CN113909635A - 一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法 - Google Patents

一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，涉及增材制造领域，包括电弧双丝增材制造机架主体、电弧发生装置、电磁线圈、电源、送丝机构以及工作台，其中，电磁线圈安装在所述电弧发生装置的焊枪上，保证电磁场始终作用于电弧融化金属焊丝所产生的熔池上。本发明还公开了一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，利用电弧作为热源，作用于两种不同成分的金属焊丝，调整金属焊丝的角度，并使其熔化形成所述熔池，熔池在电磁力作用下，获得充分流动。本发明能够实现直流磁场、交变磁场的灵活调控，具有非接触、灵活调控、成本低等优点，可以实现电弧双丝增材制造合金组织和性能的改善。

Description

一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法。
背景技术
增材制造是以数字模型为基础，将软件与数控***相结合，逐层堆积材料，制造三维实体工件的制造技术。与传统的金属材料加工成型技术相比，增材制造技术可以成型大尺寸、复杂结构零件，工序简单、无需模具，很大程度缩短了生产周期，降低了成形件的设计和制造成本。此外，与传统工艺相比，增材制造过程，冷却速度相对较快，降低了缩松、缩孔等缺陷的形成倾向，形成晶粒尺寸细小的组织，有利于获得性能优良的合金成形件。根据增材制造技术的特点，可以将其分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造技术。其中，电弧增材制造技术是以电弧作为热源，例如：等离子弧焊(PAW)、钨极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MIG、MAG、CMT)等，在金属基板上，按照设定路径对熔化的金属焊丝进行逐层熔敷堆积成形。与其它成形技术相比，具有成形速度快、成本低、生产效率高、材料利用率高、致密度好等优点。传统的电弧增材制造技术，通常采用单丝进行增材制备相应成分的金属组件。近些年，电弧增材制造技术还可以使用两个独立的送丝机构，通过调整送丝速度，按照一定的比例，分别将两种不同成分的焊丝同时添加到电弧熔池中，逐层沉积，实现增材制造异于给定焊丝成分的合金。因此，可以根据目标材料的成分配比，选择相应的合金焊丝以及送丝比例，电弧增材制造目标材料的成形件。
由于增材制造具有逐层沉积的特点，在成形的过程中，导致沉积金属具有较大的温度梯度，因此，增材制造成形件易产生柱状晶组织，从而导致力学性能呈现各向异性特征。并且，已沉积层经历反复的加热、冷却循环过程，还会导致组织晶粒粗化以及较大的残余应力、变形以及裂纹等问题，对成形件的性能产生不利影响，不利于其生产应用。电弧双丝增材制造合金技术，是将两个不同成分的焊丝送进熔池，在电弧力的作用下，将两者混合，逐层沉积，制备目标合金成形件。然而，由于两种合金焊丝的液态熔滴的性质的差异，例如：熔点、密度、润湿性等，致使成分很难充分混合。众所周知，合金的成分是影响材料组织性能的一个重要因素，因此，成分的均匀性对于合金的性能起着至关重要的作用。例如，对于TiAl合金，根据Ti-Al二元相图，在较小的Al含量范围内，包含两个包晶反应，因此，TiAl合金的组织对Al含量的变化非常敏感。在电弧双丝增材制备TiAl合金时，在电弧的作用下，根据目标成分比例，按照一定的送丝速度比值，将Ti丝和Al丝同步送进熔池，逐层沉积，制备TiAl合金成形件。然而，由于Ti和Al的物理性质相差很大(熔点：Ti 1660℃，Al 660℃；密度：Ti 4.5g/cm3，Al 2.7g/cm3)。即使通过调整Ti丝和Al丝的送丝角度，优化焊接工艺参数，仅在电弧力的作用下，Ti熔滴和Al熔滴在熔池中也不易实现两种成分的充分混合，从而对增材制备的TiAl合金成形件的组织均匀性产生重要影响，进而影响其力学性能。
近年来，科研人员将电磁技术应用到焊接等材料制备加工领域，改善了材料的组织，并提高了其力学性能。外加磁场技术，具有设备简单、成本低、效率高、耗能少等优点。研究表明，在电磁作用的焊接中，外加磁场可以促进电弧发生旋转，改变弧柱等离子流和电流密度的径向分布，影响熔池的加热熔化过程以及焊缝成形，进而促进熔池的流动。在电磁力的作用下，熔池被充分搅拌，减少了化学成分的不均匀性，降低气孔等缺陷的形成倾向。同时，枝晶破碎，促进了组织的非均匀形核，从而细化了晶粒，促进柱状晶向等轴晶转变，改善了焊缝的力学性能。
综上所述，电弧双丝增材制造合金的技术面临一些亟待解决的关键性问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法，其可以改善电弧双丝增材制造合金组织和性能，促进其进一步发展。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是电弧双丝增材制造合金过程中所存在的晶粒粗大、取向明显、成分不均匀等的问题，达到改善增材制造合金件组织性能的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，包括电弧双丝增材制造机架主体、电弧发生装置、电磁线圈、电源、送丝机构以及工作台，其中，所述电磁线圈安装在所述电弧发生装置的焊枪上，保证电磁场始终作用于电弧融化金属焊丝所产生的熔池上，所述金属焊丝包括第一焊丝和第二焊丝。
