CN106956060A - 电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于，其成形***主要由计算机，电弧熔敷控制***、六轴机器人Ⅰ、主控***Ⅰ、温度闭环控制***等构成，所述的温度闭环控制***由温度闭环控制装置Ⅱ及主控***Ⅱ组成。温度闭环控制装置Ⅱ中安装红外线测温仪、电磁感应加热线圈及冷却装置。在增材制造过程中，红外线测温仪用于测量每一层堆积结束后表面温度的变化，并测量值实时传输给计算机。根据预先设定的层间温度，计算机通过主控***Ⅱ控制电磁感应加热线圈及冷却装置对零件的部分先成形件施加感应加热或强制冷却作用以实现主动控制层间温度的目的。本发明为主动控制电弧增材制造层间温度提供了一种有效方法。

Description

电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法。

背景技术

增材制造技术是一种基于离散-堆积原理，在计算机的辅助下，采用送丝或铺粉的方式，以高能束（激光、电子束、等离子、电弧）为热源将熔融原材料逐层熔敷堆积实现零件的无模具、快速成形的制造工艺。电弧增材制造技术是指基于（TIG焊、MAG焊、MIG焊或CMT焊）电弧为热源，采用同步送丝的方式用于制造不锈钢、高强度合金钢及碳钢等为原料的高性能复杂零件的一种工艺。相比于以激光、电子束、等离子为热源的增材制造技术，该技术具有生产效率高、生产成本低、原料利用率高及力学性能好等优点，尤其适用于汽车及航空等领域的大型化、复杂化及轻量化的整体构件的制造。

目前，电弧增材制造技术在控形控性方面仍然面临着较大的困难，关键的原因之一在于层间温度的控制。实质上，电弧增材制造过程是一个微铸造的过程，熔池通过由“点-线-面”的过程实现零件的实体制造。在电弧增材制造过程中，随着堆积层数的增加，零件与周围介质之间的热交换能力降低，使得零件先成形部分的热积累量不断增加，导致层间温度升高。当层间温度高于某一温度范围时，在下一层堆积过程中，则导致熔池温度过高、熔液凝固时间增加、熔液流动性较强及熔池的抗干扰能力极大降低，尤其在成形件边缘部分极易产生“流淌”现象。这不仅严重的降低了零件的表面质量及尺寸精度，且极易导致零件内部晶粒出现粗化现象，从而降低了零件的整体力学性能。若层间温度过低，则熔池凝固速度较快，熔液的流动性较低，极易导致层间形成未焊合或产生孔洞等缺陷，严重的降低了零件的力学性能。因此，在电弧增材制造过程中，合理地控制电弧增材制造层间温度的范围是改善成形件表面质量及力学性能的关键途径之一。

目前，研究者利用红外线测温仪及热电偶等仪器，通过增加层间间隔时间的方法控制层间温度的变化，研究了层间温度对成形件表面质量及力学性能的影响规律。如哈尔滨工业大学张广军教授研究了采用GMAW增材制造技术成形壁形件过程中温度的变化，实验表明：在增材制造过程中，通过增加层间间隔时间控制层间温度的变化范围有利于提高零件的表面质量及尺寸精度；同时，过分地增加层间冷却时间并不能有效地降低零件的热积累量，且降低了零件的生产效率（参见Yang D, Wang G, Zhang G. Thermal analysis forsingle-pass multi-layer GMAW based additive manufacturing using infraredthermography[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 244: 215-224）。又如天津大学申俊琦博士基于交流TIG焊增材制造技术，研究了层间温度对成形质量的影响规律，实验表明：合理地控制层间温度范围可提高堆积过程中熔池的稳定性，制造出表面形貌良好，组织均匀致密的零件（参见申俊琦, 胡绳荪, 刘望兰,等. 铝合金焊接快速成形层间间隔时间分析[J]. 焊接学报, 2008, 29(5): 110）。但是，通过增加层间间隔时间的方法以控制层间温度不仅极大地降低了电弧增材制造的效率，且难以准确地控制层间温度的范围。因此，发明一种主动控制电弧增材制造层间温度的方法具有重要意义。

发明内容

针对目前面临的技术难题，本发明公开了一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法。在增材制造过程中，采用温度闭环控制***通过对零件的先成形部分施加感应加热及强制冷却作用以实现主动控制层间温度的目的，即随着堆积层数的增加，基板及零件的先成形部分依次经过电磁感应加热线圈及冷却装置，利用红外线测温仪实时测量每一堆积层结束后表面温度的变化，并将测量的温度值实时传输给计算机；根据预先设定的层间温度值，计算机通过实时控制电磁感应加热线圈及冷却装置对先成形部分的局部施加感应加热及强制冷却作用以快速控制层间温度的变化，从而实现主动控制层间温度的目的。本发明为高效精确地控制电弧增材制造的层间温度提供了一种有效方法，从而实现对成形件表面质量及力学性能的控制。

