CN111250827A

CN111250827A - 一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法

Info

Publication number: CN111250827A
Application number: CN202010187289.8A
Authority: CN
Inventors: 常云龙; 孙雅杰; 郝婷婷; 刘丹; 董志海
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明涉及一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法，该装置包括：焊枪、焊机、焊丝、底板、磁头和励磁电源，焊枪与焊机连接，焊机的正负极分别与焊枪和底板连接，焊丝位于焊枪的枪口处，励磁电源与磁头连接，磁头设置在焊枪上，磁头上设有螺线管，螺线管外缠绕励磁线圈。本发明通过采用磁头和励磁电源在电弧增材制造电弧区外产生纵向交流磁场，通过纵向交流磁场对电弧产生向上的电磁力抵消部分使熔滴向下流淌的重力，消除熔滴下淌、塌陷等成形缺陷，提高构件的成形质量。

Description

一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材制造领域，特别是涉及一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造(WAAM)技术是以电弧为热源，通过送丝系统输送金属丝材，丝材熔化后进行逐层堆积直接快速成形的方法。在现代工业中应用广泛，它的优点是设备简单、成本低、材料利用率高、效率高、无需模具、特别适用大型零部件成形，如航空领域大型钛合金件成形、高铁大型铝合金型材成形等，可以用来实现高质量的金属零件经济快速成形。但电弧增材构件表面成形质量差，易产生变形、塌陷、熔滴下淌、成形件表面凹凸不平等问题，成形精度达不到要求。为了改善增材构件表面成形质量，人们采取了许多有效的方法，如复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊(HPVP-GTAW)、红外测温装置对成形热输入进行控制等，其中通过红外测温装置对成形热输入进行控制，该方法虽然提高了成形精度，却大大降低了成形效率。如何提高构件表面成形精度，减少表面成形缺陷，提高表面成形质量问题成为电弧增材制造的关键技术。目前通常采用工艺参数优化的方法，如调节合适的焊接电流、焊枪移动速度、送丝速度、层间冷却时间等，提高构件表面成形质量。有文献介绍焊接电流对层宽影响最大，其次是焊枪移动速度和送丝速度；送丝速度对层高影响最明显，其次是焊接电流及焊枪移动速度，送丝速度增加层高明显增大，焊接电流及焊枪移动速度增加都会导致层高降低；层间停留时间可以有效地避免各层之间的热积累效应，适当的层间停留时间可以控制金属表面氧化，避免出现金属流淌，可有效提高表面成形精度。还有文献提出一种基于NURBS插补的工艺约束下的速度规划算法，将电弧增材制造工艺允许的速度波动范围考虑在内，能够减小电弧增材制造过程的速度波动，提高成形形貌的一致性。但以上提高增材构件成形质量的方法具有局限性，往往很难达到工业要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法，能够提高电弧增材构件的表面成形质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，包括：焊枪、焊机、焊丝和底板，所述焊枪与所述焊机连接，所述焊机的正负极分别与所述焊枪和所述底板连接，所述焊丝位于所述焊枪的枪口处，还包括：磁头和励磁电源，所述励磁电源与所述磁头连接，所述磁头设置在所述焊枪上，所述磁头上设有螺线管，所述螺线管外缠绕励磁线圈。

