CN111185651B - 一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法 - Google Patents

一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法。包括电弧熔积装置：包括焊枪；磁场发生装置：用于产生可调的磁场，包括磁力探伤仪，磁力探伤仪包括两个磁极，两个磁极与磁力探伤仪的主体转动连接，两个磁极设置在焊枪的两侧。通过本申请的磁力产生装置，可以产生不止一种方向的外加磁场，当施加横向磁场时有利于熔融金属和热量向熔池后方输运且有利于直接冲刷熔池的结晶面，使得枝晶前沿温度梯度和溶质浓度降低，枝晶前端成分过冷增大，从而有助于细化晶粒；当施加纵向磁场时，它有助于提高单焊道的宽高比，从而有助于提高搭接精度以及熔积层表面质量；在理论上，这个装置可以满足产生任何方向磁场的需求。

Description

一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法。
背景技术
电弧增材成形制造技术是一种以丝材为成形材料，电弧热为热源，然后按照设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形完毕的增材制造技术。它具有熔积效率高，材料利用率高等特点。在大中型金属零件快速制造、修复再制造等领域具有广阔的应用前景，而且因为其制造成本相较于以激光作为热源的增材制造技术低，从而与激光增材制造的高精度制造形成了优势互补。
然而，在电弧增材成形制造过程中，多道焊缝熔覆带来的连续热循环作用使得成型件的微观组织受热输入影响较大，特别是对于铝以及铝合金这种热导率较大的材料，热影响的效果就将变得更加显著。主要表现为晶粒粗大，组织偏析严重，气孔夹渣缺陷等。因此，电弧增材制造出的成型件的组织还存在一些问题。
针对上述问题，现有的工艺装置多数为只能施加横向或者纵向的磁场来协同电弧进行增材制造。上述这些磁场协同电弧增材系统利用电磁力在电弧熔积过程中驱动熔池强制对流和搅拌熔池，从而可以细化晶粒，调控成形零件微观组织并减少缺陷。但是它们只能产生一种方向的磁场，考虑到由于不同方向的磁场会对增材成型产生不同的优化效果，例如在纵向磁场作用下，单焊道的宽高比增大，形成宽而平的焊道横截面形貌，同时电磁搅拌有利于熔池金属填充焊道之间的“低谷”区域，从而有助于提高搭接精度以及熔积层表面质量。而外加横向磁场则可使熔池中产生沿头部至尾部的强制对流，使熔滴的入射也偏向熔池后方，这种作用有利于熔融金属和热量向熔池后方输运，且有利于直接冲刷熔池的结晶面，使得枝晶前沿温度梯度和溶质浓度降低，枝晶前端成分过冷增大，从而有助于细化晶粒。
综上所述，现有的磁场协同电弧增材系统只能施加某一个方向的磁场，不能更好地优化材料的组织。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调节式磁场协同电弧增材系统及增材方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可调节式磁场协同电弧增材系统，包括
电弧熔积装置：包括焊枪；
磁场发生装置：用于产生可调的磁场，包括磁力探伤仪，所述磁力探伤仪包括两个磁极，两个磁极与磁力探伤仪的主体转动连接，所述两个磁极设置在焊枪的两侧。
进一步的，所述磁力探伤仪通过夹持装置和焊枪连接。
进一步的，所述夹持装置包括焊枪固定夹和磁力探伤仪固定夹，所述焊枪固定夹和磁力探伤仪固定夹之间可转动连接。
进一步的，所述焊枪固定夹包括两个对称的夹片，夹片中间部分都为圆柱形，夹片的两端都为悬臂端，悬臂端钻有螺栓孔，两夹片由螺栓连接并被紧固在焊枪上。
进一步的，所述磁力探伤仪固定夹包括两个对称的夹片，两夹片中间部分形状为椭圆柱形，所述夹片的两端为设有螺栓孔的悬臂端，旋紧紧固螺栓使磁力探伤仪固定。
进一步的，所述焊枪固定夹靠近磁力探伤仪固定夹的夹片的中间部分开有螺栓孔，所述磁力探伤仪固定夹靠近焊枪固定夹的夹片的中间部分也开有螺栓孔，两个固定夹是通过连接螺栓进行栓接；
两个固定夹都是独立部分，松开所述连接螺栓、转动两个固定夹，实现两个固定夹的相对角度的可调。
进一步的，所述两个磁极与磁力探伤仪的主体铰接。
进一步的，所述系统还包括：
送丝机构：用于输送焊丝；
机械臂：连接焊枪，用于控制焊枪的移动。
一种利用上述的系统进行增材制造的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：打开增材系统的电源，送丝机构和保护气，并在完成起点标定后将设定好的程序导入；
步骤(2)：安装并使磁力探伤仪的初始安装方向为横向；
步骤(3)：打开磁力探伤仪以产生横向磁场，开始增材过程；
步骤(4)：增材一段时间后，暂停横向磁场作用下的增材过程，保护气在数秒后暂时关闭；
