CN114160924B - 一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场辅助电弧增材过程中，自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，所述装置由磁场发生系统以及测控调节系统组成，其中磁场发生装置包括：连接组件、水冷组件和导电组件；测控调节系统包括：磁场强度传感元件、计算机控制系统、可调节水泵和励磁电源。该装置首先通过在一定范围内根据磁场波动仅调节冷却液流速，保持导电线圈磁导率稳定，此为一级调控；在流速调控不能满足要求后，通过计算机反馈调节励磁电源电流、电压进一步调节磁场稳定，此为二级调节。在此分级调节的控制下，能更大范围的调节磁场稳定，连续长时间产生稳定的高频交变磁场，保证了磁场辅助电弧增材过程的稳定进行，从而优化磁场辅助增材过程成形质量。

Description

一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定 磁场发生装置

技术领域

本发明专利属于电弧增材领域，具体包含一种自适应的能连续长时间产生稳定磁场的磁场发生装置。

背景技术

电弧增材制造技术是一种基于堆焊原理发展起来的技术。该技术以电弧为热源，将金属快速熔化并逐层熔覆在基板表面，从而实现金属的快速堆积成形。而磁场辅助电弧增材是在增材过程中引入外加磁场，通过磁场产生的电磁力控制增材过程。外加磁场的引入会对增材过程中的熔滴过渡、电弧形态、熔融金属流动产生一定影响。不同类型外加磁场产生不同的电磁作用力，会对增材层间熔融金属产生不同的力学作用，总体上均有促进异质形核，细化层间晶粒，并且使得组织成分变得均匀化的积极作用，不仅减少了缺陷，也提高了层间的力学性能和成形质量。

但是在生产实验过程中，由于磁场发生装置在励磁电流的作用下产生大量电阻热，因此导线线圈的磁导率会产生较大波动。根据多匝导电线圈产生磁场公式 B＝nul(其中n为导电线圈匝数，u为磁导率，l为导电线圈电流大小)可以得到，在导电线圈磁导率发生较大波动的情况下，对于产生的磁场也会造成较大波动，从而对增材制造过程的外观精度、微观组织和力学性能的均匀性产生不利影响。而现有许多磁场发生装置的冷却装置，多为在导电线圈外围绕冷却筒冷却，或采用空心铜管作为导电线圈并在其中间流入冷却液。前者对单匝导电线圈冷却效果较好，但是对于多匝导电线圈冷却效果差；后者冷却效果对于常用导电线圈缠绕方式都较好。但是，两者均在一定时间后会达到冷却阈值极限，后面无法继续冷却或效果缓慢。因此本发明基于这个问题也设计了一种便于拆装适合多匝导电线圈冷却的冷却组件。

同时，本发明在磁场发生装置中安装了磁场强度传感元件，能够对磁场进行实时监控，并将监控数据反馈到可调节水泵以及励磁电源，从而通过反馈调节冷却液流速形成一级调控，以及调节励磁电流、电压大小形成二级调控。分级调控使得可调节范围扩大，磁场强度可维持较小波动范围，从而能够连续长时间产生稳定的磁场。

发明内容

在磁场辅助电弧增材制造过程中，由于磁场发生装置产生的电阻热效应使得磁场大小发生波动，对增材制造过程中试样成形精度以及组织分布、力学性能均匀性造成影响。本发明提出了一种自适应分级调控的能连续长时间产生稳定磁场的磁场发生装置，通过合理的设计冷却组件，加入闭环反馈系统分两级调节冷却液流速和励磁电流、电压，从而实现磁场长时间稳定产生。

本自适应分级调控的能连续长时间产生稳定磁场的磁场发生装置主要由磁场发生系统以及测控调节系统组成，为实现以上目的，本发明设计的磁场发生装置技术特征包括如下：

(1)本发明的创新特点在于特殊的便于安装的多层冷却组件设计，以及独特的磁场强度传感元件与励磁电源、可调节水泵形成的闭环反馈系统。能够通过对磁场大小的实时测控，先通过可调节水泵调节冷却液流速，保证导电线圈磁导率u稳定，形成一级调控；在一级调控所控制的流速达到阈值后，通过反馈调节励磁电源电流、电压大小，形成二级调节以保持磁场稳定。从而以两级调节扩大调节范围，连续长时间保持电弧增材过程所设磁场强度稳定。

