一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法与流程

本发明属于金属增材制造领域，更具体地，涉及一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法。

背景技术：

电弧增材制造技术是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接(mig)、钨极惰性气体保护焊接(tig)以及等离子体焊接电源(pa)等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。

近几年来，电弧增材制造技术己在航空、航天、汽车、机械制造、船舶铝合金及化学工业中大量应用。电弧增材制造具有沉积效率高，丝材利用率高，整体制造周期短、成本低，对零件尺寸限制少，易于修复零件等优点。但是在焊接过程中焊接热输入较大，导致焊接变形较大，焊接速度慢，焊接效率低等问题。此外，在焊接过程中高温条件下氢气体溶于熔池金属，在凝固和相变时气体的溶解度下降时来不及逸出，导致焊缝中存在大量气孔。

另外，材料的堆积是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。成形过程中随着熔敷层层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热难于凝固、熔敷层形状难于控制，特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形精度的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、熔敷层尺寸精度和表面质量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法，其目的在于，在电弧增材制造时，通过电磁感应力对焊道熔池进行支撑，防止焊道流淌，从而减小焊接接头的残余应力，提高零件力学性能，实现高效、高质的电弧增材制造。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种电磁辅助电弧增材制造成形装置，包括基板、电弧焊枪、电磁线圈、线激光扫描仪和磁场测量仪，其中，所述电弧焊枪和电磁线圈位于所述基板上方，所述电弧焊枪用于在基板上焊接成形待成形零件，所述电磁线圈用于在待成形零件的焊道熔池处施加磁场；所述线激光扫描仪位于所述待成形零件上方，用于对焊道表面形貌进行检测；所述磁场测量仪位于所述电磁线圈和待成形零件之间，并与所述电磁线圈相连，用于测量和控制所述电磁线圈施加在焊道熔池处的磁场强度。

作为进一步优选的，所述电弧焊枪的放电极与所述基板垂直。

作为进一步优选的，所述电磁线圈包括漆包扁铜线、支撑骨架和环氧板，所述漆包扁铜线缠绕在所述支撑骨架上，支撑骨架两端用所述环氧板封堵，且支撑骨架内放置有铁芯。

作为进一步优选的，所述电磁线圈外包裹有冷却水管。

作为进一步优选的，该装置还包括轧辊，其位于所述基板上方，用于在焊接成形后对焊道进行轧制。

按照本发明的另一方面，提出了一种电磁辅助电弧增材制造成形方法，其采用上述装置实现，包括如下步骤：

s1电弧焊枪按预设路径在基板上焊接成形待成形零件，电磁线圈跟随焊枪移动，并按预设磁场强度在待成形零件的焊道熔池处施加磁场，从而产生电磁感应力支撑焊道熔池；

s2线激光扫描仪对焊道表面形貌进行实时检测，若焊道表面形貌与预设标准形貌一致，则重复s1，若焊道表面形貌与预设标准形貌不一致，则通过磁场测量仪调整电磁线圈的磁场强度，并按调整后的磁场强度重复s1；

s3重复s1和s2若干次，直至完成零件的制造成形。

作为进一步优选的，所述电磁线圈的磁场方向垂直于焊道。

作为进一步优选的，所述电弧焊枪的焊接速度为100mm/min～600mm/min。

作为进一步优选的，所述s1中在焊道成形后，采用轧辊对焊道进行轧制。

作为进一步优选的，在基板上成形零件前，去除基板表面的氧化膜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明在电弧增材制造时，通过电磁感应力对焊道熔池进行支撑，有效减小焊道流淌，减小焊接接头残余应力，细化焊道组织，提高零件力学性能，从而实现高效、高质的电弧增材制造。

2.本发明在电弧增材制造过程中引入磁场可以对熔池起到搅拌作用，加速其中气体逸出，有效抑制焊缝气孔产生，使焊缝组织晶粒得到显著细化，进一步提高零件力学性能；此外搅拌还改善熔池金属与其周围固态金属的接触,加速了熔池中原子的热运动加剧熔池与周围金属的热递，有利于熔池散热,使焊缝周围的温度分布与未旋转打印部分的温度分布有较大改变,即各部分的温度梯度减小，降低打印零件的残余应力，减小零件变形，增强零件强度和耐腐蚀性能。

3.本发明所设计的电磁线圈与成形焊道熔池为非直接接触，可以充分利用磁场资源，非接触式的磁场结构也更容易调节磁场与焊道熔池的距离和作用角度，方便根据零件结构进行调节。

4.本发明在成形过程中，对焊道形貌特征进行实时检测，进而对磁场强度行调节，实现对零件成形质量的实时监测。

5.本发明中电磁线圈的磁场方向垂直于焊道，使其产生的电磁感应力从侧下方更好地支撑焊道熔池；同时控制电弧焊枪的焊接速度为100mm/min～600mm/min，避免焊接速度过慢影响成形效率，或焊接速度过快磁场无法及时对熔池进行支撑。

