CN114226916B - 一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法，属于非熔化极气体保护焊领域；该装置包括焊枪，所述焊枪上安装有磁头，所述磁头的磁感应线圈电连接有励磁电源，所述励磁电源能够产生励磁电流及励磁频率；所述磁头底部设置有尖角磁场导磁杆，所述焊枪一侧倾斜设置有送丝管；所述焊枪下方设置有工作台，所述工作台上用于放置工件。基于上述装置的方法，在电弧增材制造过程中，交变尖角磁场作用下，由于电磁力使电弧发生周期性变化，熔滴发生周期性扭动，改变了熔池流动方向，磁场改善堆积构件表面平整度，表面成形质量提高，找到了铝合金磁控TOPTIG的最佳增材参数，获得了最佳效果，适用于铝合金电弧增材制造直接成形。

Description

一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法
技术领域
本发明涉及非熔化极气体保护焊技术领域，特别是涉及一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法。
背景技术
TOPTIG焊由传统填丝钨极氩弧焊(TIG)发展而来，送丝管与焊枪轴线的角度在15°-30°范围内。其优点是：(1)具有良好的可达性。送丝管与焊枪一体化设计，减小了焊枪体积，适合复杂工件的焊接。(2)熔敷效率高。焊丝直接被送入电弧中温度最高的区域，熔化速度快。(3)金属过渡稳定。形成了一种连续接触的类似液态金属流的稳定过渡模式。但TOPTIG焊也存在着一般填丝电弧焊增材制造过程中常出现的问题：成形精度低。这是由于电弧不集中，需要提高焊接电流来适应增材工艺，而这又将加大热量累积，会导致单道多层成形前高后低，严重影响构件成形。传统的解决方式具有成本高而且难操作等不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过增材过程中引入磁场的方式，对电弧形态、熔滴过渡和熔池流动进行控制。通过电磁作用使电弧收缩，提高能量密度；通过电磁作用，改善熔滴过渡和熔池流动，降低熔池温度梯度，进而改善增材成形。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置，包括焊枪，所述焊枪上安装有磁头，所述磁头的磁感应线圈电连接有励磁电源，所述励磁电源能够产生励磁电流及励磁频率；所述磁头底部设置有由纯铁制成的尖角磁场导磁杆，通过尖角磁场导磁杆将磁场由磁头的磁感应线圈引入到钨极下方的增材区域，产生的磁场在增材区域形成交变尖角磁场，作用于电弧、熔滴及熔池；磁力线通过磁头的磁感应线圈和电弧、熔滴、熔池形成闭合回路；所述焊枪一侧倾斜设置有送丝管；所述焊枪下方设置有工作台，所述工作台上用于放置工件；电弧增材制造过程中，交变尖角磁场作用下，由于电磁力使电弧发生周期性变化，熔滴发生周期性扭动，改变了熔池流动方向，磁场改善堆积构件表面平整度，表面成形质量提高。
可选的，所述磁感应线圈外部缠绕有冷却水管，所述冷却水管通过进水口和出水口分别与水冷系统连通。
可选的，所述励磁电源为交流电源，电流为5-40A，频率为10-2000Hz。
可选的，所述磁感应线圈为400匝，采用外带绝缘皮、内为纯铜而且直径为1mm的铜线绕制6层而成，缠绕于Q235低碳钢空心圆柱磁芯；所述磁感应线圈外设置有铝合金材质的磁感应线圈保护壳。
可选的，所述送丝管连接有送丝机，所述焊枪一侧通过夹具固定设置有摄像机，所述摄像机的镜头与增材区域水平并且间距不小于20cm，所述摄像机连接有电脑。
本发明还提供一种提高电弧增材构件表面成形精度的方法，通过调整励磁电流及励磁频率的大小来调节磁场强度及磁场频率，让磁场参数与电弧堆积工艺参数(如焊接电流、送丝速度、焊接速度等)相匹配，进行增材堆积，包括如下步骤：
步骤一：在工作台的基板上进行工件堆积，选用确定尺寸的焊丝，选择确定的增材工艺参数，增材工艺参数包括焊接电流、送丝速度、焊接速度、保护气体流量、钨极伸出长度、钨极端部距基板的高度；
步骤二：接线，将焊机的正、负极分别接到焊枪和工件上；将励磁电源的正、负极通过导线连接到磁感应线圈的两端，形成闭合回路；将尖角磁场导磁杆连接磁感应线圈，把磁场导入到增材区域，将磁感应线圈通过冷却水管与水冷系统连接；
步骤三：堆积，采用机器人手臂将焊枪送至待焊点，以相应增材参数进行单道多层堆积；
