CN112536507A - 一种可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可控磁场辅助的倾斜构件的增材制造方法。该方法为：堆积多道多层倾斜结构件时，枪头与基板面保持垂直，当堆积到每一层的最后一道时焊枪沿垂直方向向外偏移；增材过程中施加高频磁场，利用磁场感应热来减小堆敷区域的温度梯度，减小成型件的残余应力和变形；同时，外加磁场可以产生向上的磁场力，抵消由重力和热应力等多种因素造成边缘塌陷的影响力，抑制熔池的流淌，继而成型稳定美观的倾斜结构件；本发明的方法克服了现有倾斜结构件增材成形存在的堆积件成型不稳定和边缘塌陷问题，提高了表面的平整度和连续性，减少了增材成型后处理时间，且在不需要长时间冷却的情况下连续增材，该发明实现了倾斜结构件的高质量和高效率成型。

Description

一种可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法。

背景技术

电弧增材制造技术是一种主要采用熔化极气体保护焊或者钨极惰性气体保护焊为熔积热源的金属增材制造技术。其熔积效率是激光和电子束增材制造技术的5～10倍，能量利用率可达到后者几倍到几十倍。因此，电弧增材制造技术在高强度、大中型金属零件低成本、高效快速制造方面具有独特的优势。

电弧增材制造技术由于电弧熔积本身的精度限制导致其成型零件具有较低的表面质量，其高的热输入量和温度梯度导致成型零件具有较大的残余应力和变形以及较差的组织形态等，影响结构件的成型及性能。

由于金属电弧增材是以液态熔滴过渡的方式进行，温度梯度不均匀且堆敷热量逐层累积，增材倾斜结构件时，其倾斜部分材料融化所形成的金属液体在重力和热应力等的影响下，极易造成塌陷，从而造成倾斜构件表面质量和成型精度变差，而且影响下一层增材的进行。因此，需要开发一种倾斜结构件增材成型的使用方法。

专利申请号为201610408053.6的发明公开了一种倾斜薄壁结构件电弧填丝增材制造方法。在堆积多层单道倾斜薄壁件时，第一层由两条堆积焊道搭接而成，在堆积第二层及后续层时，焊枪沿垂直于高度方向偏移一定距离，进而成形倾斜结构；克服了现有倾斜结构件成形存在的设备成本高、系统复杂、堆积件成型精度低等问题，可以在不需要变位机翻转基板的方式下完成倾斜结构件的成型。但这只适用于倾斜薄壁件的增材，对于多层多道结构件，在成型的过程中由于温度高和温度梯度大，极易造成熔池的塌陷。

专利申请号为201711313196.x公开了一种磁场控制式电弧机器人增材成形方法。该方法为：将电弧增材制造的焊接参数输入控制器中；控制器根据制造参数的实时变化驱动磁场发生装置中的励磁电源产生不同强度的纵向磁场；当增材件堆敷的表面出现气孔时，通过空心轴电机控制激磁线围的旋转产生环形磁场，对熔池进行不同程度的振荡搅拌；最终实现磁场控制电弧机器人将熔融丝材按照成形路径逐层堆积自动增材成形。发明有利于控制增材过程中电弧的形态以及运动状态，大幅减少增材制造件中的气孔等缺主陷，提高电弧机器人增材成形件成形形貌的连续性和一致性。但该方法只针对于增材表面成形，而对于倾斜构件的整体成形，依然存在塌陷、质量差等问题。

专利申请号为201710177506.3公开了一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法。该方法为：在增材制造过程中，红外线测温仪用于测量每一层堆积结束后表面温度的变化，并将测量值实时传输给计算机。根据预先设定的层间温度，计算机通过主控系统控制电磁感应加热线圈及冷却装置对零件的部分先成形件施加感应加热或强制冷却作用以实现主动控制层间温度的目击的。该发明为主动控制电弧增材制造层问温度提供了一种有效方法，但是不能做到增材过程中对温度的实时控制，而其过程中便会产生高温从而影响成型质量。