6.本发明进一步对成形的焊道进行轧制，细化焊道组织，进一步提高零件力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例中电磁辅助电弧增材制造成形装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电磁发生器电源，2-环氧板，3-漆包扁铜线，4-冷却水箱，5-支撑骨架，6-线激光扫描仪，7-铁芯，8-电弧焊枪，9-轧辊，10-焊道，11-焊机，12-待成形零件，13-磁场测量仪，14-冷却水管，15-基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种电磁辅助电弧增材制造成形装置，如图1所示，包括基板15、电弧焊接单元、电磁发生器、线激光扫描仪6和磁场测量仪13，其中，电弧焊接单元包括相连的焊机11和电弧焊枪8，电磁发生器包括通过导线相连的电磁发生器电源1和电磁线圈；所述电弧焊枪8和电磁线圈位于所述基板15上方，所述电弧焊枪8用于在基板15上焊接成形待成形零件12，且电弧焊枪8的放电极与基板15垂直，所述电磁线圈用于待成形零件12的焊道10熔池处施加磁场；所述线激光扫描仪6位于所述待成形零件12上方，用于对焊道10表面形貌进行检测；所述磁场测量仪13位于所述电磁线圈和待成形零件12之间，并与所述电磁线圈相连，用于测量和控制所述电磁线圈施加在焊道10熔池处的磁场强度。

进一步的，电磁线圈包括漆包扁铜线3、支撑骨架5和环氧板2，所述漆包扁铜线3的截面为矩形，根据磁场强度要求选择其规格，漆包扁铜线3缠绕在支撑骨架5上，两端用环氧板2封堵，支撑骨架5内放置有铁芯7，用以增强电磁线圈产生的磁场强度；

进一步的，该装置还包括冷取水循环单元，该冷取水循环单元包括相连的冷却水箱4和冷却水管14，冷却水管14包裹在电磁线圈外侧，以帮助电磁线圈散热。

进一步的，该装置还包括轧辊9，其位于所述基板15上方，用于在焊接成形后对焊道10进行轧制。

采用上述装置进行电磁辅助电弧增材制造成形，包括如下步骤：

s1根据待成形零件12形状，预设成形路径；去除基板15待打印焊道所在区域表面的氧化膜，并清除表面的水分和油污；

s2电弧焊枪8的放电极与基板15垂直，电弧焊枪8按预设成形路径在基板15上焊接成形待成形零件12，形成焊道10；电磁线圈的磁场方向垂直于焊道10，且电磁线圈跟随焊枪8移动，按预设磁场强度在待成形零件12的刚形成的焊道10熔池处施加磁场，具体的，电磁线圈的铁芯7位于焊道10熔池侧下方，产生垂直作用与焊道10熔池电磁感应力以支撑熔池；

s2线激光扫描仪6通过线激光三维反求对焊道10表面形貌进行实时检测，若焊道10表面形貌与预设标准形貌一致，则重复s1，若焊道10表面形貌与预设标准形貌不一致，则通过磁场测量仪13调整电磁线圈的磁场强度，并按调整后的磁场强度重复s1；

s3重复s1和s2若干次，直至完成零件的制造成形。

进一步的，所述电弧焊枪的焊接速度为100mm/min～600mm/min。

进一步的，所述s1中，焊道10成形后，采用轧辊9对焊道10进行轧制细化焊道组织。

以下为具体实施例：

实施例1

制造成形铝合金斜壁零件，包括如下步骤：

s1将5083铝合金板基板置于数控机床工作平台上，使用夹紧装置将5083铝合金基板夹紧，调节焊接工艺参数，电弧焊枪8放电极与基板15垂直，两者保持一定距离；调节电磁线圈与零件12的角度和距离，电磁线圈上表面离零件12侧面的一定距离，设定电磁频率和磁场强度，设定轧辊的轧制压力；保护气体为99.999％氩气，保护气体流量为25l/min；

s2电弧焊枪8熔化铝合金丝材，形成焊道，沿缝隙路径移动针对该5083铝合金板上的待焊接缝隙进行焊接，焊接速度为400mm/min；电磁线圈沿焊接成形路径给焊道10熔池施加磁场，同时通过线激光扫描仪6和磁场强度仪13配合，对电磁线圈施加给焊道10熔池的磁场强度的进行实时检测和调控；轧辊9在电弧焊枪8后面一定距离对成形焊道10进行轧制；

s3完成零件打印，待熔池完全凝固，零件冷却至室温，松开夹紧装置，取出零件。

实施例2

制造成形不锈钢316l斜壁零件斜壁零件，包括如下步骤：

s1将不锈钢316l基板置于数控机床工作平台上，使用夹紧装置将不锈钢316l基板夹紧，调节焊接工艺参数，电弧焊枪8放电极与基板15垂直，两者保持一定距离；调节电磁线圈与零件12的角度和距离，电磁线圈上表面离零件12侧面的一定距离，设定电磁频率和磁场强度，设定轧辊的轧制压力；保护气体为5％co2+95％氩气，保护气体流量为20l/min。

s2电弧焊枪8熔化不锈钢丝材，形成焊道，沿缝隙路径移动针对该不锈钢316l基板上的待焊接缝隙进行焊接，焊接速度为300mm/min；电磁线圈沿焊接成形路径给焊道10熔池施加磁场，同时通过线激光扫描仪6和磁场强度仪13配合，对电磁线圈施加给焊道10熔池的磁场强度的进行实时检测和调控；轧辊9在电弧焊枪8后面一定距离对成形焊道10进行轧制；

s3完成零件打印，待熔池完全凝固，零件冷却至室温，松开夹紧装置，取出零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。