(2)磁场发生系统由连接组件、水冷组件、铁芯和导电线圈组成。磁场发生系统通过连接组件装配于焊枪端部，其中的连接组件由两对称部分组成，并在它们水平和竖直方向均设有螺孔，可实现水平方向及竖直方向连接。磁场发生系统具体通过竖直方向螺栓与连接组件上下连接，并使焊枪穿过磁场发生系统的中空的铁芯与焊枪形成间隙配合，此时，连接组件再通过水平方向螺栓与焊枪实现水平连接，并通过垫片与焊枪实现过盈配合，从而使得焊枪、磁场发生系统、连接组件结合在一起，并使它们位于同一轴线。而导电线圈上端盖和铁芯筒身通过螺纹连接，导电线圈上端盖可拆卸，方便冷却组件安装以及导电线圈缠绕；所述冷却组件由直径、高度不一的3mm厚中空筒状塑料件和进出液体口转接零件组成，由高度从高到低，依次为第一冷却件、第二冷却件、第三冷却件，且能够根据工艺需要设置更多的冷却件；所述3mm厚中空筒状塑料件在导电线圈缠绕开始处和结束处均设有小口，使得导电线圈能顺利穿过；所述进出液体口转接零件由塑料制成，与所述3mm厚中空筒状塑料件在进出液体口处实现过盈配合；在第一圈导电线圈沿铁芯外壁呈0°～3°角度缠绕在铁芯上后，置入与现状相匹配的冷却组件和进出液体口转接零件，并将导电线圈从冷却组件上部小口穿出，然后再次将导电线圈沿冷却组件外壁呈0°～3°角度缠绕，缠绕完成再次置入与现在相匹配的冷却组件及进出液体口转接零件，按照实验需求重复上述步骤，以保证能产生所需磁场以及保证冷却效果。

(3)测控调节系统主要由磁场强度传感元件、计算机控制系统、可调节水泵和励磁电源组成。其中置于铁芯中的磁场强度传感元件负责采集产生磁场的磁场强度，并把磁场强度返回计算机控制系统，通过计算机控制系统反馈调节可调节水泵和励磁电源，以实时调整冷却液流速以及励磁电流、电压。

基于上述装置的功能，需通过如下技术步骤实现：

步骤一，沿磁场发生系统铁芯自下而上呈0°～3°角度缠绕导电线圈；为了保证产生磁场的磁感应线方向沿焊枪轴线对称分布，导电线圈缠绕角度应该与铁芯轴线垂直，缠绕方向为自下而上，保证导电线圈能从冷却组件开口穿出；

步骤二，安装第一冷却件；铁芯上端盖由螺纹连接端盖与筒身，将上端盖旋开后，置入第一冷却件，并使导电线圈从第一冷却件上端顺利穿出；

步骤三，重复步骤一，步骤二操作；按照预定需缠绕导电线圈的匝数要求，在铁芯外围置入冷却组件并按规定方向缠绕导电线圈；

步骤四，安装冷却组件进出液体口转接零件；在按照预定方式缠绕导电线圈后，在每个冷却组件进出液体口处安装进出液体口转接零件，再将进出液体口转接零件另一头接入可调节水泵；

步骤五，安装磁场强度传感元件，导电线圈接电源，旋入上端盖；将磁场强度传感元件置入导电线圈外围磁场强度传感元件固定槽进行固定，接入计算机控制系统，并将导电线圈两端接入励磁电源，最后旋入上端盖；

步骤六：打开励磁电源，设置所需磁场强度大小；在步骤一到步骤五安装完成后，打开励磁电源，在计算机控制系统上输入励磁参数或所需磁场强度大小，计算机控制系统开始按所需励磁参数或所需磁场强度大小自适应调节磁场强度至预定磁场强度大小。

为保证磁场对增材过程的作用以及测量的准确性，首先应该保证磁场发生装置与焊枪在同一轴线方向(连接装置见附图3)，其次焊枪伸出磁场发生装置的长度应该保证在8-10mm，以避免磁感线方向偏置和磁场强度因距离削弱过多，从而导致达到预计磁场强度困难和调节不便。

附图1为本发明(焊接系统，测控调节系统和磁场发生系统)工作简图。焊接系统搭载磁场发生装置后，接通励磁电源并调控到设定磁场强度，然后打开焊接电源并随之开启可调节水泵进行冷却，此时测控调节系统通过磁场强度传感元件实时监控，并传输到计算机控制系统，从而动态调节可调节水泵流速和励磁电流、电压，使得电弧增材过程中的外加磁场保持稳定。

