CN107803500A - 一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法 - Google Patents

一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，包括成形缸，成形缸内设置有驱动电机，驱动电机的输出轴上连接有滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构另一端连接有加热基板，加热基板四周整合有电磁发生器，绕成形缸外壁上端设置有电磁感应器，电磁感应器连接有第一电磁发生电源，电磁发生器连接有第二电磁发生电源，第一电磁发生电源和第二电磁发生电源均连接有设备主控***。采用直流磁场对激光熔池凝固过程中的液固界面前沿动量和溶质传输施加扰动，改变液固界面的凝固结晶形态，进而达到控制熔池凝固过程中相变应力的目的。本发明还公开了采用上述装置减缓零件应力的方法。

Description

一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法
技术领域
本发明属于粉末床激光选区熔化增材制造设备技术领域，涉及一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，本发明还涉及采用上述装置减缓零件应力的方法。
背景技术
激光选区熔化(SLM)成形技术是近几十年发展起来的一种逐点、逐层堆积成形的3D打印技术，它是在预制粉末层上利用激光逐点熔化烧结构件横截面形貌，通过逐层累加的方法获得构件三维实体。SLM成形技术能够实现具有复杂结构高性能致密金属的无模具、快速自由成形。SLM技术集成了激光技术、计算机技术、数控技术和材料技术等诸多先进技术，具备了加工工序简单、能耗低、柔性高、环境友好、成形与组织性能控制一体化等特点，采用SLM成形技术加工的零件性能与锻件相当。由于SLM技术具备了上述先进材料加工技术要求的所有特性，得到材料加工界的青睐，在短短的10余年间迅速发展起来，成为许多加工和应用领域众所瞩目的重要新技术。
但是，粉床激光选区熔化设备在构建金属零件过程中，零件长期经历高能激光束周期性、激烈、非平衡、循环加热和冷却及其短时非平衡循环固态相变，还有强约束下移动熔池的快速凝固收缩等冶金和凝固行为在零件内部产生极其复杂的热应力、相变组织应力和约束应力及其强烈非线性强耦合交互作用和应力集中，导致零件严重翘曲变形甚至开裂。近年来的研究已经表明，对基材或粉末进行预热能降低成形过程中的热应力，从而减小零件的翘曲变形倾向。当前大多数商用SLM设备都通过对成形平台进行电阻加热的方式达到对基材加热的目的，也有相关专利采用电磁感应方式对基材粉末/粉末预热和成形件保温，如，中国发明专利《一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化***》(申请号：201610954136.5，公开号：CN106563806A，公开日：2017-04-19)；中国发明专利《一种用于激光增材制造的高温粉床***》(申请号：201410188157.1，公开号：CN103990798A，公开日：2014-08-20专利号：)，采用电磁感应的方式对成形平台加热；中国发明专利《一种强磁场下选择性激光熔化SLM成形缸》(申请号：201610661087.6，公开号：CN106141185A，公开日：2016-11-23)，对成形缸内的零件和粉末进行加热和保温。
以上专利都是基于电磁感应中的交变磁场感生涡流的原理，而目前暂未出现本采用直流磁场对激光熔池凝固过程中的液固界面前沿动量和溶质传输施加扰动，改变液固界面的凝固结晶形态，进而达到控制熔池凝固过程中相变应力的目的技术记载。
发明内容
本发明的目的是提供一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，采用直流磁场对激光熔池凝固过程中的液固界面前沿动量和溶质传输施加扰动，改变液固界面的凝固结晶形态，进而达到控制熔池凝固过程中相变应力的目的。
