一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置及方法

本发明涉及电弧熔丝增材制造，具体涉及一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置及方法。

背景技术：

1、电弧熔丝增材制造是一种以电弧为热源，将金属丝材按照预定路径快速熔化和沉积，以实现金属零部件的近净成形技术。受传统焊接的电磁辅助焊接启发，近年来磁场辅助电弧增材发展迅速，外加磁场能够改变电弧形态，并在熔池内产生热电磁力，起到搅拌作用，促进异质形核，加快元素扩散，能够细化晶粒和减少缺陷，提高增材制造构件的力学性能和成形质量。

2、但在应用过程中，励磁线圈处在高温环境中，同时在工作时产生大量的电阻热，这严重影响了作用在熔池处的磁场的稳定性，导致了成形件的微观组织、力学性能不均匀，可重复性差，难以工程应用。中国专利(申请号202211465994.5，名称为“一种铝合金磁场辅助cmt电弧增材制造装置及方法”，)公开了一种针对铝合金的磁场辅助装置，设置了主线圈产生纵向磁场使晶粒细化，两个副线圈使电弧收缩成钟罩形，改善成形形貌，但该装置没有有效的水冷装置，难以确保磁场强度的稳定，会导致磁场增幅效果不均匀，造成最终成形零件形貌和性能的不均匀。中国专利(申请号202111647753.8，名称为“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”，)公开了一种磁场发生系统及测控调节系统，通过实时监测磁场强度调节冷却液流速和励磁电流保证磁场强度的稳定，但该系统采用反馈控制，调节速度慢，且只能应用于简单磁场，复杂磁场的强度则难以在线监测。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置及方法，能够在打印过程中监测线圈温度，调整冷却水流速和温度以保证磁场稳定。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置，包括固定在电弧增材设备1焊枪上的绕有励磁线圈5的铁芯3，励磁线圈5外侧安装有温度传感器4，励磁线圈5与励磁电源9连接，励磁线圈5内外均绕有冷却水管6，冷却水管6一端放入控温水箱7，一端连接在水泵8上，水泵8放在控温水箱7中，温度传感器4、水泵8、控温水箱7均连接计算机10。

4、所述电弧增材设备1包括六轴机器人以及cmt焊机。

5、所述励磁线圈5为纯铜聚酯漆包线绕制而成，许容电流为11.5a，耐温等级180℃。

6、所述铁芯3采用工业纯铁材质。

7、所述控温水箱7控温范围为0℃-50℃。

8、所述励磁电源9包括直流电源、交流电源以及可编程的其他波形电源。

9、利用一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置的方法，包括以下步骤：

10、步骤一、设备初始化，设置励磁线圈5最高工作温度tmax；

11、步骤二、设置励磁电源9电流及频率，沉积第一层，采集目前热输入下励磁线圈5的最高温度ti；

12、步骤三、经过管强制对流换热计算，按照所需要的散热量提前好设定冷却水的初始温度ti以及初始流速q，所需要的散热量包括电弧增材设备1的焊枪传热以及励磁线圈5自热；

13、步骤四、开始稳定磁场辅助增材制造；

14、步骤五、第n层沉积过程中，温度传感器4采集励磁线圈5温度数据；

15、步骤六、计算机10接收励磁线圈5温度数据，判断是否大于等于励磁线圈5最高工作温度tmax，若大于等于励磁线圈5最高工作温度tmax，调节水泵8控制冷却水流速加快，控温水箱7降低冷却水温度；若小于励磁线圈5最高工作温度tmax，保持冷却水流速和冷却水温度不变；

16、步骤七、重复步骤五-步骤六，直至所有层数沉积完成。

17、所述步骤一中励磁线圈5最高工作温度tmax应由不同励磁线圈5的实际最高工作温度决定，为实际最高工作温度的80％。

18、所述步骤三中管强制对流传热的计算如下：

19、认为进水管和出水管的温度差为10℃，则冷却水的定性温度为初始温度ti+5，根据定性温度查询冷却水的物性参数：比热容cp，热导率λ以及动力黏度μ，根据公式(1)计算得到nu数，根据公式(2)计算得到对流传热系数a，根据公式(3)计算得到冷却水的初始温度ti以及初始流速q；

