电磁冲击复合电弧增材制造的方法，其特征在于：提供权利要求1-6任一项所述的电磁冲击复合电弧增材制造的装置，所述熔积能量源(2)与所述电磁冲击发生机构同步运动，所述熔积能量源(2)以丝材为原料进行电弧熔积成形，待所述丝材熔化沉积后，所述电磁冲击发生机构产生电磁场，所述电磁场对熔积区域后的高温熔凝微区(6)进行电磁冲击，直至待制造零件制造完成。
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