CN113996885A - 改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，所述厚壁结构件通过电弧增材制造多层多道的方式成形，当成形靠近厚壁结构件边缘的堆积道时，改变焊枪姿态使焊枪轴线与横向方向所成的夹角为锐角，同时外加平行于堆积路径方向的横向磁场，当成形其余的堆积道时，调整焊枪姿态使其垂直于基板上表面同时关闭励磁电源。本发明方法通过改变焊枪姿态同时外加磁场辅助，电弧在磁场的作用下产生电磁力，从而支撑和约束熔池，有效解决了厚壁结构件多层多道方式成形时边缘处成形精度低与金属液体流淌的难题。

Description

改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法。
背景技术
电弧增材制造技术是以电弧作为热源将金属丝熔化，采用逐层累积的方式，按照规划好的路径快速制造出金属结构件的加工技术。与传统的制造技术相比，电弧增材制造技术因其具有制造成本低、材料利用率高、生产周期短等优点而受到了广泛关注，特别是在大型结构件的成形方面，电弧增材制造技术具有独特的优势。
厚壁结构件作为金属结构件的一个典型结构，在采用电弧增材制造技术成形时，大多是以多层多道的堆积方式成形的。目前这种金属结构件在成形时，存在以下两个主要问题：(1)随着堆积层数的增加，金属结构件内部热积累越来越严重，散热条件变差，导致熔池的温度升高，液态金属的流动性增强，很容易影响熔池的尺寸，进而影响堆积道的形貌；(2)边缘处的熔池由于没有约束和支撑，在重力的作用下很容易出现熔池流淌，降低厚壁结构件边缘的成形精度，而且随着堆积层数的增加，这种现象会越来越严重，最终会导致成形失败。上述问题将给厚壁结构件的电弧增材制造带来巨大的挑战，因此，有必要提供一种新型有效的电弧增材制造方法，从而改善厚壁结构件边缘处的成形质量和成形精度。
发明内容
本发明的目的是解决厚壁结构件边缘处的成形精度低、液态金属流淌的问题，提出了一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，所述厚壁结构件由L个堆积层组成，第i个堆积层有Ni个堆积道，1≤i≤L，Ni≥2，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据厚壁结构件的三维模型，确定堆积层数和每个堆积层的堆积道数，将磁发生装置安装在电弧增材制造系统中，使电磁铁的轴线与焊枪的轴线平行，磁发生装置包括电磁铁和励磁电源，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯外部的线圈，励磁电源连接线圈并向其提供电流，打磨基板并用乙醇清洗，将其固定在工作台上并保持水平，启动电弧增材制造电源；
步骤二：调整焊枪姿态使其与基板上表面垂直，将焊枪移至第i个堆积层第j个堆积道的起弧点位置，1≤i≤L，1≤j≤Ni，初始值i＝1，j＝1；
步骤三：引燃电弧，开始成形第i个堆积层第j个堆积道；当成形距离厚壁结构件外边缘的第k个堆积道时，k为1至n的整数，其中1≤n≤4，首先调整焊枪姿态使其与基板上表面垂直，然后焊枪在以高度方向和横向方向所确定的平面内旋转角度α，使焊枪的轴线与横向方向所成的夹角β为锐角，同时启动励磁电源，调节励磁电流，所述横向方向与堆积路径方向垂直且与基板上表面平行并指向厚壁结构件中心，焊枪的旋转角度α为10°～30°；当成形其余的Ni-n个堆积道时，调整焊枪姿态使其垂直于基板上表面，关闭励磁电源，完成第i个堆积层的成形；
步骤四：将焊枪提升一个分层切片高度，重复步骤二和步骤三，完成剩余层片的堆积成形，得到厚壁结构件。
步骤三中焊枪的旋转角度α为10°～30°，原因如下：若角度太小，边缘处堆积道的形貌不能有效改善，如果α＞30°，则会导致保护气体中混入空气，使保护效果大大降低，从而影响制造件的组织性能。因此，文中α的取值范围是10°～30°。
作为优选方式，步骤三中励磁电流的取值范围为1～5A。
作为优选方式，步骤一中电磁铁的铁芯材料为工业纯铁，电磁铁包括两个竖直的圆柱形纯铁棒71和连接在两个竖直的圆柱形纯铁棒之间的长条形纯铁棒72，两个竖直的圆柱形纯铁棒和长条形纯铁棒通过螺栓连接成U型；两个竖直的圆柱形纯铁棒上缠有线圈，且两个竖直的圆柱形纯铁棒上线圈的缠绕方向相反，线圈绕组为直径1.5mm的耐高温漆包线，焊枪固定于电磁铁的中心且平行于两个竖直的圆柱形纯铁棒。