专利申请号为201610536290.0公开了一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法。其建立了电弧增材制造成形熔池稳定性的热力学判据以及成形质量表征量与成形工艺参数的解析模型。基于这个判据和解析模型，获得了电弧增材制造优化的层问温度分布特征，在计算机的辅助下，通过主动控制层间温度实现电弧增材制造成形质量的主动控制。该发明难以做到对增材过程进行实时温度控制。

专利申请号为201810854401.1公开了一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法。在电弧增材制造过程中，通过水冷系统使冷却水不断流经堆积层侧面并带走大部分热量，快速降低堆积层温度；有效解决了金属构件堆积过程引起的严重堆积层热积累难题，大幅提高了电弧增材制造方法的成形效率和成形质量，细化了金属构件组织晶粒。但是对于倾斜结构件的增材，其成形还会受到重力的影响，从而难以保证它的成形质量。

发明内容

鉴于上述不足，本发明提出了一种可控磁场辅助的倾斜构件的增材制造方法，其目的在于解决电弧增材过程中重力牵引熔池和热积累严重引起的表面塌陷，改善增材倾斜结构件的表面质量。

为实现上述发明目的，本发明提供方案如下：

一种可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：在焊机上输入电弧增材的预设参数，在竖直方向上设置向上的磁场，开始进行增材；

步骤二：采用电弧填丝增材制造堆积第一层第一道，焊枪垂直于基板，沿水平方向横向偏移的距离约为第一层第一道堆积宽度的0.5倍，道间等待时间为30s，然后开始以同样的偏移距离堆积第二道、第三道直至n道成型；

步骤三：焊枪升高一个层高h，然后沿水平方向偏移同样的距离d，完成第二层的n-1道焊道的堆积；

步骤四：获取第一层焊道的增材动态磁光图像，提取出电弧采样数据点偏移参考位置平面的位移信息；通过MATLAB软件和CCD视觉检测软件，根据采样数据点的偏移量按材料和采样周期不同进行分区间剖分，建立堆焊层的网格模型，加入等效高度模型后进行堆焊层面重建，得到第2层第n焊道与第一层第n焊道的电弧位置偏离参考点的偏移值；

步骤五：磁场根据偏移值驱动执行磁铁增强磁场，从而获得抵消熔池重力的电磁力，使电弧回归平稳状态；

步骤六：焊枪沿垂直方向偏移角度α，tan(90°-α)即倾斜结构件的斜度，完成第2层第n道的堆积，层间等待时间为1min；

步骤七：重复上述步骤，完成多层堆积成形，直到整个结构件符合尺寸。

作为优选方式，设置向上的磁场，具体设置初始参数，步骤为：

(1)磁场发生装置夹持在焊枪两侧，装置离焊枪距离可调，在3cm～13cm之间，打开磁场装置；

(2)通过MATLAB软件对增材过程中的模拟情况，使得电磁力的大小F近似于焊接过程中熔池重力和热传导力的组合，即F≈G+P，P是温度和热传导系数的函数，即p＝f(T，λ，E)，式中，E为杨氏模量，P为热传导力，λ为热传导系数，而焊接过程中熔池的重力为密度ρ、送丝速度v₁和焊接时间t的组合，即G＝f(v₁，ρ，t)，得到定磁场装置初始参数并设置。