步骤(5)：松开焊枪固定夹的紧固螺栓，将焊枪固定夹由原来的横向夹持转动为沿着纵向方向夹持，而后旋紧焊枪固定夹的紧固螺栓；
步骤(6)：松开磁力探伤仪固定夹的紧固螺栓后取下磁力探伤仪；
步骤(7)：松开连接两部分固定夹的连接螺栓，将磁力探伤仪的主体部分放上磁力探伤仪固定夹后转动固定夹，调节磁力探伤仪固定夹相对于焊枪固定夹的角度，使两磁极的连线为纵向后旋紧连接螺栓；
步骤(8)：旋紧磁力探伤仪固定夹紧固螺栓，完成外加磁场方向变换；
步骤(9)：打开保护气，在纵向磁场作用下继续进行增材制造
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
通过本申请的磁力产生装置，可以产生不止一种方向的外加磁场，当施加横向磁场时有利于熔融金属和热量向熔池后方输运且有利于直接冲刷熔池的结晶面，使得枝晶前沿温度梯度和溶质浓度降低，枝晶前端成分过冷增大，从而有助于细化晶粒；当施加纵向磁场时，它有助于提高单焊道的宽高比，从而有助于提高搭接精度以及熔积层表面质量。在理论上，这个装置可以满足产生任何方向磁场的需求；同时，该装置产生的磁场协同电弧进行增材的成型件还具有力学性能优异，性能各向异性被削弱，晶粒细化，组织均匀的优点。
附图说明
图1为本发明系统的电弧喷嘴处的左视图。
图2为本发明系统的电弧喷嘴的正视图。
图3为夹持装置局部剖面图，剖面为连接螺栓所在位置。
图4为本发明系统的单道焊缝的金相组织示意图，其中图(a)为未加磁场时的成型焊缝，图(b)为外置横向磁场后的成型焊缝。
图5为可调节式磁场协同电弧增材系统示意图。
附图标记说明：
1-焊枪，2-焊枪固定夹，3-紧固螺栓Ⅰ，4-紧固螺栓Ⅱ，5-磁力探伤仪手持部分，6-磁力探伤仪固定夹，7-磁极，8-焊丝，9-连接螺栓，10-送丝机构，11-焊丝，12-机械臂，13-增材基板，14-焊道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-5所示，本发明公开了一种可调节式磁场协同电弧增材系统，解决了现有磁场协同电弧增材系统可施加的外加磁场的方向单一的问题。同时该系统产生的磁场对熔池具有电磁力搅拌作用，所以它还兼具减少增材过程中气孔夹渣等缺陷，细化成型件晶粒，提高其综合力学性能的作用。
可调式磁场协同电弧增材系统包括电弧熔积装置，磁场发生装置和夹持装置。
所述电弧熔积装置为CMT(冷金属过渡)焊枪1；
所述磁场发生装置为磁力探伤仪，它可分为主体部分即为可手持部分和两个磁极7部分；
所述磁力探伤仪的俩个磁极7部分与其主体部分连接方式为铰接，只需扳动俩个磁极7来调节其相对夹角便可调节外加磁场大小。
所述夹持装置包括焊枪固定夹2和磁力探伤仪固定夹6；
所述焊枪固定夹2由俩个对称的夹片组成，夹片中间部分都为圆柱形，其他俩端都为悬臂端，悬臂端钻有螺栓孔，俩夹片由此处栓接并被紧固在焊枪上；
所述磁力探伤仪固定夹6也是由俩个对称的夹片组成，与焊枪固定夹2不同的是该夹片中间部分形状为椭圆柱形，其俩端处也为带有螺栓孔的悬臂端，旋紧此处螺栓就可使磁力探伤仪固定完毕。
在焊枪固定夹2的俩个夹片中，其中的一个夹片的圆柱形中间部分开有螺栓孔。同时，磁力探伤仪固定夹6的俩个夹片中，其中的一个夹片的椭圆柱形中间部分也开有螺栓孔，俩个固定夹是通过此处的连接螺栓来进行栓接的。由于俩个固定夹都是独立部分，所以只需稍微松开此处的连接螺栓9便可以转动它们以调节俩个固定夹的相对角度。
将磁力探伤仪固定在焊枪1上的操作为先用焊枪固定夹2的俩个夹片夹住焊枪，在旋紧焊枪固定夹2的紧固螺栓Ⅰ3后再用连接俩部分固定夹的连接螺栓9来将磁力探伤仪固定夹6的其中一个夹片固定好。将磁力探伤仪手持部分放上该夹片后再用磁力探伤仪固定夹的紧固螺栓Ⅱ4将另一夹片与此固定。由此便完成了初始状态的安装工作。装置中的磁场方向为俩个磁极7连线的方向。
现以实例说明如何变换磁场方向，在本例中变换方向为从施加横向磁场变化为施加纵向磁场：
步骤1：打开增材系统的电源，送丝机构10和保护气，并在完成起点标定后将设定好的程序导入；
步骤2：按照上述的安装方法进行安装并使磁力探伤仪的初始安装方向为横向；
步骤3：打开磁力探伤仪以产生横向磁场，开始增材过程；
步骤4：增材过一段时间后先暂停原横向磁场作用下的增材过程，保护气在数秒后暂时关闭；
步骤5：稍微松开焊枪固定夹2的紧固螺栓Ⅰ3，将焊枪固定夹2由原来的横向夹持转动为沿着纵向方向夹持，而后旋紧焊枪固定夹2的紧固螺栓Ⅰ3；
步骤6：松开磁力探伤仪固定夹6的紧固螺栓Ⅱ4后取下磁力探伤仪；
步骤7：稍微松开连接俩部分固定夹的连接螺栓9，将磁力探伤仪的主体即手持部分放上磁力探伤仪固定夹6后转动此固定夹来调节其相对于焊枪固定夹2的角度。找到能够使磁力探伤仪的俩个磁极7的连线为纵向的角度后旋紧连接螺栓9以确定俩个固定夹的相对角度；
步骤8：旋紧磁力探伤仪固定夹6紧固螺栓Ⅱ4，至此完成外加磁场方向变换；
步骤9：打开保护气，在纵向磁场作用下继续进行增材制造。