20、

21、其中，nu——努塞尔数，是对流传热与导热的比；re——雷诺数，反应了惯性力和粘性力的比，pr——普朗特数，是动量扩散率与热扩散率的比值，d——冷却管直径；l——冷却管长度；μ—冷却水的动力黏度；μw——冷却管的动力黏度；cp——冷却水的比热容；λ——冷却水的热导率；q——冷却水初始流速；

22、根据冷却水管6的温度查询其动力黏度μw，为了简化计算，认为冷却水管6的温度为电弧增材设备1的焊枪温度的80％；

23、

24、其中，a——计算得到的对流传热系数；

25、

26、其中，q——使励磁线圈冷却到最高工作温度所需要的散热量；ti——冷却水初始温度；tmax——励磁线圈的最高工作温度。

27、本发明和现有技术相比，其有益效果为：

28、(a)本发明采用了前馈控制与反馈控制结合的控制方式，既增加了反应速度，又保证了控制精度，保证了线圈工作温度在小范围内波动，从而保证了磁场的稳定。

29、(b)本发明可以应用于增材制造所需要的不同磁场，包括直流磁场，交流磁场，尖角磁场、旋转磁场以及可编程的其他波形的交变磁场。

30、(c)本发明可以应用于不同的热源形式，包括等离子弧焊增材制造，电子束熔丝增材制造等，激光熔丝增材制造等。

31、(d)本发明能够有效地保证磁场强度的稳定，能够稳定的对电弧和熔池施加影响，使电弧能量集中，增加熔池对流，提升增材制造构件的力学性能和成形质量，同时保证成形零件微观组织和力学性能的均匀性，同时具有操作简单，成本低等优势。

技术特征：

1.一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置，其特征在于：包括固定在电弧增材设备(1)焊枪上的绕有励磁线圈(5)的铁芯(3)，励磁线圈(5)外侧安装有温度传感器(4)，励磁线圈(5)与励磁电源(9)连接，励磁线圈(5)内外均绕有冷却水管(6)，冷却水管(6)一端放入控温水箱(7)，一端连接在水泵(8)上，水泵(8)放在控温水箱(7)中，温度传感器(4)、水泵(8)、控温水箱(7)均连接计算机(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电弧增材设备(1)包括六轴机器人以及cmt焊机。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述励磁线圈(5)为纯铜聚酯漆包线绕制而成，许容电流为11.5a，耐温等级180℃。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述铁芯(3)采用工业纯铁材质。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控温水箱(7)控温范围为0℃-50℃。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述励磁电源(9)包括直流电源、交流电源以及可编程的其他波形电源。

7.利用权利要求1所述一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤一中励磁线圈(5)最高工作温度tmax应由不同励磁线圈(5)的实际最高工作温度决定，为实际最高工作温度的80％。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤三中管强制对流传热的计算如下：

技术总结
一种稳定磁场辅助电弧增材制造的装置及方法，包括由固定在电弧增材设备焊枪上的绕有励磁线圈的铁芯，励磁线圈外侧安装有温度传感器，励磁线圈与励磁电源连接，励磁线圈内外均绕有冷却水管，冷却水管一端放入控温水箱，一端连接在水泵上，水泵放在控温水箱中，温度传感器、水泵、控温水箱均连接计算机；能够在打印过程中监测线圈温度，调整冷却水流速和温度以保证磁场稳定，使电弧能量集中，增加熔池对流，提升增材制造构件的力学性能和成形质量，同时保证成形零件微观组织和力学性能的均匀性，同时具有操作简单，成本低等优势。

技术研发人员：黄科,王冰璘,刘怡,张木公,汤可鑫,李新志,方学伟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13