步骤四：电弧形态的采集，摄像机调整好清晰度后在增材过程中与焊枪同步运动，通过电脑端清楚地观察到电弧、熔滴和熔池的状态；
步骤五：通过调节励磁电源上的旋钮来调节励磁电流和励磁频率的大小，从而调节洛伦兹力大小和作用频率，影响电弧、熔滴和熔池。
可选的，励磁电流为5A-25A，励磁频率为10-100Hz，焊接电流为90-190A，送丝速度为10-40mm/s，焊接速度为10-40cm/min。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明在铝合金TOPTIG增材区域施加交变尖角磁场，通过交变尖角磁场产生的电磁力作用于增材过程。能够在焊接电流160A，送丝速度30mm/s，焊接速度20cm/min，氩气流量18L/min，励磁电流15A，励磁频率70Hz等工艺参数下，构件表面平整度(Pa)由传统TOPTIG增材的0.2998减小到0.0717，构件表面平整度可减少70％左右(构件表面平整度越小，表面越平整)。促进熔池流动，减小熔池温度梯度，减少块状突起与棱状突起等缺陷，改善堆积成形，构件凹凸不平的表面变成比较光滑的表面，块状突起与棱状突起等缺陷明显改善，适用于铝合金增材制造直接成形。
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为本发明提高电弧增材构件表面成形精度的装置结构示意图；
图2a为外加磁场相对位置示意图；
图2b为外加磁场另一角度相对位置示意图；
附图标记说明：1电脑，2工作台，3摄像机，4送丝机，5焊机，6励磁电源，7送丝管，8焊枪，9磁感应线圈，10磁感应线圈保护壳，11尖角磁场导磁杆，12水冷系统，13工件，14焊丝，15磁极，16钨极。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过增材过程中引入磁场的方式，对电弧形态、熔滴过渡和熔池流动进行控制。通过电磁作用使电弧收缩，提高能量密度；通过电磁作用，改善熔滴过渡和熔池流动，降低熔池温度梯度，进而改善增材成形。
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。
本发明提供一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置，如图1所示，包括焊枪8，焊枪8上安装有磁头，磁头的磁感应线圈9电连接有励磁电源6，励磁电源6能够产生励磁电流及励磁频率；磁头底部设置有由纯铁制成的尖角磁场导磁杆11，通过尖角磁场导磁杆11将磁场由磁头的磁感应线圈9引入到钨极下方的增材区域，产生的磁场在增材区域形成交变尖角磁场，作用于电弧、熔滴及熔池；磁力线通过磁头的磁感应线圈9和电弧、熔滴、熔池形成闭合回路；焊枪8一侧倾斜设置有送丝管7；焊枪8下方设置有工作台2，工作台2上用于放置工件，焊枪8和工件13分别与焊机5的正负极连接。
磁感应线圈9外部缠绕有冷却水管，冷却水管通过进水口和出水口分别与水冷系统12连通。磁感应线圈9为400匝，采用外带绝缘皮、内为纯铜而且直径为1mm的铜线绕制6层而成，缠绕于Q235低碳钢空心圆柱磁芯；磁感应线圈9外设置有铝合金材质的磁感应线圈保护壳10。送丝管7连接有送丝机4，焊枪8一侧通过夹具固定设置有摄像机3，摄像机3的镜头与增材区域水平并且间距不小于20cm，摄像机3连接有电脑1。
本发明方法的具体实施步骤如下：
步骤一：实验选用板厚5mm的2219铝合金作为基板，将其固定设置于工作台2上，在基板上进行工件堆积。选用直径1.2mm的2319铝合金作为焊丝，选择合适的TOPTIG增材工艺参数，包括焊接电流，送丝速度，焊接速度、保护气体流量，钨极伸出长度，钨极端部距基板的高度等。
步骤二：接线。如附图1所示，将焊机5的正、负极分别接到焊枪8和工件上，通电时电流由焊机5正极流出，途经焊枪钨极、电弧和工件，最后回到焊机负极；将励磁电源6的正、负极通过导线连接到磁感应线圈9的两端，形成闭合回路，通电时使磁感应线圈9产生磁场；将尖角磁场导磁杆11连接磁感应线圈9，把磁场导入到增材区域(包括电弧、熔滴和熔池)。将磁感应线圈9与水冷系统12连接，防止线圈过热。
步骤三：堆积。采用机器人手臂将焊枪8送至待焊点。以相应增材参数进行单道多层堆积。堆积形式由附图2a和2b所示，图中箭头方向为增材方向：图2a俯视图中，尖角磁场导磁杆的四个磁极15按“十”字形排列，N极对应N极，S极对应S极，堆积焊道与磁极15始终保持图中所示位置，焊丝14由增材方向上钨极16前部相邻两个N、S磁极之间送入电弧。图2b主视图中，送丝方式采用前送丝，即堆积时总是保持焊丝14在前，钨极16在后，焊丝与钨极夹角为25°。
