CN111455372A - 一种熔池形貌主动干预电磁装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光特种加工工艺,具体的是指一种熔池形貌主动干预电磁装备。本发明由工件放置于试样台阶梯面,通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场,作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力,垂直作用的熔池外表面,改变熔池高度、深度及宽度,最终实现对熔池形貌的主动干预。
Description
技术领域
本发明涉及激光特种加工工艺,应用在激光熔覆、激光焊接、激光熔注、激光熔凝等特种加工领域,具体的是指一种熔池形貌主动干预电磁装备。
技术背景
激光熔覆、激光焊接和激光熔注等特种加工工艺,通过输入高能来熔化局部金属,实现后续生产目标。在加工过程中,不可避免地会产生熔池。就激光熔覆而言,过大、过深的熔池会造成熔覆层稀释率过高,影响熔覆层质量,并且由于熔池宽高比过小,造成涂层与基体的结合强度差强人意。一般传统对熔池形貌的控制仅限于工艺参数的调整,但参数优化总以牺牲送粉率、降低激光功率和加快扫描速度为代价,大大限制了探索优质涂层的工艺范围,效果往往差强人意。
发明内容
针对以上不足,本发明提供了一种熔池形貌主动干预电磁装备,可以在不考虑工艺参数的情况下,对熔池进行全方位形貌控制。
本发明的一种熔池形貌主动干预电磁装备,由试样台、金属环、导电栓、螺母、垫片、电机、金属弹片和金属棒组成;金属环由导电栓、螺母和垫片固定在绝缘试样台上,导电栓尾部穿透试样台一侧,作为外部导电接口;金属棒轴向中心位于两金属环圆心同一垂线,并与电机相连接;电机位于试样台底部,其中心与金属环中心位于同一垂线;通过首尾处两金属弹片,金属棒分别与上下两金属环接触;外部交流电源通过双U形导线与导电栓尾部连接,可实现整体封闭回路;试样台上表面对称铣出2个阶梯面,工件可水平放置在阶梯面上进行电磁干预加工。通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场,作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力,垂直作用于熔池外表面,改变熔池高度、深度及宽度,最终实现对熔池形貌的主动干预。
所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,可广泛应用在激光熔覆、激光焊接、激光熔注、激光熔凝等存在局部微熔的特种加工场合。
本专利以激光熔覆为案例进行详细原理说明,对于其他特种加工中形成的熔池作用原理基本类似。导电金属棒安装在微型电机上,在两个上下平行的金属环中以3000r/min的转速自转。外部交流电源可提供0~1000A50HZ的交变电流,金属棒通过首尾两个金属弹片与金属环接触导电,整体可形成封闭回路。附图5展示了金属杆位于熔池正下方时,横截面与纵截面洛伦兹力分布情况。当在0~1/2周期时,金属杆会产生一个以其为圆心,不断向外扩散的环形磁场,从熔池正视图可见为逆时针方向,见附图5(a)。由楞次定律可知,熔池内必定生成封闭感应电流来阻碍金属棒所产生的磁场。故根据右手定律和趋肤效应分析,感应电流主要分布在熔池外表面,其产生的感应磁场与外部施加磁场方向相反,起到抵消部分施加磁场作用。将熔池沿金属棒水平平行方向,可垂直分割出无数如附图5(b)所示纵截面,并且每个纵截面内感应电流分布均一致。感应电流在磁场作用下产生洛伦兹力,由左手定则可判断其方向为垂直熔池纵截面外轮廓向里。将所用纵截面结合起来可知,熔池外表面整体会受到一个向内挤压的洛伦兹力作用。类似地,可判断出在1/2~1周期内,熔池外表面整体也会产生相同大小和方向的洛伦兹力。为了描述方便,附图5只展示了金属棒位于熔道正下方时的特殊情况。事实上,金属棒转速为3000r/min,因此可以理解为在熔覆过程中,金属棒时刻存在于熔池底部,每个水平平行于此时金属棒的熔池纵截面均受到与附图5类似分布的洛伦兹力。故无论熔道在哪,熔池都会受到一个垂直外表面向内挤压的洛伦兹力。在此作用下,熔池高度和深度会明显减小,而宽度有所增加。通过改变交变电流,从而控制金属棒所产生的环形磁场大小,并进而影响熔池内生成的感应电流大小,最终实现控制熔池表面所受洛伦兹力大小。但无论洛伦兹力大小发生怎样变化,其方向依旧垂直于熔池外表面向内,实现对熔池高度、深度及宽度的主动干预,最终控制熔池形貌。
熔池是形状是固定的,变化的是垂直切割熔池的方向,都是平行于此刻在熔池底部的金属棒方向。金属棒与熔池的距离会影响熔池压缩效果,但由于具体工件形状不同,加工位置不同,不是本发明所能限制的。但能通过增大电流来弥补距离带来的缺陷。
发明效益
1本发明通过调节交变电流大小,可针对各种应用场合,实现对熔池形貌的任意调节;2本发明解除了熔池形貌对工艺参数的限制,使得熔池形貌成为单独可控因素,为特种加工参数优化提供更大范围;3可实时调节交变电流大小,在不改变工艺参数条件下,实现特种加工应对不同工况时,加工范围的连续调整;4就激光熔覆而言,熔池形貌的控制有利于降低涂层稀释率、增加熔池宽高比来提高涂层与基体的结合强度;5就激光焊接而言,熔池形貌控制可大大降低熔池深度,避免焊穿,在细小精密零件中的微焊而言,极为重要;6就激光熔凝而言,提高熔池的宽度有利于扩大单次熔凝面积,大大提高工作效率。
附图说明
图1:熔池形貌主动干预电磁装备正视图。
图中包括,1试样台;2-1、2-2金属环;3阶梯面;4-1、4-2垫片;5-1、5-2螺母;6-1、6-2导电栓;
图2:电磁装备半剖图。
图3:电磁装备俯视图。金属棒为水平放置两金属环间,通过金属弹片与两金属环接触导电。
图中包括,7电机;
图4:关键零件示意图。
图中包括,8-1、8-2金属弹片;9金属棒。
图5:熔池内部洛伦兹力分布原理图。