作为优选方式，步骤三中励磁电源为直流恒定电源，产生横向稳恒磁场。这是因为：外加固定的横向稳恒磁场，根据左手定则电弧在电磁力的作用下会偏向一侧，将磁场调至合适的方向，就会对熔池起到支撑和约束作用，避免出现液态金属的流淌，改善了厚壁结构件边缘的成形精度；若外加一个交变的磁场，则电弧也会按照同样的频率摆动，不能达到支撑和约束熔池的效果，故选择直流恒定电源，产生稳恒的横向磁场。
本发明的有益效果在于：本发明在采用电弧增材制造技术以多层多道的堆积方式制造厚壁结构件时，通过改变焊枪的姿态同时外加平行于堆积路径方向的横向磁场改善厚壁结构件边缘的成形精度，电弧在磁场的作用下产生电磁力，从而支撑和约束熔池，相比于传统的电弧增材制造方法，这种方法能解决厚壁结构件边缘处的成形差、成形精度低、液态金属流淌难以成形等问题；同时，外加的磁场对熔池有搅拌作用，能够细化晶粒，均匀组织，提高厚壁结构件的力学性能。
附图说明
图1为焊枪旋转角度α的示意图；
图2为电弧在磁场的作用下的偏转示意图；
图3为螺旋向外堆积时的路径示意图；
图4为电磁铁固定在焊枪的示意图；
1为焊枪，2为线圈，3为焊丝，4为基板，5为电弧，6为磁场，7为铁芯，8为磁力线，71为竖直的圆柱形纯铁棒，72为长条形纯铁棒。
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。
一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，所述厚壁结构件由L个堆积层组成，第i个堆积层有Ni个堆积道，1≤i≤L，Ni≥2，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据厚壁结构件的三维模型，确定堆积层数和每个堆积层的堆积道数，将磁发生装置安装在电弧增材制造系统中，使电磁铁的轴线于焊枪的轴线平行，磁发生装置包括电磁铁和励磁电源，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯外部的线圈，励磁电源连接线圈并向其提供电流，打磨基板并用乙醇清洗，将其固定在工作台上并保持水平，启动电弧增材制造电源；
步骤二：调整焊枪姿态使其垂直于基板上表面，将焊枪移至第i个堆积层第j个堆积道的起弧点位置，1≤i≤L，1≤j≤Ni，初始值i＝1，j＝1；
步骤三：引燃电弧，开始成形第i个堆积层第j个堆积道；当成形距离厚壁结构件外边缘的第k个堆积道时，k为1至n的整数，其中1≤n≤4，首先调整焊枪姿态使其垂直基板上表面，然后焊枪在以高度方向和横向方向所确定的平面内旋转角度α，使焊枪轴线与横向方向所成的夹角β为锐角，如图1所示，同时启动励磁电源，调节励磁电流，所述横向方向与堆积路径方向垂直且与基板上表面平行并指向厚壁结构件中心，焊枪的旋转角度α为10°～30°；当成形其余的Ni-n个堆积道时，调整焊枪姿态使其垂直于基板上表面，关闭励磁电源，完成第i个堆积层的成形；
步骤四：将焊枪提升一个分层切片高度，重复步骤二和步骤三，完成剩余层片的堆积成形，得到厚壁结构件。
步骤三中焊枪的旋转角度α为10°～30°，原因如下：若角度太小，边缘处堆积道的形貌不能有效改善，如果α＞30°，则会导致保护气体中混入空气，使保护效果大大降低，从而影响制造件的组织性能。因此，文中α的取值范围是10°～30°。
步骤三中励磁电流的取值范围为1～5A。
步骤一中电磁铁的铁芯材料为工业纯铁，电磁铁包括两个竖直的圆柱形纯铁棒71和连接在两个竖直的圆柱形纯铁棒之间的长条形纯铁棒72，两个竖直的圆柱形纯铁棒和长条形纯铁棒通过螺栓连接成U型；两个竖直的圆柱形纯铁棒上缠有线圈，且两个竖直的圆柱形纯铁棒上线圈的缠绕方向相反，线圈绕组为直径1.5mm的耐高温漆包线，焊枪固定于电磁铁的中心且平行于两个竖直的圆柱形纯铁棒。
步骤三中励磁电源为直流恒定电源，产生横向稳恒磁场。这是因为：外加固定的横向稳恒磁场，根据左手定则电弧在电磁力的作用下会偏向一侧，如图2所示，将磁场调至合适的方向，就会对熔池起到支撑和约束作用，避免出现液态金属的流淌，改善了厚壁结构件边缘的成形精度；若外加一个交变的磁场，则电弧也会按照同样的频率摆动，不能达到支撑和约束熔池的效果，故选择直流恒定电源，产生稳恒的横向磁场。
实施例1