步骤四：电弧形态的采集。如附图1所示，摄像机3通过夹具固定于焊枪8上，镜头与增材区域水平并且间距大于等于20cm，调整好清晰度后在增材过程中与焊枪8同步运动，通过电脑1端清楚地观察到电弧、熔滴和熔池的状态。
步骤五：通过调节励磁电源6上的旋钮来调节励磁电流和励磁频率的大小，从而调节洛伦兹力大小和作用频率，影响电弧、熔滴和熔池。
在步骤一中的焊接电流为90-190A，送丝速度为10-40mm/s，焊接速度为10-40cm/min，保护气流量18L/min，钨极伸出长度4mm，钨极端部距基板的高度4mm；步骤五中的励磁电流为5A-25A，励磁频率为10-100Hz。
实施例1
下面以一个试验实例进行说明，试验选用直径为1.2mm的2319铝合金的焊丝对厚度为5mm的2219铝合金板进行单道多层堆积增材，焊机型号为烽火WSE-250数控逆变式交直流氩弧焊机，励磁电源采用MCWE-40/2000，送丝机采用振康SB-10-500，钨极高度4mm，钨极距基板距离4mm。本发明通过高速摄像拍摄电弧、熔滴和熔池进行观测和分析。
TOPTIG增材不同试验参数的焊件成形有所差异，试验数据如表1所示。
表1不同试验参数下电弧形态和成形的变化
Figure BDA0003409262400000061
Figure BDA0003409262400000071
外加磁场作用下，电弧被压缩为长短轴交替变化的椭圆形，熔池流动性增强。由表1可知，励磁电流15A，励磁频率70Hz时，构件凹凸不平的表面变成比较光滑的表面，块状突起与棱状突起等缺陷明显改善。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明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方法及其核心思想；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 (4)

1.一种提高电弧增材构件表面成形精度的装置，其特征在于：包括焊枪，所述焊枪上安装有磁头，所述磁头的磁感应线圈电连接有励磁电源，所述励磁电源能够产生励磁电流及励磁频率；所述磁头底部设置有尖角磁场导磁杆，所述焊枪一侧倾斜设置有送丝管；所述焊枪下方设置有工作台，所述工作台上用于放置工件；所述磁感应线圈外部缠绕有冷却水管，所述冷却水管通过进水口和出水口分别与水冷系统连通；所述励磁电源为交流电源，电流为5-40A，频率为10-2000Hz；所述磁感应线圈为400匝，采用外带绝缘皮、内为纯铜而且直径为1mm的铜线绕制6层而成；所述磁感应线圈外设置有磁感应线圈保护壳。
2.根据权利要求1所述的提高电弧增材构件表面成形精度的装置，其特征在于：所述送丝管连接有送丝机，所述焊枪一侧通过夹具固定设置有摄像机，所述摄像机的镜头与增材区域水平并且间距不小于20cm，所述摄像机连接有电脑。
3.一种提高电弧增材构件表面成形精度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：在工作台的基板上进行工件堆积，选用确定尺寸的焊丝，选择确定的增材工艺参数，增材工艺参数包括焊接电流、送丝速度、焊接速度、保护气体流量、钨极伸出长度、钨极端部距基板的高度；
步骤二：接线，将焊机的正、负极分别接到焊枪和工件上；将励磁电源的正、负极通过导线连接到磁感应线圈的两端，形成闭合回路；将尖角磁场导磁杆连接磁感应线圈，把磁场导入到增材区域，将磁感应线圈通过冷却水管与水冷系统连接；
步骤三：堆积，采用机器人手臂将焊枪送至待焊点，以相应增材参数进行单道多层堆积；
步骤四：电弧形态的采集，摄像机调整好清晰度后在增材过程中与焊枪同步运动，通过电脑端清楚地观察到电弧、熔滴和熔池的状态；
步骤五：通过调节励磁电源上的旋钮来调节励磁电流和励磁频率的大小，从而调节洛伦兹力大小和作用频率，影响电弧、熔滴和熔池。
4.根据权利要求3所述的提高电弧增材构件表面成形精度的方法，其特征在于：励磁电流为5A-25A，励磁频率为10-100Hz，焊接电流为90-190A，送丝速度为10-40mm/s，焊接速度为10-40cm/min。
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