作为优选方式，步骤四中，利用CCD的图像采集系统结合MATLAB软件对增材过程中的焊道位移偏差进行采集、处理及分析，具体步骤为：

(1)CCD照相机固定在焊枪上间距70cm处，通过计算机操作MATLAB软件，对磁光成像采集系统发出指令，在计算机上显示出第一层n道焊道的动态图像；

(2)设定第二层的水平位置绝对平面为参考位置，MATLAB软件的计算对获取的图像实时处理，当电弧参考点偏离参考位置，产生状态位移，得到电弧参考点偏移参考位置的位移值s然后通过计算机向磁场发生装置发送控制信号，磁场根据位移值增强磁力算法如下：

f＝ma，s＝1/2at²，f＝F-G，其中f为电磁力F与重力G的合力，a为加速度，s为偏移值，t为返回平衡位置所需时间。

作为优选方式，送丝机构内置有焊丝扫码系统，通过扫描焊丝盘上的二维码，读取焊丝盘的具体信息，包括焊丝材料种类、材料密度ρ、焊丝电阻R和导热系数λ，数据处理模块会对焊丝的材料属性进行分析，当输入预设电流和电压时，数据处理模块通过内置算法转化成相应的数据信息传输至执行磁铁，执行磁铁接收信息从而产生对应强度和方向的磁场，其中算法如下：

(1)熔池表面形状控制方程：

式中，Pp为电弧压力，ρ为金属密度，范围在0.8～10g/cm3之间，γ为表面张力系数，g为重力加速度，Φ为熔池表面形状函数Φ(x,y)，Φi为Φ对下标i的一阶或二阶偏导数(i为x，y，xx，xy，yy)；λ_p为参考压力，具体是熔池压力的综合描述；

(2)磁场力公式F＝BIL，式中，F为测量点的磁场力，I为电流，L为焊道长度；

(3)当所述磁场力F≥参考压力λ_p，即符合要求磁场力的超出范围控制在5N以内。

作为优选方式，堆积每一层的最后一道时，焊枪的偏移角度根据结构件的斜度不同而变化，倾斜构件的倾斜角变化范围在15°～75°之间，焊枪的倾斜角度变化范围在12°到80°之间；

作为优选方式，偏移值s≤d tan(90°-α)。

作为优选方式，电弧增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。

作为优选方式，p＝λE△T，

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1.克服了现有倾斜结构件增材成形存在的堆积件成型不稳定和边缘塌陷问题，提高了表面的平整度和连续性，减少了增材成型后处理时间，且可以在不需要长时间冷却的情况下连续增材，该发明实现了倾斜结构件的高质量成型。

2.增材过程中施加高频磁场，可以利用磁场感应热来减小堆敷区域的温度梯度，从而减小成型件的残余应力和变形

3.属于自动一体化系统，减少了人为干预，使得增材制造的过程更加高效；减少了成型工件的加工量，节约了成本。

附图说明

图1为倾斜构件的电弧增材制造方法示意图。

图2为增材过程中工艺流程图。

图3为实施例1的多层多道倾斜结构件实物图。

图4为实施例2的多层多道倾斜结构件实物图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1：如图所示，本实施例中不锈钢空腔倾斜结构件为多层多道结构，结构件高270mm，宽度60mm，长度210mm，结构件与基板夹角72°。电弧增材制造电源为FRONIUSTPS4000 GMAW电源，ABB机器人作为运动机构，焊机为CMT焊机，成形过程填充丝材为直径1.0mm的316L不锈钢丝材。电弧增材制造参数：堆积速度为4mm/s,送丝速度为8m/min,堆积电流147A，堆积过程保护气为98.5％Ar+1.5％O₂，具体步骤如下：

步骤一：在焊机上输入电弧增材的预设参数，控制器根据焊机和送丝机数据处理模块反馈的制造参数传输至磁场发生装置的控制磁铁，继而产生相应强度和方向的磁场其中

p＝λE△T＝157pa，F＝266.13N，B＝F/IL＝32.22T(本实验中控制磁铁产生的电流在5—15A之间，磁场强度在15—35T之间)；

步骤二：采用电弧填丝增材制造热源堆积第一层第一道，焊枪垂直于基板，沿水平方向横向偏移的距离为0.59mm，道间等待时间为30s，然后开始以同样的偏移距离堆积第二道、第三道直至倒数第二道成型；