优选地，所述电弧产生方法为等离子弧焊、钨极氩弧焊、熔化极活性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊以及冷金属过渡焊中的任一种。
优选地，所述第一焊丝和所述第二焊丝采用钛丝、铝丝、镍丝和铜丝中的任意两种组合，制备金属间化合物合金。
优选地，所述第一焊丝和所述第二焊丝分别采用Al-Cu焊丝和Al-Mg焊丝。
优选地，所述电源具有直流和交流两种电流模式，通过调节所述电流模式控制所述电磁线圈分别形成直流磁场和纵向交变磁场。
优选地，所述电磁线圈同轴地安装在所述电弧发生装置的焊枪上。
本发明还提供了一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，使用外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，利用所述电弧作为热源，作用于两种不同成分的所述金属焊丝，调整所述金属焊丝的角度，并使其熔化形成所述熔池，所述熔池在电磁力作用下，获得充分流动。
优选地，所述电磁场的强度、频率、方向为灵活调控的，并能实现直流磁场和交变磁场的灵活转变。
优选地，所述电磁场的类型为纵向磁场。
优选地，通过改变所述电源电流的大小、极性及频率改变所述电磁场的特征。
在本发明的较佳实施方式中，在电弧双丝增材制造合金的过程中施加外加纵向磁场，在电磁力的作用下，电弧围绕轴线旋转。电弧的等离子流和电流密度的径向分布发生改变，并且增加了电弧的挺度和稳定性。同时，流动的熔池金属产生感应电流，受到电磁力的作用，促进了熔池的搅拌，改善了焊缝质量。根据金属凝固理论，组织的形貌以及晶粒的大小与两个方面有关，即形核率和过冷度。在电磁场的作用下，熔池快速搅拌，造成熔池中树枝晶发生破碎，并且也会导致半熔化晶粒与基体分离，使之进入熔池，成为结晶核心，从而提升了形核率。此外，熔池的快速流动，也会促进熔池温度的均匀化，降低温度梯度，导致成分过冷度增加，也促进了熔池金属的结晶形核。基于以上两个方面，在外加电磁场的作用下，熔池金属的的晶粒得以细化，促进了凝固组织形貌从柱状晶向等轴晶的转变。在电磁场的作用下，熔池金属被充分搅拌，也促进了电弧双丝增材制造过程中，两种合金成分的充分混合，减少了化学成分的不均匀性，进而组织的不均匀性也明显改善，有利于增材制造合金件力学性能的提高。同时，电磁对熔池的搅拌作用，降低温度梯度，进而也会降低沉积件的残余应力。
在本发明的另一较佳实施方式中，电磁线圈同轴安装在电弧发生器焊枪上，在电弧增材制造的过程中，始终保持电磁力能够作用于电弧产生的熔池中。
在本发明的另一较佳实施方式中，在纵向直流磁场的作用下，熔池中形成恒稳磁场。在一定的范围内，随着磁场电流的增加，磁场强度逐渐增强，熔池受到的电磁力也随之逐渐增大，熔池的搅拌也愈加剧烈。在电磁力的作用下，在熔池前部的高温液态金属被推向熔池尾部，促进了熔池的流动，树枝晶破碎，增加了熔池金属的形核率，达到细化晶粒，均匀成分的目的。
在本发明的另一较佳实施方式中，在外加交变纵向磁场的作用下，电弧发生周期性正反向旋转，在电磁力的作用下，熔池金属也发生相应的旋转，并促使熔池前部的高温液态金属周期性的向熔池尾部推动，导致熔池中的温度梯度等特征发生相应的周期性变化。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明的设备装置包括电弧双丝增材制造设备和电磁场发生装置，电磁场可以实现对电弧双丝增材制造合金组织的在线实时、不接触控制，并可以通过该装置体系，探究电磁场对电弧双丝增材制造合金过程中成分均匀性、组织特征以及沉积件性能的影响规律，从而改善合金组织性能，推动电弧双丝增材制造技术的发展应用。
(2)电磁线圈安装在电弧发生器焊枪上，工艺简单、操作方便，可以保证在增材制造的过程中，熔池与形成的电磁场处于相对静止状态，确保电磁场对熔池作用的稳定性。
(3)电磁线圈安装在电弧发生器焊枪上，不会对增材制造成型过程中路径的选择、合金的成形等造成干涉。
(4)电磁场可以实现直流电磁场和交流电磁场的灵活切换，并可以灵活方便的调节电压、电流，从而改变磁场的强度、方向、频率等，最终可以实现对电弧双丝增材制造合金组织的灵活调控。
(5)本发明装置可以适应各种类型的电弧增材制造设备，例如等离子电弧、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、冷金属过渡焊等，实现改善增材制造合金内部成分的均匀性、细化晶粒等目的。
(6)在外加磁场的作用下，可以电弧双丝增材制备多种合金类型，例如：TiAl合金、NiTi合金等，但不限于以上所述合金。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造合金的装置示意图。