Claims (4)

1.一种可调节式磁场协同电弧增材系统，其特征在于，包括
电弧熔积装置：包括焊枪；
磁场发生装置：用于产生方向和大小可调的磁场，包括磁力探伤仪，所述磁力探伤仪包括两个磁极，两个磁极与磁力探伤仪的主体转动连接，所述两个磁极设置在焊枪的两侧；
所述磁力探伤仪通过夹持装置和焊枪连接；
所述夹持装置包括焊枪固定夹和磁力探伤仪固定夹，所述焊枪固定夹和磁力探伤仪固定夹之间可转动连接；
所述焊枪固定夹包括两个对称的夹片，夹片中间部分都为圆柱形，夹片的两端都为悬臂端，悬臂端钻有螺栓孔，两夹片由螺栓连接并被紧固在焊枪上；
所述磁力探伤仪固定夹包括两个对称的夹片，两夹片中间部分形状为椭圆柱形，所述夹片的两端为设有螺栓孔的悬臂端，旋紧紧固螺栓使磁力探伤仪固定；
利用所述的系统进行增材制造的方法，包括如下步骤：
步骤（1）：打开增材系统的电源，送丝机构和保护气，并在完成起点标定后将设定好的程序导入；
步骤（2）：安装并使磁力探伤仪的初始安装方向为横向；
步骤（3）：打开磁力探伤仪以产生横向磁场，开始增材过程；
步骤（4）：增材一段时间后，暂停横向磁场作用下的增材过程，保护气在数秒后暂时关闭；
步骤（5）：松开磁力探伤仪固定夹的紧固螺栓后取下磁力探伤仪；
步骤（6）：松开连接两部分固定夹的连接螺栓，将磁力探伤仪的主体部分放上磁力探伤仪固定夹后转动固定夹，调节磁力探伤仪固定夹相对于焊枪固定夹的角度，使两磁极的连线为纵向后旋紧连接螺栓；
步骤（7）：旋紧磁力探伤仪固定夹紧固螺栓，完成外加磁场方向变换；
步骤（8）：打开保护气，在纵向磁场作用下继续进行增材制造。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述焊枪固定夹靠近磁力探伤仪固定夹的夹片的中间部分开有螺栓孔，所述磁力探伤仪固定夹靠近焊枪固定夹的夹片的中间部分也开有螺栓孔，两个固定夹是通过连接螺栓进行栓接；
两个固定夹都是独立部分，松开所述连接螺栓、转动两个固定夹，实现两个固定夹的相对角度的可调。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述两个磁极与磁力探伤仪的主体铰接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
送丝机构：用于输送焊丝；
机械臂：连接焊枪，用于控制焊枪的移动。
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