可选的，还包括水箱，所述水箱与所述磁头连接，所述水箱用于保护磁头。

可选的，还包括磁控设备，所述磁控设备与所述磁头连接，所述磁控设备用于产生励磁电流及励磁频率。

可选的，所述磁头可拆卸的设置在所述焊枪上。

可选的，还包括工作台，所述底板设置在所述工作台上。

一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法包括：

启动焊机电源和励磁电源；

通过所述励磁电源产生励磁电流和励磁频率，并将所述励磁电流和所述励磁频率传递至励磁线圈；

通过所述励磁线圈在电弧区产生纵向交流磁场；

在所述纵向交流磁场下进行构件堆积；

获取电弧堆积工艺参数，所述电弧堆积工艺参数包括送丝速度、焊枪移动速度、焊接电流和电压；

通过改变所述励磁电流和所述励磁频率，得到变化后的励磁电流和变化后的励磁频率；

根据所述变化后的励磁电流、所述变化后的励磁频率和所述电弧堆积工艺参数，完成构件堆积。

可选的，所述励磁电流的调节范围为0～10A。

可选的，所述励磁频率的调节范围为0～100Hz。

可选的，所述送丝速度的调节范围为3～6m/min。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置及方法，通过采用磁头和励磁电源在电弧增材制造电弧区外产生纵向交流磁场，通过纵向交流磁场对电弧产生向上的电磁力抵消部分使熔滴向下流淌的重力，消除熔滴下淌、塌陷等成形缺陷，提高构件的成形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置组成示意图；

图2为本发明提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法流程图。

符号说明：1-焊枪，2-磁头，3-励磁电源，4-焊机，5-焊丝，6-水箱，7-底板，8-工作台。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置组成示意图。如图1所示，一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，包括：焊枪1、磁头2、励磁电源3、焊机4、焊丝5、水箱6、底板7和工作台8，焊枪1与焊机4连接，焊机4的正负极分别与焊枪1和底板7连接，焊丝5位于焊枪1的枪口处，磁头2和励磁电源3，励磁电源3与磁头2连接，磁头2设置在焊枪1上，磁头2上设有螺线管，螺线管外缠绕励磁线圈。底板7设置在工作台8上。水箱6与磁头2连接，水箱6用于保护磁头2，水箱6工作时，通过磁头2内的循坏水保护磁头2，防止磁头2过热烧损。磁头2可拆卸的设置在焊枪1上，磁头2能够产生交流纵向磁场。

作为一种优选的实施例，本发明的装置还包括磁控设备(图中未示出)，磁控设备与磁头2连接，磁控设备用于产生励磁电流及励磁频率。

作为一种优选的实施例，磁头2由连接法兰、铁芯、隔热板、励磁线圈和励磁线圈挡板组成。通过励磁电源调节磁场参数，磁头通电后产生磁场。

本发明的装置能够在电弧焊电弧区外施加纵向交流磁场，通过纵向交流磁场产生的电磁力作用于电弧增材制造过程。该发明能够在送丝速度为4m/min，焊接电流80A，电压20V，氩气流量25L/min，励磁电流5A，励磁频率为50Hz等工艺参数下，构件表面平整度(Pa)由传统电弧增材的0.80减小到0.09，构件表面平整度(Pa)可减少80％左右，构件由凹凸不平表面变成比较平整光滑的表面，表面塌陷、下淌等缺陷明显改善。可见，本发明适用于铝合金电弧增材制造直接成形。

图2为本发明提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法流程图。如图2所示，一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法包括：

步骤101：启动焊机电源和励磁电源。

步骤102：通过所述励磁电源产生励磁电流和励磁频率，并将所述励磁电流和所述励磁频率传递至励磁线圈。

步骤103：通过所述励磁线圈在电弧区产生纵向交流磁场。

励磁线圈产生磁场，穿过电弧区(即磁力线平行电弧轴线)，形成纵向交流磁场；纵向交流磁场作用于电弧区产生电磁力。电磁力的大小和方向由励磁电流的大小和方向决定。

步骤104：在所述纵向交流磁场下进行构件堆积，堆积过程中，底板不动，焊枪运动，逐层堆积构件。

纵向交流磁场作用于电弧、熔滴及熔池；磁力线通过螺线管和电弧、熔滴、熔池形成闭合回路。

步骤105：获取电弧堆积工艺参数，所述电弧堆积工艺参数包括送丝速度、焊枪移动速度、焊接电流和电压。

步骤106：通过改变所述励磁电流和所述励磁频率，得到变化后的励磁电流和变化后的励磁频率。

通过改变励磁电流的方向，保证电磁力的方向与熔池流动方向相反，抑制熔池下淌；通过调节励磁电流的大小，调节电磁力的大小。

步骤107：根据所述变化后的励磁电流、所述变化后的励磁频率和所述电弧堆积工艺参数，完成构件堆积。

电弧增材构件堆积过程中，交流纵向磁场作用下，由于电磁力使电弧发生周期性摆动，熔滴发生周期性扭动，改变了熔池流动方向，改善了构件表面堆积平整度，交流磁场作用下构件表面成形质量提高。