本发明另一目的是提供采用上述装置减缓零件应力的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，包括成形缸，成形缸内设置有驱动电机，驱动电机的输出轴上连接有滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构另一端连接有加热基板，加热基板沿成形缸内侧壁设置，加热基板四周整合有电磁发生器，绕成形缸外壁设置有电磁感应器，电磁感应器设置在成形缸上端，电磁感应器连接有第一电磁发生电源，电磁发生器连接有第二电磁发生电源，第一电磁发生电源和第二电磁发生电源均连接有设备主控***。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
电磁感应器内置有第一励磁线圈，电磁发生器内置有第二励磁线圈，第二励磁线圈连接第二电磁发生电源，第一励磁线圈连接第一电磁发生电源。
电磁感应器还连接有磁场测量仪，磁场测量仪连接设备主控***。
加热基板上还设置有温度传感器，温度传感器连接设备主控***。
第一励磁线圈和第二励磁线圈均为为紫铜材料制成的多砸螺线圈。
加热基板上部设置有导热硅胶片，导热硅胶片上部还设置有屏蔽铜网。
加热基板与成形缸侧壁接触处还设置有保温板，加热基板底部也设置有保温板。
保温板一侧还设置有隔热板。
本发明所采用的第二种技术方案是，采用上述一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置减缓零件应力的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，给成形缸内位于加热基板上安装基材，开启激光选区熔化设备，启动设备主控***，开启第二电磁发生电源，输出适当频率的交流电，开始给基材预热，当达到预定适宜温度时，设备送粉铺粉机构执行铺粉命令，在基材上铺第一层金属粉末；
步骤2，待第一层铺粉完成后，设备主控***给送粉铺粉机构发出命令，关闭送粉铺粉机构，同时设备主控***发出开启第一电磁发生电源的指令，磁场测量仪将当前的磁场强度传输到设备主控***显示界面上，激光扫描振镜同时工作，按零件STL文件信息，执行扫描指令，进行第一层成形；
步骤3，待第一层成形完毕后，设备主控***发出命令关闭第一电磁发生电源，然后给送粉铺粉机构下达指令，在基材上铺第二层金属粉末；
步骤4，重复步骤2完成第二层成形；
步骤5，重复步骤3、4直至零件扫描成形结束。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
在成形过程中，温度传感器将检测到的温度信号实时传输到设备主控***，设备主控***根据温度信号控制调节第二电磁发生电源的输出频率，磁场测量仪将测量到的磁场强度信号实时传输到设备主控***，设备主控***根据磁场强度调节第一电磁发生电源的输出频率。
本发明的有益效果是
1.对粉床激光选区熔化成形设备的改动小，装置简单，易于维护操作和控制。同时由于直流稳恒磁场不会产生感生电磁场，而且热电磁对流效应所需的磁场强度小，因而对设备自身电子元器件产生的影响很小，采取简单屏蔽措施就可防护。
2.本发明提出了采用直流磁场减缓粉床激光选区熔化成形过程中的零件内部组织应力的方法，能够切实有效的降低成形零件的翘曲变形风险，提高了零件的制造效率和成品率。
3.采用直流稳恒磁场与交变磁场相结合的方法，同时控制零件成形过程的热应力和组织应力，相比单一电磁加热或电阻加热方法，进一步降低了零件变形开裂的风险。
附图说明
图1是本发明一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置的结构示意图。
图中，1.铺粉和成形平台，2.基材，3.导热硅胶片，4.电磁感应器，5.第一励磁线圈，6.第二励磁线圈，7.保温板，8.加热基板，9.滚珠丝杠机构，10.磁场测量仪，11.第一电磁发生电源，12.温度传感器，13.第二电磁发生电源，14.设备主控***，15.驱动电机，16.成形缸，17.电磁发生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，结构如图1所示，包括成形缸16，成形缸16内设置有驱动电机15，驱动电机15的输出轴上连接有滚珠丝杠机构9，滚珠丝杠机构9另一端连接有加热基板8，加热基板8沿成形缸16内侧壁设置，加热基板8四周整合有电磁发生器17，绕成形缸16外壁设置有电磁感应器4，电磁感应器4设置在成形缸16上端，电磁感应器4连接有第一电磁发生电源11，电磁发生器17连接有第二电磁发生电源13，第一电磁发生电源11和第二电磁发生电源13均连接有设备主控***14。