本发明的技术方案是：在增材制造过程中，计算机通过主控***Ⅰ及电弧熔敷控制***控制六轴机器人Ⅰ上焊枪的移动轨迹及堆积工艺参数的变化以完成每一层轮廓的堆积成形，与此同时，通过主控***Ⅱ控制第二伺服电机调整支承平板以控制堆积过程中每一堆积层厚度的变化；随着堆积层数的增加，支承平板不断下降，每次下降的高度由零件三维模型分层的厚度决定，使得基板及零件的先成形部分依次经过电磁感应加热线圈及冷却装置；每一层堆积结束后通过第一伺服电机控制红外线测温仪的测温位置以快速获取堆积层表面的温度值，并将测量值实时传输给计算机，同时计算机根据预先设定的层间温度，通过主控***Ⅱ控制电磁感应加热线圈及冷却装置对零件的先成形部分施加感应加热及强制冷却作用，从而实现主动控制层间温度的目的。

具体地说，所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度方法的具体实现步骤如下：

（1）零件模型的分层：根据零件的三维CAD模型，对模型进行分层处理。

（2）根据各分层切片的尺寸和形状特点进行堆积路径的规划，生成各层成形所需的数控代码，利用生产的数控代码分别控制六轴机器人Ⅰ机械手臂上焊枪的移动路径及支承平板沿堆积高度方向每次下降的距离。

（3）根据材料的物理特性，预先设定层间温度值T ₁、T ₂、T ₃、…T _n ，其中T ₁指堆积第1层时基板表面的温度值，T _n 指堆积第n层时第n-1层表面的温度值。

（4）在逐层堆积的过程中，支承平板根据步骤（2）中分层的厚度不断下降，随着堆积层数的增加，基板及零件的先成形部分依次经过电磁感应加热线圈及冷却装置。当每一层堆积结束后，支承平板下降一个分层厚度的距离，随后计算机通过第一伺服电机实时调整红外线测温仪的位置以快速获取堆积层表面的温度值T _n’ ，并将测量值实时传输给计算机。根据步骤（3）中预先设定的温度值，计算机作出判别，当T _n ´<T _n 时，计算机通过主控***Ⅱ调整电磁感应加热线圈中的电流大小、频率及感应加热时间的变化，对处于电磁感应加热线圈中紧邻堆积顶层的部分成形件施加感应加热，从而使层间温度快速达到T _n ，当T _n ´>T _n 时，停止电磁感应加热，计算机通过主控***Ⅱ启动冷却装置，并通过液压驱动装置Ⅱ调整冷却装置的位置对零件的先成形部分施加强制冷却作用，从而使层间温度快速降到T _n 。当层间温度达到T _n 时，计算机停止电磁感应加热及强制冷却作用，并根据步骤（2）生成的数控程序控制焊枪的移动轨迹开始下一层堆积成形，循环上述过程，直至实现零件的实体制造。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：预先设定的层间温度值T ₁、T ₂、T ₃、…T _n 并非一定完全相等，其值可通过相同堆积成形工艺参数下的预实验确定。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：所述的电弧增材制造技术是指以MAG焊、MIG焊或CMT焊为热源，采用同步送丝的方式制造以不锈钢、高强度合金钢及碳钢为原料的金属零件的一种成形技术。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：电磁感应加热方式采用超低频、低频或中频三种感应加热方式。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：根据成形材料的物理特性，冷却装置采用空气或循环冷却水两种介质。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：利用电弧增材制造技术成形以不锈钢丝材为原料的零件时，优选的层间温度为：10℃≤T _n ≤500℃。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：电磁感应加热线圈的匝数根据加热区域的长度而定，优选的，电磁感应加热线圈沿零件堆积高度方向加热区域的长度为5~300mm。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：主控***Ⅱ通过调整电磁感应加热线圈中电流大小、频率及加热时间的变化使处于电磁感应加热线圈中紧邻堆积顶层的部分成形件感应产热使层间温度快速达到预先设定的温度。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：红外线测温仪的测温区域通过第一伺服电机控制，用于实时测量每一层堆积结束后表面温度的变化，并将测量值实时传输给计算机。

所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：液压驱动装置Ⅰ及液压驱动装置Ⅱ分别用于调整电磁感应加热线圈的加热及冷却装置的位置。

