CN114713943B - 一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，由送丝装置、焊机装置，六轴机器人、工作台、电磁复合场辅助装置、超声振动辅助装置、电脑控制系统组成；焊机装置由TIG焊机电源和焊枪组成；送丝装置环绕固定在焊枪的周围；焊枪设置在六轴机器人的机器人机械手的前端；电磁复合场辅助装置设置在工作台的第一端；超声振动辅助装置设置在工作台的第二端，用于为工作台施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中；电脑控制系统分别与TIG焊机电源、六轴机器人、工作台连接；本发明结构简单紧凑，成形能力高，能够实现大型结构件的高效率、高性能、低成本快速制造。

Description

一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统

技术领域

本发明涉及熔丝增材制造技术领域，尤其涉及一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术是一种送丝型金属增材制造技术，具有较高的沉积效率、材料利用率，较短的制造周期，较低的制造成本和成形尺寸范围大等优点。随着大型结构件对制造效率要求的提高，熔丝型增材制造逐渐受到人们的重视。

然而，电弧熔丝增材制造也存在一些困难，限制了电弧增材制造技术的应用。首先，大的电弧热输入导致晶粒粗大。较大的的温度梯度会导致柱状晶粒的大量形成。柱状晶粒是整个成形件力学性能的决定性因素。在生长方向（沉积方向）上，成型件往往具有良好的延伸率、较差的屈服强度和极限拉伸强度。然而，水平方向往往具有相反的机械性能。对于那些需要综合机械性能的零件，它不能满足其要求。其次，电弧熔丝增材技术属于热加工技术，在增材过程中，容易产生微裂纹、气孔、组织混乱等缺陷，并且成形件中残余应力较大，这些因素严重影响着成形件的性能。而微观缺陷、组织状态、残余应力等是导致成形件性能较差的主要原因，这些问题会导致成形件使用寿命降低，进而严重影响成形件使用的稳定性。因此有必要采取一定的措施细化晶粒、消除残余应力，改善成形件的综合机械性能。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明的目的是提供一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，利用超声振动和磁场的耦合作用，有效破碎枝晶并细化微观结构、加快熔池的流速，促进了元素的扩散，减少了偏析；提高了孔隙从熔池中溢出速度，减少了缺陷的形成；并且有效的消减了残余应力。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，由送丝装置、焊机装置，六轴机器人、工作台、电磁复合场辅助装置、超声振动辅助装置、电脑控制系统组成；

焊机装置由TIG焊机电源和焊枪组成；

送丝装置环绕固定在焊枪的周围；

焊枪设置在六轴机器人的机器人机械手的前端；

电磁复合场辅助装置设置在工作台的第一端；

超声振动辅助装置设置在工作台的第二端，用于为工作台施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中；

电脑控制系统分别与TIG焊机电源、六轴机器人、工作台连接。

优选地，送丝装置由至少4台送丝机组成；

每台送丝机通过送丝管与送丝铜嘴连接；

送丝铜嘴环绕固定在焊枪的周围。

优选地，电磁复合场辅助装置包括稳定磁场单元和直流磁场单元；

稳定磁场单元设置在第一端；

直流磁场单元设置在第二端或工作台的第三端。

优选地，稳定磁场单元由对称设置的两块永久磁铁组成；

两块永久磁铁的磁性异向摆置。

优选地，直流磁场单元由磁场发生装置和两个电磁极组成；

磁场发生装置分别与两个电磁极电性连接，用于产生于重力方向相同的安培力。

优选地，工作台还包括设置在工作台外部的环形支架；

两块永久磁铁设置在环形支架上，其中，环形支架围绕工作台旋转，两块永久磁铁的位置随焊枪的移动路径进行旋转调整，保持两块永久磁铁的连线与焊枪的移动路径垂直。

优选地，超声振动辅助装置由两个可移动的超声振动头和超声振动发生装置组成；

超声振动头用于为工作台施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中，用于降低金属流变抗力，提高金属流动性。