电磁感应器4内置有第一励磁线圈5，电磁发生器17内置有第二励磁线圈6，第二励磁线圈6连接第二电磁发生电源13，第一励磁线圈5连接第一电磁发生电源11。
电磁感应器4还连接有磁场测量仪10，磁场测量仪10连接设备主控***14。
加热基板8上还设置有温度传感器12，温度传感器12连接设备主控***14。
第一励磁线圈5和第二励磁线圈6均为为紫铜材料制成的多砸螺线圈。
加热基板8上部设置有导热硅胶片3，导热硅胶片3上部还设置有屏蔽铜网。
加热基板8与成形缸侧壁接触处还设置有保温板7，加热基板8底部也设置有保温板7。
保温板7一侧还设置有隔热板。
本发明一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置的设计思路原理如下：针对高温合金、钛合金、钢等常用SLM成形用金属粉末在粉床熔融成形过程中经常出现的变形开裂问题，通过对成型零件金相分析，发现在激光循环加热和冷却导致的非平衡快速固态相变过程中，上述材料的金相组织往往都会形成针状马氏体，针状马氏体的形态非常有利于诱导萌生裂纹，在较小的热应力下就可能导致零件组织内部出现微裂纹甚至局部开裂。此外，马氏体与奥氏体基体的比容相差较大，在相变过程中会产生相变应力。
由于粉末床激光选区熔化成形零件所具有的枝晶间距小、组织细密的特点，基体对马氏体的应力缓释作用非常小，这也加剧了相变造成的应力集中，最终导致零件薄壁部位容易变形翘曲。
为了提高零件基体组织的应力缓释能力，适当粗化晶粒，增大枝晶间距是一个有效的方法。交变磁场虽然可以产生涡流，起到预热保温的作用，但是对于熔池传质作用甚微，原因在于移动熔池的凝固结晶速率非常快，交变磁场对熔池溶质传输的交互作用受到极大限制。另外一方面，如果进一步提高基材的预热温度，虽然可以减缓激光熔池的凝固速率，延长对熔池的电磁搅拌作用时间，但这又会导致由于温度过高而产生的粉末粘结的问题，影响了激光扫描成形过程。本发明充分考虑了稳横磁场和交变磁场对熔池凝固过程的作用方式和机理，在使用交变磁场对基材适当预热的基础上，关键应用直流磁场中的热电磁对流效应来对熔池的传质施加影响。热电磁对流效应仅仅集中于熔池凝固界面前沿，非常有利于在熔池的短时凝固结晶过程中发挥作用。而且粉末床激光选区熔化成形方式恰好满足了形成热电磁对流效应的两个条件：
(1)凝固***包含两种以上具有不同热电性的组元；
(2)在较高的温度梯度下发生凝固。
本发明一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置的工作原理为：
由于成形基材在加工过程中会逐渐下降，采用将电磁发生装置，即就是电磁感应器4固定整合在成形缸上部的四围侧壁中，成形缸16最上端的平面为铺粉和成形平台1，第一励磁线圈5的顶端与铺粉和成形平台1共面，在安装基材的加热基板8四周设置电磁发生器17，高度与加热基板8厚度相同，电磁发生器17固定整合在基板内，与基板同步运动，为了避免电磁感应器4与电磁发生器17产生磁场交互干扰，对基板处励磁装置进行屏蔽防护，第二励磁线圈6与第二电磁发生电源13连接，第二电磁发生电源13产生频率可调节的交流电，通过励磁线圈6激励形成交变磁场，进而在加热基板8内部感生涡流，通过涡流生热使基板加热，基板通过热传递对成形基材进行传热。为了提高加热效率，在对励磁装置进行屏蔽防护的同时进行隔热保温，控制涡流产生的热量耗散，在第二励磁线圈6与成形缸侧壁间及加热基板8底部安装保温板和隔热板，保温板的材料选用玻璃棉，厚度10-15mm；隔热板的材料选用硅酸铝板，厚度10-15mm。加热基板8上部与基材2之间选用导热性能优良的导热硅胶片，同时安置屏蔽铜网。