有益效果

本发明涉及的自适应分级调控的能连续长时间产生稳定磁场的磁场发生装置，具有以下优点：

(1)通过特殊设计的冷却组件和导电线圈缠绕方式，使得磁场发生装置能够缠绕多匝导电线圈并且冷却效果良好。

(2)通过置入磁场强度实时监控传感的磁场强度传感元件，与计算机控制系统、可调节水泵、励磁电源形成闭环回路，能够根据传入磁场强度的大小波动，实时控制冷却液流速以及励磁电流、电压以调节磁场强度在较小范围波动。

(3)通过上述两优点实现了磁场辅助增材过程中产生长时间稳定磁场的效果，从而使得磁场辅助电弧增材试样表面精度以及力学性能均匀性进一步得到提升。

附图说明

图1为一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置示意图；

图2为磁场发生装置磁头示意图；

图3为焊枪与磁头连接组件示意图；

磁场发生装置由磁场发生系统以及测控调节系统组成，其中磁场发生系统包括：连接组件、冷却组件、铁芯和导电线圈；测控调节系统包括：磁场强度传感元件、计算机控制系统、可调节水泵和励磁电源。

具体实施方式

下面结合附图详细说明：

如附图1所示，本装置由测控调节系统以及磁场发生系统组成。

测控调节系统包括磁场强度传感元件(7)，冷却水管(8)，被测的增材构件 (9)，计算机控制系统(10)和励磁电源(11)；其中冷却水管(8)连接可调节水泵(12)，计算机控制系统(10)调节连接励磁电源(11)和可调节水泵。

如附图2所示，磁场发生系统包括焊枪固定螺栓(1)，磁头固定螺栓(2)，磁头固定螺栓(3)，冷却组件(4)，多匝导电线圈(5)和磁场强度传感元件固定槽(6)；其中磁头固定螺栓(2)和磁头固定螺栓(3)连接焊枪和磁头，磁头由冷却组件(4)和多匝导电线圈(5)组成，配以置于磁场强度传感元件固定槽 (6)上的磁场强度传感元件实现实时监控和反馈调节。

基于上述装置的功能，需通过如下技术步骤实现：

步骤一，沿磁场发生系统铁芯自下而上呈0°～3°角度缠绕导电线圈；为了保证产生磁场的磁感应线方向沿焊枪轴线对称分布，导电线圈缠绕角度应该与铁芯轴线垂直，缠绕方向为自下而上，保证导电线圈能从冷却组件开口穿出；

步骤二，安装第一冷却件；铁芯上端盖由螺纹连接端盖与筒身，将上端盖旋开后，置入第一冷却件，并使导电线圈从第一冷却件上端顺利穿出；

步骤三，重复步骤一，步骤二操作；按照预定需缠绕导电线圈的匝数要求，在铁芯外围置入冷却组件并按规定方向缠绕导电线圈；

步骤四，安装冷却组件进出液体口转接零件；在按照预定方式缠绕导电线圈后，在每个冷却组件进出液体口处安装进出液体口转接零件，再将进出液体口转接零件另一头接入可调节水泵；

步骤五，安装磁场强度传感元件，导电线圈接电源，旋入上端盖；将磁场强度传感元件置入导电线圈外围磁场强度传感元件固定槽进行固定，接入计算机控制系统，并将导电线圈两端接入励磁电源，最后旋入上端盖；

步骤六：打开励磁电源，设置所需磁场强度大小；在步骤一到步骤五安装完成后，打开励磁电源，在计算机控制系统上输入励磁参数或所需磁场强度大小，计算机控制系统开始按所需励磁参数或所需磁场强度大小自适应调节磁场强度至预定磁场强度大小。

Claims (7)

1.一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，该装置由磁场发生系统以及测控调节系统组成，其中磁场发生系统包括连接组件、冷却组件、铁芯以及导电线圈；测控调节系统包括磁场强度传感元件、计算机控制系统、可调节水泵和励磁电源；其特征在于磁场发生装置利用了自主设计的冷却组件，所述冷却组件具体由直径、高度不一的3mm厚中空筒状塑料件和进出液体口转接零件组成，并在冷却组件的上下两端均设有小口以通过导电线圈，冷却组件和导电线圈配合呈0°～3°角度缠绕的导电线圈缠绕方式，使得磁场发生系统能够缠绕多匝导电线圈；所述冷却组件同时配套实时测控的磁场强度传感元件、计算机控制系统、可调节水泵和励磁电源组成的闭环反馈系统，实现初期由可调节水泵控制冷却液流速形成一级调控，磁场强度波动超过一级调控阈值后，由计算机控制系统控制励磁电源调节电流和电压形成二级调控的功能，从而利用分级调控更大范围保证磁场强度稳定，可连续长时间产生稳定的高频交变磁场，有效保证了电弧增材生产过程的层间要求以及精度。