优选地，送丝机的丝材采用金属丝材。

优选地，稳定磁场单元和直流磁场单元同时工作，用于对被加工构件产生的搅拌效应，提升构件性能。

优选地，电脑控制系统用于控制送丝机按照送丝速度1.2-1.8 m/min，送丝角度40-60度持续提供熔融的丝材；

电脑控制系统与环形支架连接，用于控制环形支架围绕工作台进行顺时针旋转和/或逆时针旋转。

本发明公开了以下技术效果：

多丝材同步送进的方式极大提高了电弧增材制造的制造效率；同时以机械手作为熔化丝材的移动装置，提供了更多移动路径的选择；

利用超声振动和磁场的耦合作用，有效破碎柱状枝晶并细化微观结构、加快熔池的流速，促进了元素的扩散，减少了组织偏析；提高了孔隙从熔池中溢出速度，减少了缺陷的形成；并且有效的消减了残余应力，有利于成形件力学性能的提高；

电磁复合场可以随加工路径方向的移动而调整方向，能使磁铁始终位于与加工方向平行的基板的两个相对边缘位置，保证了在整个加工过程中磁场的稳定性；

加工装置结构简单紧凑，成形能力高，能够实现大型结构件的高效率、高性能、低成本快速制造。

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 为本发明所述的电弧熔丝增材制造系统的结构示意图；

图2 为本发明所述的电磁复合场辅助装置和超声振动辅助装置的结构示意图；

图3 为图2的俯视图；

其中1为焊枪，2为送丝铜嘴，3为六轴机器人，4为送丝机，5为焊机电源，6为电脑控制系统，7为永久磁铁，8为工作台，9为超声振动头，10为电磁极，11为磁场发生装置，12为超声振动发生装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供了一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，由送丝装置、焊机装置，六轴机器人3、工作台8、电磁复合场辅助装置、超声振动辅助装置、电脑控制系统6组成；

焊机装置由TIG焊机电源5和焊枪1组成；

送丝装置环绕固定在焊枪1的周围；

焊枪1设置在六轴机器人3的机器人机械手的前端；

电磁复合场辅助装置设置在工作台8的第一端；

超声振动辅助装置设置在工作台8的第二端，用于为工作台8施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中；

电脑控制系统6分别与TIG焊机电源5、六轴机器人3、工作台8连接。

进一步优选地，送丝装置由至少4台送丝机4组成；

每台送丝机4通过送丝管与送丝铜嘴2连接；

送丝铜嘴2环绕固定在焊枪1的周围。

进一步优选地，电磁复合场辅助装置包括稳定磁场单元和直流磁场单元；

稳定磁场单元设置在第一端；

直流磁场单元设置在第二端或工作台8的第三端。

进一步优选地，稳定磁场单元由对称设置的两块永久磁铁7组成；

两块永久磁铁7的磁性异向摆置。

进一步优选地，直流磁场单元由磁场发生装置11和两个电磁极10组成；

磁场发生装置11分别与两个电磁极10电性连接，用于产生于重力方向相同的安培力。

进一步优选地，工作台8还包括设置在工作台8外部的环形支架；

两块永久磁铁7设置在环形支架上，其中，环形支架围绕工作台旋转，两块永久磁铁7的位置随焊枪1的移动路径进行旋转调整，保持两块永久磁铁7的连线与焊枪1的移动路径垂直。

进一步优选地，超声振动辅助装置由两个可移动的超声振动头9和超声振动发生装置12组成；

超声振动头9用于为工作台8施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中，用于降低金属流变抗力，提高金属流动性。

进一步优选地，送丝机4的丝材采用金属丝材。

进一步优选地，稳定磁场单元和直流磁场单元同时工作，用于对被加工构件产生的搅拌效应，提升构件性能。

进一步优选地，电脑控制系统6用于控制送丝机4按照送丝速度1.2-1.8 m/min，送丝角度40-60度持续提供熔融的丝材；

电脑控制系统6与环形支架连接，用于控制环形支架围绕工作台8进行顺时针旋转和/或逆时针旋转。

实施例1：如图1-3所示，本实施例提供一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统装置，包括送丝装置、焊机装置，六轴机器人3、工作台8、电磁复合场辅助装置、超声振动辅助装置以及电脑控制系统6，送丝装置包括多个送丝机4，送丝机4通过送丝管与送丝铜嘴2相连，固定环绕在焊枪1的周围，焊机装置由TIG焊机电源5和焊枪1构成，焊枪固定在六轴机器人3的机器人机械手的前端。