另外，安装的温度传感器12的显示端与设备主控***14耦合。加热基板的温度范围控制在400℃以下，通过调节第二电磁发生电源13的交流电输出频率控制升温速率，温度传感器12温度信号传输到设备主控***14，实现设备主控***14对第二电磁发生电源13的反馈调控。由于基板对基材的适度预热作用，在激光扫描成形过程中延缓熔池的凝固速率，更加有利于热电磁对流效应的充分作用。
需要特别说明的是，本发明适用于无磁性粉末，对于磁化粉末由于外加磁场的作用，会影响铺粉后粉末在成形平台1的均匀分布，进而干扰激光扫描成形过程。在本发明中，最关键的技术是准确测量快速移动熔池所处位置的磁场强度，在激光扫描成形零件过程中，虽然铺粉和成形平台1不断下降，但是扫描成形过程始终发生在铺粉层位置高度，因而只需测量该成形平面内磁场的强度分布，并进行调控。基材调平后，铺粉过程开始前，开启设备主控***给电磁感应器4的第一励磁线圈5通电，产生恒定磁场。用方形单匝测量线圈测量基材平面不同位置的磁场强度，掌握铺粉和成形平台1所处平面磁场强度分布规律。测量结果表明，成形平面各处的磁场强度波动小于10-3T，可以近似认为成形平面内磁场强度是均匀分布的。基于以上测量结果，本发明将测量线圈内置于电磁感应器4顶部，测量线圈和铺粉和成形平台1共面，测量线圈与磁场测量仪相连。
本发明采用上述一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置减缓零件应力的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，给成形缸16内位于加热基板8上安装基材2，开启激光选区熔化设备，启动设备主控***14，开启第二电磁发生电源13，输出适当频率的交流电，开始给基材2预热，当达到预定适宜温度时，设备送粉铺粉机构执行铺粉命令，在基材上铺第一层金属粉末；
步骤2，待第一层铺粉完成后，设备主控***14给送粉铺粉机构发出命令，关闭送粉铺粉机构，同时设备主控***14发出开启第一电磁发生电源11的指令，磁场测量仪10将当前的磁场强度传输到设备主控***14显示界面上，激光扫描振镜同时工作，按零件STL文件信息，执行扫描指令，进行第一层成形；
步骤3，待第一层成形完毕后，设备主控***14发出命令关闭第一电磁发生电源11，然后给送粉铺粉机构下达指令，在基材2上铺第二层金属粉末；
步骤4，重复步骤2完成第二层成形；
步骤5，重复步骤3、4直至零件扫描成形结束。
在成形过程中，温度传感器12将检测到的温度信号实时传输到设备主控***14，设备主控***14根据温度信号控制调节第二电磁发生电源13的输出频率，磁场测量仪10将测量到的磁场强度信号实时传输到设备主控***14，设备主控***14根据磁场强度调节第一电磁发生电源11的输出频率。
本发明在开始给基材2预热，若基材为铝合金基材，则最高预热温度为300℃；若基材为钛合金和高温合金及钢基材，则最高预热温度为400℃，开始工作时，应根据所加工基材设置对应的预热温度，当温度高于预热温度时，温度传感器12将检测到的温度信号实时传输到设备主控***14，设备主控***14根据温度信号控制调节第二电磁发生电源13的输出频率，进行温度调节。
由于不同材料对应的最佳磁场强度不同，如TC4钛合金激光熔融凝固对应的最佳磁场强度为0.23T；镍基高温合金对应的最佳磁场强度在0.27T附近。将最佳磁场强度作为预设值输入设备中央主控***14，根据磁场测量仪实时测量的磁场强度值进行反馈补偿调节，确保磁场强度稳定在最佳值。
在零件扫描成形过程中，随着成形基材2高度的下降和成形缸16内粉末量的增加，加热基板8与基材2的热传导条件也在不断发生变化，而粉末的热导率一般为同材料块体金属的1/20。因此，粉末对掩埋在其中的已成形零件部起到了很好的保温作用，这一方面保证了成形过程的温度梯度的大小和方向，另外一方面也减小了第二电磁发生电源13由于温度补偿产生的频率波动范围，有利于设备稳定运行。每扫描成形完一层，循环上述过程，直至零件扫描成形结束。

Claims (10)