其中，1-电弧发生装置；2-熔滴；3-第一焊丝；4-第二焊丝；5-金属基板；6-工作台；7-增材制造沉积合金组件；8-熔池；9-电弧；10-电源；11-电磁线圈。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，一种能进行外加电磁场控制和电弧双丝增材制造合金的装置，主要包括以下几个部分：电弧发生装置1、电源10、电磁线圈11、第一焊丝3、第二焊丝4、金属基板5、工作台6、送丝机等。电磁作用装置包括电源10和电磁线圈11，电源10具有直流和交流两种模式，可以分别形成直流磁场和纵向交变磁场，通过调节该电流模式，电磁线圈11可以产生相应的磁场。电弧发生装置1为等离子弧焊枪，电磁线圈11安装等离子弧焊枪上，可以保证电磁力始终能够作用于电弧熔化两根异种材料焊丝(第一焊丝3和第二焊丝4)形成的熔池8内。第一焊丝3和第二焊丝4可以采用钛丝、铝丝、镍丝、铜丝等金属丝材中的2种组合制备金属间化合物合金，例如：钛铝、镍钛等；或者采用商用Al-Cu焊丝和Al-Mg焊丝制备新型铝合金Al-Cu-Mg等。在电弧双丝增材制造的过程中，调整第一焊丝3和第二焊丝4两种焊丝的角度，使之在等离子弧的作用下，熔化形成熔池8。与此同时，通过电磁作用装置施加外部磁场，给处于熔池8中的液态金属施加电磁力，进行不接触干预。在电磁场的作用下，流动的熔池8会产生感应电流，此外，在熔池8边缘的固液界面处也能够产生热电流，使熔池8中的液态金属受到电磁力的作用，促进熔池8充分流动，使熔池8的成分分布更加均匀，并且树枝晶端部破碎，形成大量的结晶核心，增加了形核率。同时，熔池8的温度梯度减小，成分过冷度相应增加，也促进了形核，增加了形核率，最终细化了晶粒。在此过程中，可以通过改变控制电磁场的电源10的电流大小、极性以及频率，以改变电磁场的特征，使之产生符合目标的磁场，从而最终达到改善沉积合金成分均匀性以及组织和性能的目的。
本发明若以熔化极气体保护焊焊枪作为电弧热源，则只需要图1中的等离子弧焊枪更换成相应的焊枪，电磁线圈仍然装配在相应的焊枪上，根据需要调整相应的送丝机构，不需要改变其它装置，作用原理也没有发生变化。产生电弧的方法，可以为等离子弧焊(PAW)、钨极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(GMAW、GMIW)、冷金属过渡焊(CMT)等。
本发明是在电弧双丝增材制造的过程中，通过放置外加磁场，熔池在电磁力的作用下，经受充分搅拌，从而达到均匀成分，细化晶粒，消除沉积件内部缺陷，提升材料性能的目的。
外加电磁场的特征如下：磁场的强度、频率以及方向可调，也可以通过调节电源的模式，变换磁场的性质(直流磁场、交变磁场)。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，包括电弧双丝增材制造机架主体、电弧发生装置、电磁线圈、电源、送丝机构以及工作台，其中，所述电磁线圈安装在所述电弧发生装置的焊枪上，保证电磁场始终作用于电弧融化金属焊丝所产生的熔池上，所述金属焊丝包括第一焊丝和第二焊丝。
2.如权利要求1所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，所述电弧产生方法为等离子弧焊、钨极氩弧焊、熔化极活性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊以及冷金属过渡焊中的任一种。
3.如权利要求1所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，所述第一焊丝和所述第二焊丝采用钛丝、铝丝、镍丝和铜丝中的任意两种组合，制备金属间化合物合金。
4.如权利要求1所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，所述第一焊丝和所述第二焊丝分别采用Al-Cu焊丝和Al-Mg焊丝。
5.如权利要求1所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，所述电源具有直流和交流两种电流模式，通过调节所述电流模式控制所述电磁线圈分别形成直流磁场和纵向交变磁场。
6.如权利要求1所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，其特征在于，所述电磁线圈同轴地安装在所述电弧发生装置的焊枪上。
7.一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，其特征在于，使用如权利要求1～6中任一项所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置，利用所述电弧作为热源，作用于两种不同成分的所述金属焊丝，调整所述金属焊丝的角度，并使其熔化形成所述熔池，所述熔池在电磁力作用下，获得充分流动。
8.如权利要求7所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，其特征在于，所述电磁场的强度、频率、方向为灵活调控的，并能实现直流磁场和交变磁场的灵活转变。
9.如权利要求7所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，其特征在于，所述电磁场的类型为纵向磁场。
10.如权利要求8所述的外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的方法，其特征在于，通过改变所述电源电流的大小、极性及频率改变所述电磁场的特征。
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