本实施例要制造的厚壁结构件有5个堆积层，每个堆积层有6个堆积道，堆积路径为螺旋形，堆积方向由内向外，路径如图3所示。主要的实验设备包括：熔化极气体保护Fronius焊机，ABB六轴机器人，MCWE-10/100耦合磁控设备，焊枪和电磁铁固定在ABB机器人上，基板材料为Q235低碳钢板，基板尺寸为200mm×200mm×20mm，焊丝为H08Mn2Si低碳钢焊丝，直径1.2mm。试验所用的工艺参数为：堆积电流150A，电弧电压20V，焊枪行走速度5mm/s，保护气为99.99％的氩气，气体流量18L/min。
步骤一：确定堆积路径为螺旋形，堆积方向为由内向外，堆积层数为5层，每个堆积层的堆积道数为6，将磁发生装置安装在电弧增材制造系统中，使电磁铁的轴线于焊枪轴线平行，如图4所示，磁发生装置包括电磁铁和励磁电源，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯外部的线圈，励磁电源连接线圈并向其提供电流，打磨基板并用乙醇清洗干净，然后将其固定到工作台上并保持水平，启动电弧增材制造系统电源；
步骤二：调整焊枪姿态使其与基板上表面垂直，将焊枪移至第i个堆积层第j个堆积道的起弧点位置，1≤i≤L，1≤j≤Ni，初始值i＝1，j＝1；本实施例中L＝5，Ni＝6；
步骤三：引燃电弧，开始堆积成形第i个堆积层第j个堆积道；本实施例中n取2，在成形距离厚壁结构件外边缘的第k(k＝1,2)个堆积道时，首先调整焊枪姿态使其垂直基板上表面，然后焊枪在以高度方向和横向方向确定的平面内旋转20°，使焊枪的轴线与横向方向所成夹角β为70°，同时打开励磁电源，调节励磁电流为2A，线圈通电后产生平行于堆积路径方向的横向磁场，如图4所示，完成金属结构件第一个堆积层的成形，所述横向方向与堆积路径方向垂直且与基板上表面平行并指向厚壁结构件中心；
步骤四：将焊枪抬高1.5mm，重复步骤二和步骤三，完成剩余层片的堆积成形，得到厚壁结构件。
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 (4)

1.一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，其特征在于：所述厚壁结构件由L个堆积层组成，第i个堆积层有Ni个堆积道，1≤i≤L，Ni≥2，具体包括以下步骤：
步骤一：根据厚壁结构件的三维模型，确定堆积层数和每个堆积层的堆积道数，将磁发生装置安装在电弧增材制造系统中，使电磁铁的轴线与焊枪的轴线平行，磁发生装置包括电磁铁和励磁电源，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯外部的线圈，励磁电源连接线圈并向其提供电流，打磨基板并用乙醇清洗，将其固定在工作台上并保持水平，启动电弧增材制造电源；
步骤二：调整焊枪姿态使其与基板上表面垂直，将焊枪移至第i个堆积层第j个堆积道的起弧点位置，1≤i≤L，1≤j≤Ni，初始值i＝1，j＝1；
步骤三：引燃电弧，开始成形第i个堆积层第j个堆积道；当成形距离厚壁结构件外边缘的第k个堆积道时，k为1至n的整数，其中1≤n≤4，首先调整焊枪姿态使其与基板上表面垂直，然后焊枪在以高度方向和横向方向所确定的平面内旋转角度α，使焊枪的轴线与横向方向所成的夹角β为锐角，同时启动励磁电源，调节励磁电流，所述横向方向与堆积路径方向垂直且与基板上表面平行并指向厚壁结构件中心，焊枪的旋转角度α为10°～30°；当成形其余的Ni-n个堆积道时，调整焊枪姿态使其垂直于基板上表面，关闭励磁电源，完成第i个堆积层的成形；
步骤四：将焊枪提升一个分层切片高度，重复步骤二和步骤三，完成剩余层片的堆积成形，得到厚壁结构件。
2.根据权利要求1所述的一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，其特征在于：步骤三中励磁电流的取值范围为1～5A。
3.根据权利要求1所述的一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，其特征在于：步骤一中电磁铁的铁芯材料为工业纯铁，电磁铁包括两个竖直的圆柱形纯铁棒(71)和连接在两个竖直的圆柱形纯铁棒之间的长条形纯铁棒(72)，两个竖直的圆柱形纯铁棒和长条形纯铁棒通过螺栓连接成U型；两个竖直的圆柱形纯铁棒上缠有线圈，且两个竖直的圆柱形纯铁棒上线圈的缠绕方向相反，线圈绕组为直径1.5mm的耐高温漆包线，焊枪固定于电磁铁的中心且平行于两个竖直的圆柱形纯铁棒。
4.根据权利要求1所述的一种改善厚壁结构件电弧增材制造边缘成形精度的方法，其特征在于：步骤三中励磁电源为直流恒定电源。
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