图中包括,(a)0~1/2周期熔池横截面,(b)0~1/2周期熔池纵截面,(c)1/2~1周期熔池横截面,(d)1/2~1周期熔池纵截面。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节,下面结合附图1对本发明的一种熔池形貌主动干预电磁装备进行详细说明。
本发明的一种熔池形貌主要干预电磁装备,包括试样台1、金属环2-1,2-2、垫片4-1,4-2、螺母5-1,5-2、导电栓6-1,6-2、电机7、金属弹片8-1,8-2和金属棒9组成。金属环2-1,2-2由导电栓6-1,6-2、垫片4-1,4-2和螺母5-1,5-2固定在绝缘试样台上1,导电栓6-1,6-2尾部穿透试样台1一侧,作为外部导电接口。金属棒6轴向中心位于两金属环2-1,2-2圆心同一垂线,并与电机7连接。电机7位于试样台底部,其中心与金属环2-1,2-2中心位于同一垂线。通过首尾处金属弹片8-1,8-2,金属棒9分别与上下两金属环2-1,2-2接触,外部交流电源通过双U形导线与导电栓6-1,6-2尾部连接,可整体实现封闭回路。试样台上表面对称铣出2个阶梯面,工件可水平放置在阶梯面上进行电磁干预加工。通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场,作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力,垂直作用的熔池外表面,改变熔池高度、深度及宽度,最终实现对熔池形貌的主动干预。
一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,由工件放置于试样台阶梯面,通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场,作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力,垂直作用的熔池外表面,改变熔池高度、深度及宽度,最终实现对熔池形貌的主动干预。
实施实例一:
采用YLS-2000-TR型激光器,在IN718合金表面熔覆一层IN718涂层。主要加工参数为:光斑直径2mm,激光功率1000W,扫描速度500mm/min,送粉率0.3g/min。在不启动电磁装备的状态下,熔覆一道长40mm的单道涂层,后打开电磁装备,电机转速3000r/min,交变电流100A、300A和600A。熔覆后测量横截面熔宽、熔高、熔深,计算稀释率及宽高比,见表一。从表一可以发现,随着交变电流强度的增加,稀释率和宽高比明显改善,涂层结合强度、质量更好。
表一 熔覆层形貌数据汇总
电流A | 熔宽mm | 熔高mm | 熔深mm | 稀释率 | 宽高比 |
0 | 2.254 | 1.325 | 2.224 | 0.627 | 0.635 |
100 | 2.523 | 1.02 | 1.568 | 0.606 | 0.975 |
300 | 3.254 | 0.803 | 0.875 | 0.521 | 1.939 |
600 | 3.654 | 0.547 | 0.235 | 0.301 | 4.673 |
实施实例二:
采用YLS-2000-TR型激光器,在IN718合金表面进行熔凝实验。主要加工参数为:光斑直径2mm,激光功率1000W,扫描速度500mm/min。在不启动电磁装备的状态下,熔覆一道长40mm的单道涂层,后打开电磁装备,电机转速3000r/min,交变电流100A、300A和600A。熔覆后测量横截面熔宽见表二。从表二可以发现,随着交变电流强度的增加,熔池宽度为递增趋势。当电流为600A时,熔宽增加了88.12%,有效提高了单次熔凝面积,益于生产效率。
表二 熔凝形貌数据汇总
电流A | 熔宽mm |
0 | 1.524 |
100 | 2.124 |
300 | 2.365 |
600 | 2.867 |
Claims (6)
1.一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,所述装备包括试样台、金属环、导电栓、电机和金属棒;上下两金属环由两个导电栓固定在绝缘的试样台上,导电栓尾部穿透试样台一侧,作为外部导电接口;金属棒为水平放置两金属环间,通过金属弹片与两金属环接触导电,金属棒同时与电机相连接;电机位于试样台底部;外部交流电源通过双U形导线与导电栓尾部连接,实现整体封闭回路;试样台上表面对称铣出2个阶梯面,工件水平放置在阶梯面上进行电磁干预加工;通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场,作用于熔池内形成感应电流,感应电流在磁场下生成洛伦兹力,垂直作用于熔池外表面,改变熔池高度、深度及宽度,最终实现对熔池形貌的主动干预。
2.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,导电栓通过螺母和垫片固定在绝缘的试样台一侧。
3.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,金属棒轴向中心位于两金属环圆心同一垂线。
4.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,电机中心与金属环中心位于同一垂线。
5.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,金属棒分别通过首尾处的两金属弹片与上下两金属环接触。
6.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备,其特征在于,导电的金属棒安装在电机上,在两个上下平行的金属环中以3000r/min的转速自转;外部交流电源可提供0~1000A 50HZ的交变电流。
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