在本实施例中，送丝装置、焊机装置均与加工装置连接，由电脑控制系统6控制；

在本实施例中，工作台8配有电磁复合场辅助装置，电磁复合场辅助装置由稳定磁场单元和直流磁场单元组成，稳定磁场单元由两块永久磁铁7构成，两块永久磁铁7磁性异向摆置，稳定磁场单元的两块永久磁铁7被固定在工作台外部的环形支架上，环形支架能够围绕工作台旋转，两块磁铁的位置可以随电弧沉积焊枪移动路径进行旋转调整，环形支架的运动由电脑控制系统6控制。

直流磁场单元包括磁场发生装置11和两个电磁极10，电磁极10由磁场发生装置直流电源供电，直流电源正负极分别接在工作台8的边缘位置的电磁极10上，产生与重力方向相同的安培力。

超声振动辅助装置包括两个可以移动的超声振动头9和超声振动发生装置12，超声振动头9主要用于在加工平台上施加压力振动，以将超声波传导至正在沉积的构件中。

在本实施例中，丝材采用金属丝材，丝材通过送丝机送出，经过送丝管，最后在送丝铜嘴处接触电弧，送丝管沿六轴机器人3的机械臂固定，进而提高送丝的稳定性。

在本实施例中，两块永久磁铁7被固定在环形支架上，环形支架的内直径大于工作台8的直径，环形支架能够带动固定的永久磁铁7进行转动，两块永久磁铁的异向而置，N极与S极相向，如图2所示，两块永久磁铁随焊枪移动路径不断进行调整，保持两块磁铁连线与焊枪1移动路径垂直，使磁场覆盖更完整。

在本实施例中，两个直流磁场单元的电磁极10固定在工作台8的两端位置，直流磁场单元和稳定磁场单元同时工作，在工作台一定范围区域形成复合磁场，这个复合磁场通过电磁力对熔池产生影响，产生的搅拌效应可以破坏柱状枝晶，形成细枝晶和等轴晶，并且可以通过控制直流磁场单元电流大小来加快熔池的流速，促进熔池内气泡缺陷等排出，使制备的构件性能更佳。

在本实施例中，两个超声振动头9安置在与两个电磁极10连线的垂直位置上，如图3所示，超声振动头9在工作时接触工作台8，施加压力振动，超声波可以传导至正在沉积的构件中，超声波在金属塑性流动与变形过程中，具有高强穿透和定点聚焦的性能，能显著降低金属流变抗力，提高金属流动性。

控制系统为计算机，通过计算机获取工件的数字模型并生成驱动机器人运动的代码，形成工件的成形路径，固定于六轴机器人3的机械臂前端的焊枪1则会按照相应的路径移动，送丝机4在控制系统的控制下按照一定的送丝速度持续提供熔融的丝材，加工过程中，送丝机4的位置保持不变，同时根据工艺需要保持特定的送丝角度，有效提高了制造过程的稳定性，稳定磁场单元的永久磁铁位置会根据控制系统规划的焊枪移动路径进行转动，始终与运动路径保持垂直。

本发明设计的系统的工作原理如下：

超声振动辅助原理：在焊接产生液态熔池时在后方固态区域施加外部超声冲击，对未凝固温度仍较高的增材层进行超声冲击，产生碾压变形、诱发再结晶、细化晶粒，改善电弧熔丝增材制造合金构件的组织和性能。

复合磁场辅助原理：电磁场是一种通过电磁力对熔池产生影响的有效辅助场。为了加快熔池的流速，在增材过程中引入了由稳定磁场和直流磁场组成的电磁复合场。使熔池凝固过程中可以产生安培力。复合磁场产生的搅拌效应可以破坏柱状枝晶，导致细枝晶和等轴晶的形成，可以获得最大比例的细等轴晶粒区域，从而显著改善了由显微组织决定的力学性能。