1.一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，包括成形缸(16)，所述成形缸(16)内设置有驱动电机(15)，所述驱动电机(15)的输出轴上连接有滚珠丝杠机构(9)，所述滚珠丝杠机构(9)另一端连接有加热基板(8)，所述加热基板(8)沿成形缸(16)内侧壁设置，所述加热基板(8)四周整合有电磁发生器(17)，绕所述成形缸(16)外壁设置有电磁感应器(4)，所述电磁感应器(4)设置在成形缸(16)上端，所述电磁感应器(4)连接有第一电磁发生电源(11)，所述电磁发生器(17)连接有第二电磁发生电源(13)，所述第一电磁发生电源(11)和第二电磁发生电源(13)均连接有设备主控***(14)。
2.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述电磁感应器(4)内置有第一励磁线圈(5)，所述电磁发生器(17)内置有第二励磁线圈(6)，所述第二励磁线圈(6)连接第二电磁发生电源(13)，所述第一励磁线圈(5)连接第一电磁发生电源(11)。
3.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述电磁感应器(4)还连接有磁场测量仪(10)，所述磁场测量仪(10)连接设备主控***(14)。
4.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述加热基板(8)上还设置有温度传感器(12)，所述温度传感器(12)连接设备主控***(14)。
5.根据权利要求2所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述第一励磁线圈(5)和第二励磁线圈(6)均为为紫铜材料制成的多砸螺线圈。
6.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述加热基板(8)上部设置有导热硅胶片(3)，所述导热硅胶片(3)上部还设置有屏蔽铜网。
7.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述加热基板(8)与成形缸侧壁接触处还设置有保温板(7)，所述加热基板(8)底部也设置有保温板(7)。
8.根据权利要求7所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置，其特征在于，所述保温板(7)一侧还设置有隔热板。
9.采用如权利要求1所述的一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置减缓零件应力的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，给成形缸(16)内位于加热基板(8)上安装基材(2)，开启激光选区熔化设备，启动设备主控***(14)，开启第二电磁发生电源(13)，输出适当频率的交流电，开始给基材(2)预热，当达到预定适宜温度时，设备送粉铺粉机构执行铺粉命令，在基材上铺第一层金属粉末；
步骤2，待第一层铺粉完成后，设备主控***(14)给送粉铺粉机构发出命令，关闭送粉铺粉机构，同时设备主控***(14)发出开启第一电磁发生电源(11)的指令，磁场测量仪(10)将当前的磁场强度传输到设备主控***(14)显示界面上，激光扫描振镜同时工作，按零件STL文件信息，执行扫描指令，进行第一层成形；
步骤3，待第一层成形完毕后，设备主控***(14)发出命令关闭第一电磁发生电源(11)，然后给送粉铺粉机构下达指令，在基材(2)上铺第二层金属粉末；
步骤4，重复步骤2完成第二层成形；
步骤5，重复步骤3、4直至零件扫描成形结束。
10.根据权利要求9所述的减缓零件应力的方法，其特征在于，在成形过程中，温度传感器(12)将检测到的温度信号实时传输到设备主控***(14)，设备主控***(14)根据温度信号控制调节第二电磁发生电源(13)的输出频率，磁场测量仪(10)将测量到的磁场强度信号实时传输到设备主控***(14)，设备主控***(14)根据磁场强度调节第一电磁发生电源(11)的输出频率。
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