在电弧增材制造过程中，利用电磁感应加热的方式使处于电磁感应加热线圈中紧邻堆积层顶部的局部区域感应产热，从而使层间温度迅速的达到预先设定的层间温度值，当堆积层表面温度高于预先设定的层间温度值，停止感应加热作用，同时利用强制冷却装置对先成形件的局部施加强制冷却作用以使层间温度迅速降到预先设定的层间温度值，从而实现主动控制电弧增材制造层间温度的目的。本发明不仅提高了电弧增材制造的生产效率，且改善了成形件的形貌质量及力学性能。

附图说明

图1为本发明中电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法的成形***示意图。

图2为本发明图1中的温度闭环控制结构Ⅱ的A-A方向结构示意图。

其中，1-计算机，2-主控***Ⅰ，3-电弧熔敷控制***，4-保护气气瓶，5-焊枪，6-成形零件，7-红外线测温仪，8-第一伺服电机，9-电磁感应加热线圈，10-感应线圈固定卡槽，11-冷却喷嘴，12-冷却介质管道，13-液压杆Ⅰ，14-主控***Ⅱ，15-激光测距仪，16-液压驱动装置Ⅰ，17-底座，18-第二伺服电机，19-滚珠丝杆，20-支承平板，21-基板，22-固定螺栓，23-冷却管固定卡槽，24-液压杆Ⅱ，25-液压驱动装置Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法的成形***主要包括：计算机1、主控***Ⅰ、电弧熔敷控制***3、保护气气瓶4、六轴机器人Ⅰ、温度闭环控制装置Ⅱ以及主控***Ⅱ等构成，计算机1分别与主控***Ⅰ、主控***Ⅱ连接分别用于控制六轴机器人Ⅰ上焊枪的移动轨迹及温度闭环控制装置Ⅱ。主控***Ⅱ与红外线测温仪7、第一伺服电机8、第二伺服电机18、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ及冷却装置相连接，红外线测温仪7的测温位置由第一伺服电机8控制以快速获取每一堆积层结束后表面温度的变化，第二伺服电机18用于调整支承平板20每次下降的位移，根据堆积成形件的高度，通过液压驱动装置Ⅰ及液压驱动装置Ⅱ分别用于设定电磁感应加热圈及冷却装置的位置。

以采用连续送丝MAG焊电弧增材制造圆环形不锈钢零件为例，根据零件的形状特点，电磁感应加热线圈9为由紫铜材料制成的多匝螺线管，电磁感应加热线圈9的形状与堆积成形件分层截面的轮廓特征基本一致；设计成圆形结构。首先，将基板21表面清洗干净并固定在支承平板20上，基板21用于承载堆积成形的零件，其次，根据成形零件的高度，计算机1通过液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ分别调整电磁感应加热线圈9及冷却介质管道12的位置，并使电磁感应加热线圈9的位置高于成形件的高度，冷却介质管道12位于电磁感应加热线线圈9下面的一定距离内；循环冷却水通过冷却喷嘴11对位于冷却介质管道12下面的先成形件施加强制冷却作用以快速使层间温度降到预先设定的层间温度值。通过第二伺服电机18调整支承平板20的高度，使基板21处于电磁感应加热线圈9中，且基板21的上表面略高出电磁感应加热线圈9，支承平板20位于电磁感应加热线圈9的下面。通过主控***Ⅱ控制电磁感应加热线圈9的电流大小、频率及感应加热时间的变化使处于电磁感应加热线圈9中紧邻堆积顶层的部分先成形件感应产热以使层间温度快速达到预先设定的层间温度值。

其具体的实施步骤为：（1）零件模型的分层：根据零件的三维CAD模型，对模型进行分层处理；（2）根据各分层切片的尺寸和形状特点进行堆积路径的规划，生成各层成形所需的数控代码，利用生产的数控代码控制六轴机器人Ⅰ机械手臂上焊枪5的移动路径及支承平板20沿堆积高度方向每次下降的距离；（3）设定堆积过程中层间温度值T ₁、T ₂、T ₃、…T _n ，（4）利用电磁感应加热线圈9使基板感应产热，当基板21的表面温度达到预先设定的温度值时，根据步骤（2）生产数控程序控制焊枪5的移动轨迹开始第一层轮廓的堆积成形，当每一层堆积结束后，支承平板20下降一个分层厚度的距离。利用红外线测温仪7快速获取堆积层表面的温度值T _n ´，并将测量的温度实时传输给计算机1，计算机1根据预先设定的层间温度值做出判别，若T _n ´＜ T _n ，则计算机1通过主控***Ⅱ调整电磁感应加热线圈9的电流大小、频率及加热时间的变化对处于电磁感应加热线圈9中的部分零件施加感应加热使层间温度迅速达到T _n ；若T _n ´>T _n ，停止电磁感应加热作用，计算机1通过主控***Ⅱ启动冷却装置，并通过液压驱动装置Ⅱ调整冷却介质管道12的位置对零件的先成形部分施加强制冷却作用使层间温度快速降到T _n 。当层间温度达到T _n 时，计算机1停止电磁感应加热及强制冷却作用，然后六轴机器人Ⅰ上的焊枪5按照步骤（2）生成的数控程序开始下一层堆积成形，循环上述过程，直至实现零件的实体制造。