作为一种优选的实施例，所述励磁电流的调节范围为0～10A。

作为一种优选的实施例，所述励磁频率的调节范围为0～100Hz。

作为一种优选的实施例，所述送丝速度的调节范围为3～6m/min。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明可以改善增材构件变形、下淌、塌陷、凹凸不平等表面缺陷。

2、本发明能够提高表面成形精度，其中增材构件表面平整度从0.80减小到0.09。

3、本发明适用于金属电弧增材制造直接成形。

实施例：

本实施例主要采用冷金属过渡的工艺方法，磁场发生装置的磁头匝数为400匝，主要产生交流纵向磁场，可调节的磁场参数包括励磁电流(I)及励磁频率(f)，获得不同的磁场强度(B)，通过机器人设定适合的堆积路径，实验堆积材料为直径为1.2mm的铝铜2319丝材，在2219基板上进行堆积实验。

构件的表面成形质量主要通过宏观形貌观察，分析构件表面所出现的成形缺陷，如表面凹凸不平、拐角变形、流淌、塌陷和断层等。表面平整度(Pa)主要采用超声波测厚仪扫描成形件表面读取n个不同位置的厚度h_i，利用不同位置厚度h_i与平均厚度

的方差表征，即表面平整度Pa，计算公式如下：

其中Pa越小，表面平整度越好，构件表面越光滑，成形越好；n值越大，表面平整度表征越准确。

当焊接电流为80A，电压20V，送丝速度为4m/min时，调节磁场参数，观察构件外观，试验数据如表1：

表1增材构件表面成形质量

由表1可知，外加磁场作用下，励磁电流为5A，励磁频率为50Hz时，增材构件表面成形质量明显改善，表面平整度由0.80降低到0.09，构件表面平整度(Pa)可减少80％左右，构件表面由凹凸不平变得平整光滑，并且根部表面裂纹消失。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，包括：焊枪、焊机、焊丝和底板，所述焊枪与所述焊机连接，所述焊机的正负极分别与所述焊枪和所述底板连接，所述焊丝位于所述焊枪的枪口处，其特征在于，还包括：磁头和励磁电源，所述励磁电源与所述磁头连接，所述磁头设置在所述焊枪上，所述磁头上设有螺线管，所述螺线管外缠绕励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，其特征在于，还包括水箱，所述水箱与所述磁头连接，所述水箱用于保护磁头。

3.根据权利要求1所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，其特征在于，还包括磁控设备，所述磁控设备与所述磁头连接，所述磁控设备用于产生励磁电流及励磁频率。

4.根据权利要求1所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，其特征在于，所述磁头可拆卸的设置在所述焊枪上。

5.根据权利要求1所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，其特征在于，还包括工作台，所述底板设置在所述工作台上。

6.一种提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法，所述方法应用于权利要求1-5任意一项所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的装置，其特征在于，包括：

启动焊机电源和励磁电源；

通过所述励磁线圈在电弧区产生纵向交流磁场；

在所述纵向交流磁场下进行构件堆积；

7.根据权利要求6所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法，其特征在于，所述励磁电流的调节范围为0～10A。

8.根据权利要求6所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法，其特征在于，所述励磁频率的调节范围为0～100Hz。

9.根据权利要求6所述的提高电弧熔丝增材构件表面成形质量的方法，其特征在于，所述送丝速度的调节范围为3～6m/min。