步骤三：焊枪沿垂直方向偏移20度，完成第一层最后一道的堆积，层间等待时间为1min；

步骤四：增材过程中，通过磁光成像传感器获取增材动态磁光图像，提取出电弧采样数据点的位移信息s≤d tan(90°-α)＝0.59tan(70°)＝1.62mm(-1.2mm-0.7mm)t＝0.16s，借助MATLAB软件的科学计算和可视化图形分析功能，将采样数据点按材料和采样周期不同进行分区间剖分，建立堆焊层的网格模型，加入等效高度模型后进行堆焊层面重建，用于堆焊倾斜焊道排布的偏差识别与控制，通过

可计算出λ_p＝0.22pa；

步骤五：焊枪恢复垂直于基板的姿态，升高2.6mm，然后沿水平方向偏移0.7mm，参照步骤一和步骤二，完成第二层的堆积；

步骤六：重复上述步骤，完成多层堆积成形，直到整个结构件符合尺寸。

实施例2：如图所示，本实施例中不锈钢内缩倾斜结构件为多层多道结构，结构件高80mm，总宽度500mm，总长度700mm，结构件与基板夹角65°。电弧增材制造电源为FRONIUSTPS4000 GMAW电源，ABB机器人作为运动机构，焊机为CMT焊机，成形过程填充丝材为直径1.0mm的316L不锈钢丝材。电弧增材制造参数：堆积速度为3.9mm/s,送丝速度为8m/min,堆积电流147A，堆积过程保护气为98.5％Ar+1.5％O2，具体步骤如下：

步骤一：在焊机上输入电弧增材的预设参数，控制器根据焊机和送丝机数据处理模块反馈的制造参数传输至磁场发生装置的控制磁铁，继而产生相应强度和方向的磁场，

，p＝λE△T＝157pa,F＝370.8N,B＝F/IL＝30.9T本实验中控制磁铁产生的电流在6—15A之间，磁场强度在15—35T之间；

步骤二：采用电弧填丝增材制造热源堆积第一层第一道，焊枪垂直于基板，沿水平方向横向偏移的距离为0.59mm，道间等待时间为30s，然后开始以同样的偏移距离堆积第二道、第三道直至倒数第二道成型；

步骤三：焊枪沿垂直方向向里偏移25度，完成每个斜壁最后一道的堆积，层间等待时间为1.5min；

步骤四：增材过程中，通过磁光成像传感器获取增材动态磁光图像，提取出电弧采样数据点的位移信息≤d tan(90°-α)＝0.59tan(65°)＝1.27mm(-2.3mm-1mm)t＝0.12s，借助MATLAB软件的科学计算和可视化图形分析功能，将采样数据点按材料和采样周期不同进行分区间剖分，建立堆焊层的网格模型，加入等效高度模型后进行堆焊层面重建，用于堆焊倾斜焊道排布的偏差识别与控制通过

可计算出λ_p＝177.46pa；

步骤五：焊枪恢复垂直于基板的姿态，升高2.6mm，然后沿水平方向偏移1mm，参照步骤一和步骤二，完成第二层的堆积；

步骤六：重复上述步骤，完成多层堆积成形，直到整个结构件符合尺寸。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在焊机上输入电弧增材的预设参数，在竖直方向上设置向上的磁场，开始进行增材；

步骤二：采用电弧填丝增材制造堆积第一层第一道，焊枪垂直于基板，沿水平方向横向偏移的距离约为第一层第一道堆积宽度的0.5倍，道间等待时间为30s，然后开始以同样的偏移距离堆积第二道、第三道直至n道成型；

步骤三：焊枪升高一个层高h，然后沿水平方向偏移同样的距离d，完成第二层的n-1道焊道的堆积；

步骤四：获取第一层焊道的增材动态磁光图像，提取出电弧采样数据点偏移参考位置平面的位移信息；通过MATLAB软件和CCD视觉检测软件，根据采样数据点的偏移量按材料和采样周期不同进行分区间剖分，建立堆焊层的网格模型，加入等效高度模型后进行堆焊层面重建，得到第2层第n焊道与第一层第n焊道的电弧位置偏离参考点的偏移值；