工件加工过程：通过solidworks软件构建三维实体模型，然后采用3D数据处理软件进行切片处理，然后生成加工程序，将加工程序导入机器人3的控制系统；将丝材安装在送丝机，丝材通过铜制送丝管连接送入到焊枪头1附近。将基板固定在工作台8上；开启复合磁场和超声发生器的电源，超声发生器在工作台8表面产生振动，复合磁场中的直流磁场单元在工作台8一定范围内产生方向不变的磁场，复合磁场中的稳定磁场的位置可以根据焊枪移动路径的移动而转动调整方向，使两块永久磁铁的连线始终与焊枪移动方向垂直。设置其他工艺参数，焊枪2在工作台8上移动开始沉积金属构件。

加工件的特性数据：

多丝材同步送进的方式极大提高了电弧增材制造的制造效率；同时以超声振动耦合磁场作为熔化丝材的辅助设备，不仅进一步细化了晶粒组织，也有效避免了制造过程中的成分不均匀的现象，有利于成形件力学性能的提高；

超声振动耦合磁场辅助装置结构简单紧凑，增益能力高，能够实现大型结构件的高效高性能、低成本制造，制造周期短；

超声振动耦合磁场辅助装置的磁场强度和超声频率可根据成形工艺的需要进行调节，有效提高制造过程的稳定性；

复合磁场装置在成形过程中其相对位置不发生改变，有效保证制造过程的磁场的稳定性。

加工构件的体积范围：根据机械手工作面积，加工件体积范围是由工作台和基板大小决定，本发明设计的加工构件的范围是：80cm×80cm×80cm。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (6)

1.一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于，由送丝装置、焊机装置，六轴机器人（3）、工作台（8）、电磁复合场辅助装置、超声振动辅助装置、电脑控制系统（6）组成；

所述焊机装置由TIG焊机电源（5）和焊枪（1）组成；

所述送丝装置环绕固定在所述焊枪（1）的周围；

所述焊枪（1）设置在所述六轴机器人（3）的机器人机械手的前端；

所述电磁复合场辅助装置设置在所述工作台（8）的第一端；

所述超声振动辅助装置设置在所述工作台（8）的第二端，用于为所述工作台（8）施加压力振动，将超声波传导至被加工构件中；

所述电脑控制系统（6）分别与所述TIG焊机电源（5）、所述六轴机器人（3）、所述工作台（8）连接；

所述电磁复合场辅助装置包括稳定磁场单元和直流磁场单元；

所述稳定磁场单元设置在所述第一端；

所述直流磁场单元设置在所述第二端或所述工作台（8）的第三端；

所述稳定磁场单元由对称设置的两块永久磁铁（7）组成；

两块所述永久磁铁（7）的磁性异向摆置；

所述直流磁场单元由磁场发生装置（11）和两个电磁极（10）组成；

所述磁场发生装置（11）分别与两个所述电磁极（10）电性连接，用于产生于重力方向相同的安培力；

所述工作台（8）还包括设置在所述工作台（8）外部的环形支架；两块所述永久磁铁（7）设置在所述环形支架上，其中，所述环形支架围绕工作台旋转，两块所述永久磁铁（7）的位置随所述焊枪（1）的移动路径进行旋转调整，保持两块所述永久磁铁（7）的连线与所述焊枪（1）的移动路径垂直。

2.根据权利要求1所述一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于：

所述送丝装置由至少4台送丝机（4）组成；

每台所述送丝机（4）通过送丝管与送丝铜嘴（2）连接；

所述送丝铜嘴（2）环绕固定在所述焊枪（1）的周围。

3.根据权利要求2所述一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于：

所述超声振动辅助装置由两个可移动的超声振动头（9）和超声振动发生装置（12）组成；

所述超声振动头（9）用于为所述工作台（8）施加压力振动，将超声波传导至所述被加工构件中，用于降低金属流变抗力，提高金属流动性。

4.根据权利要求3所述一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于：

所述送丝机（4）的丝材采用金属丝材。

5.根据权利要求4所述一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于：

所述稳定磁场单元和所述直流磁场单元同时工作，用于对所述被加工构件产生搅拌效应，提升构件性能。

6.根据权利要求5所述一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统，其特征在于：

所述电脑控制系统（6）用于控制所述送丝机（4）按照送丝速度1.2-1.8 m/min，送丝角度40-60度持续提供熔融的所述丝材；

所述电脑控制系统（6）与所述环形支架连接，用于控制所述环形支架围绕所述工作台（8）进行顺时针旋转和/或逆时针旋转。

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