2.如权利要求1所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于：所述磁场发生系统的铁芯中空，且与焊枪间隙配合；所述磁场发生系统通过螺栓与连接组件上下连接，连接组件再通过螺栓与焊枪实现过盈配合，从而使得焊枪、磁场发生系统、连接组件结合在一起；焊枪、导电线圈、磁场强度传感元件与连接组件位于同一轴线。

3.如权利要求2所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于：所述连接组件由两对称部分组成，连接组件安装垫片后能够与焊枪实现过盈配合；所述连接组件两对称部分由螺栓水平连接，同时两对称部分均设有竖直方向的螺孔，使两对称部分能够与磁场发生系统实现上下连接。

4.如权利要求1所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于：所述冷却组件由直径、高度不一的3mm厚中空筒状塑料件和进出液体口转接零件组成，由高度从高到低，依次为第一冷却件、第二冷却件、第三冷却件，且能够根据工艺需要设置更多的冷却件；所述3mm厚中空筒状塑料件在导电线圈缠绕开始处和结束处均设有小口，使得导电线圈能顺利穿过；所述进出液体口转接零件由塑料制成，与所述3mm厚中空筒状塑料件在进出液体口处实现过盈配合。

5.如权利要求4所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于：导电线圈缠绕方式为，第一次导电线圈沿磁场发生系统的铁芯呈0°～3°角度缠绕，并从所述第一冷却件上部小口穿出；第二次缠绕为，沿所述第一冷却件外壁呈0°～3°角度缠绕导电线圈，然后从所述第二冷却件下部小口穿出；第三次及以后重复上述缠绕方式。

6.如权利要求1所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于：置于磁场发生系统铁芯中的磁场强度传感元件负责采集产生磁场的磁场强度，且磁场强度传感元件接入计算机控制系统，并将磁场强度返回计算机控制系统；计算机控制系统连接励磁电源和可调节水泵，通过计算机控制系统反馈调节可调节水泵形成一级调控，以调节冷却液流速，保持导电线圈磁导率稳定；并在达到可调节水泵流速的一级调控阈值后，计算机控制系统调节励磁电源形成二级调控，以实时调整励磁电流和电压大小。

7.如权利要求4所述的一种用于辅助电弧增材的自适应分级调控的连续长时间稳定磁场发生装置，其特征在于，该磁场发生装置通过以下步骤实现安装使用：

步骤一，沿磁场发生系统铁芯自下而上呈0°～3°角度缠绕导电线圈；为了保证产生磁场的磁感应线方向沿焊枪轴线对称分布，导电线圈缠绕角度应与铁芯轴线垂直，缠绕方向为自下而上，保证导电线圈能从冷却组件开口穿出；

步骤二，安装第一冷却件；铁芯上端盖由螺纹连接端盖与筒身，将上端盖旋开后，置入第一冷却件，并使导电线圈从第一冷却件上端顺利穿出；

步骤三，重复步骤一，步骤二操作；按照预定需缠绕导电线圈的匝数要求，在铁芯外围置入冷却组件并按规定方向缠绕导电线圈；

步骤四，安装冷却组件进出液体口转接零件；在按照预定方式缠绕导电线圈后，在每个冷却组件进出液体口处安装进出液体口转接零件，再将进出液体口转接零件另一头接入可调节水泵；

步骤五，安装磁场强度传感元件，导电线圈接电源，旋入上端盖；将磁场强度传感元件置入导电线圈外围的磁场强度传感元件固定槽进行固定，接入计算机控制系统，并将导电线圈两端接入励磁电源，最后旋入上端盖；

步骤六：打开励磁电源，设置所需磁场强度大小；在步骤一到步骤五安装完成后，打开励磁电源，在计算机控制系统上输入励磁参数或所需磁场强度大小，计算机控制系统开始按所需励磁参数或所需磁场强度大小自适应调节磁场强度至预定磁场强度大小。

Images