步骤五：磁场根据偏移值驱动执行磁铁增强磁场，从而获得抵消熔池重力的电磁力，使电弧回归平稳状态；

步骤六：焊枪沿垂直方向偏移角度α，tan(90°-α)即倾斜结构件的斜度，完成第2层第n道的堆积，层间等待时间为1min；

步骤七：重复上述步骤，完成多层堆积成形，直到整个结构件符合尺寸。

2.根据权利要求1所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，设置向上的磁场，具体设置初始参数，步骤为：

(1)磁场发生装置夹持在焊枪两侧，装置离焊枪距离可调，在3cm～13cm之间，打开磁场装置；

(2)通过MATLAB软件对增材过程中的模拟情况，使得电磁力的大小F近似于焊接过程中熔池重力和热传导力的组合，即F≈G+P，P是温度和热传导系数的函数，即p＝f(T，λ，E)，式中，E为杨氏模量，P为热传导力，λ为热传导系数，而焊接过程中熔池的重力为密度ρ、送丝速度v₁和焊接时间t的组合，即G＝f(v₁，ρ，t)，得到定磁场装置初始参数并设置。

3.根据权利要求1所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤四中，利用CCD的图像采集系统结合MATLAB软件对增材过程中的焊道位移偏差进行采集、处理及分析，具体步骤为：

(1)CCD照相机固定在焊枪上间距70cm处，通过计算机操作MATLAB软件，对磁光成像采集系统发出指令，在计算机上显示出第一层n道焊道的动态图像；

(2)设定第二层的水平位置绝对平面为参考位置，MATLAB软件的计算对获取的图像实时处理，当电弧参考点偏离参考位置，产生状态位移，得到电弧参考点偏移参考位置的位移值s然后通过计算机向磁场发生装置发送控制信号，磁场根据位移值增强磁力算法如下：

f＝ma，s＝1/2at²，f＝F-G，其中f为电磁力F与重力G的合力，a为加速度，s为偏移值，t为返回平衡位置所需时间。

4.根据权利要求1所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，送丝机构内置有焊丝扫码系统，通过扫描焊丝盘上的二维码，读取焊丝盘的具体信息，包括焊丝材料种类、材料密度ρ、焊丝电阻R和导热系数λ，数据处理模块会对焊丝的材料属性进行分析，当输入预设电流和电压时，数据处理模块通过内置算法转化成相应的数据信息传输至执行磁铁，执行磁铁接收信息从而产生对应强度和方向的磁场，其中算法如下：

(1)熔池表面形状控制方程：

式中，Pp为电弧压力，ρ为金属密度，范围在0.8～10g/cm3之间，γ为表面张力系数，g为重力加速度，Φ为熔池表面形状函数Φ(x,y)，Φi为Φ对下标i的一阶或二阶偏导数(i为x，y，xx，xy，yy)；λ_p为参考压力，具体是熔池压力的综合描述；

(2)磁场力公式F＝BIL，式中，F为测量点的磁场力，I为电流，L为焊道长度；

(3)当所述磁场力F≥参考压力λ_p，即符合要求磁场力的超出范围控制在5N以内。

5.根据权利要求1所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于：堆积每一层的最后一道时，焊枪的偏移角度根据结构件的斜度不同而变化，倾斜构件的倾斜角变化范围在15°～75°之间，焊枪的倾斜角度变化范围在12°到80°之间。

6.根据权利要求3所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述的偏移值s≤d tan(90°-α)。

7.根据权利要求1所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，电弧增材制造热源为熔化极气体保护电弧、钨极氩弧或等离子弧。

8.根据权利要求2或3所述的可控磁场辅助的倾斜构件的电弧增材制造方法，其特征在于，p＝λE△T，

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