上述结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改仍属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度方法的成形***主要由计算机1、主控***Ⅰ、电弧熔敷控制***3、保护气气瓶4、六轴机器人Ⅰ、温度闭环控制装置Ⅱ以及主控***Ⅱ等构成，所述的主控***Ⅰ及电弧熔敷控制***3用于控制六轴机器人Ⅰ上焊枪的移动轨迹及堆积工艺参数的变化，所述的温度闭环控制装置Ⅱ主要由红外线测温仪7、第一伺服电机8，电磁感应加热线圈9、冷却装置、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ及第二伺服电机18等构成，所述的冷却装置主要由冷却喷嘴11、冷却介质管道12等构成，所述的红外线测温仪7与主控***Ⅱ连接，用于实时测量每一堆积层结束后表面温度的变化，并将测量的温度实时传输给计算机，所述的第一伺服电机8用于调整红外线测温仪的测温位置以快速获取堆积层表面的温度，所述的电磁感应加热线圈9及冷却装置通过对基板及零件的先成形部分施加感应加热或强制冷却作用以快速控制基板及每一堆积层结束后表面的温度值，所述的液压驱动装置Ⅰ及液压驱动装置Ⅱ分别用于调整电磁感应加热线圈及冷却装置的位置，所述的第二伺服电机18用于控制支承平板的运动状态以实时调整支承平板沿堆积高度方向下降的距离，所述的计算机与主控***Ⅰ及主控***Ⅱ连接用于控制电弧增材制造堆积工艺参数的变化及层间温度的主动控制；所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其具体的实施步骤是：（1）零件模型的分层：根据零件的三维CAD模型，对模型进行分层处理；（2）根据各分层切片的尺寸和形状特点进行堆积路径的规划，生成各层成形所需的数控代码，利用生产的数控代码控制六轴机器人机械手臂的运动轨迹及温度闭环控制装置Ⅱ中支承平板沿堆积方向每次下降的距离；（3）根据材料的物理特性，预先设定层间温度值T ₁、T ₂、T ₃、…T _n ；（4）在逐层堆积的过程中，支承平板根据步骤（2）中分层的厚度不断下降，随着堆积层数的增加，基板及零件的先成形部分依次经过电磁感应加热线圈及冷却装置，当每一层堆积结束后，计算机通过第一伺服电机实时调整红外线测温仪的位置以快速获取堆积层的表面温度值T _n ´，并将测量值实时传输给计算机，且计算机根据步骤（3）中预先设定的层间温度作出判别，即当T _n ´<T _n 时，计算机通过主控***Ⅱ实时调整电磁感应加热线圈中电流大小、频率及感应加热的时间使处于电磁感应加热线圈中紧邻堆积顶层的部分成形件感应产热使层间温度快速达到T _n ，当T _n ´>T _n 时，停止电磁感应加热，计算机通过主控***Ⅱ开启冷却装置，并通过液压驱动装置Ⅱ实时调整冷却装置的位置对零件的先成形部分施加强制冷却作用以使层间温度快速降到T _n ，当层间温度达到T _n 时，计算机停止电磁感应加热及强制冷却作用，并根据步骤（2）生成的数控程序控制焊枪的堆积轨迹开始下一层堆积成形，循环上述过程，直至实现零件的实体制造。

2.根据权利要求1所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：预先设定的层间温度值T ₁、T ₂、T ₃、…T _n 并非一定完全相等，可通过相同堆积工艺参数下的预实验确定，其中T ₁指堆积第1层时基板的表面温度值，T _n 指堆积第n层时第n-1层表面的温度值。

3.根据权利要求1所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：根据成形零件的形状特点，电磁感应加热方式采用超低频、低频或中频三种感应加热方式。

4.根据权利要求1所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：冷却装置采用空气或循环冷却水两种介质。

5.根据权利要求1所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：所述的电弧增材制造技术是指基于MAG焊、MIG焊或CMT焊为热源，采用同步送丝的方式制造以不锈钢、高强度合金钢及碳钢为原料的金属零件的一种成形技术。

6.根据权利要求5所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：采用电弧增材制造以不锈钢为原料的零件时，优选的层间温度为：10℃≤T _n ≤500℃。

7.根据权利要求1所述的电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法，其特征在于：电磁感应加热线圈的匝数根据加热区域的长度而定，优选的，电磁感应加热线圈沿零件堆积高度方向加热区域的长度为5~300mm。