基于四极磁场控制电弧增材制造的方法及四极磁场系统与流程

本发明涉及增材制造域技术领域，具体为基于四极磁场控制电弧增材制造的方法及四极磁场系统。

背景技术：

金属增材制造技术是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志[1]。现在较为成熟的技术增材制造技术包括激光选区熔化技术(slm)、电子束选区熔化技术(ebsm)、电子束熔丝沉积技术(ebff)和激光立体成形技术(lsf)、电弧熔丝增材制造技术(waam)等。电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将金属丝材熔化，然后按设定形成路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形结束。增材零件由焊缝金属组成，冶金结合性能好、致密性高，并且相比于激光、电子束增材技术，电弧熔丝增材制造技术具有低成本、快成形速率、增材大尺寸复杂件等优点。

然而，由于电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的，电弧稳定性差，随堆积层数增加，堆积零件热积累严重、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制、焊缝晶粒粗大。因此，电弧增材制造的金属零件的尺寸精度、表面质量、内部组织成分都存在较大问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出基于四极磁场控制电弧增材制造的方法及四极磁场系统，旨在解决电弧增材制造过程中电弧刚性低、稳定性差、能量密度小，造成增材制造的零件尺寸精度、表面质量、内部组织成分都存在较大问题的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出基于四极磁场控制电弧增材制造的方法，包括以下步骤：

建立零件实体几何模型，对零件几何模型进行切片和路径规划；

将切片和路径规划数据导入到工作平台控制系统，设置需要控制的参数；

对焊接机器人进行零点标定；

调节焊枪位置，使其置于四极磁场系统中心；

设定焊接工艺参数；

调节四极磁场系统的激励电流，控制电弧形态；

对增材基板进行增材制造。

优选地，在步骤“调节四极磁场系统的激励电流，控制电弧形态”中，若对磁性材料进行增材制造，则控制电弧的形态不对称的扇形，若对非磁性材料进行增材制造，则控制电弧的形态为椭圆锥形。

优选地，在步骤“对增材基板进行增材制造”之前，先对所述增材基板进行表面清洁，做好焊前准备。

优选地，所述增材基板的厚度≥10mm，所述增材基板的长度和宽度均≥150mm；丝材直径为0.8-2.0mm。

优选地，焊接工艺参数为：电流为140-160a，电弧电压为12-16v，送丝速度为0.4-0.6m/min，焊接速度为2-3mm/s。

优选地，四极磁场中线圈的激励电流≤5a。

本发明还提出一种四极磁场系统，用于执行如上所述的增材制造的方法，包括四个磁极组件，，所述四个磁极组件沿焊枪周缘依次设置，且相邻两个磁极组件磁性相反；所述磁极组件包括电磁线圈、磁导体、磁极、铁芯和磁极夹板，所述电磁线圈绕设在所述铁芯上，所述磁导体设置于所述铁芯下端，所述磁极夹板将所述磁极固定在所述磁导体上。

优选地，还包括两个连接板，每个连接板下端固定有两个磁极组件。

本发明基于四极磁场控制电弧增材制造的方法及四极磁场系统，通过设置四极磁场系统，控制电弧的形态，提高电弧稳定性，提高输入效率；同时，在电磁力的作用下，能有效控制熔池流淌，控制焊缝成型，提高表面质量；并且，熔池中存在电磁搅拌作用，可以细化晶粒，提高焊缝组织性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明增材制造方法工艺步骤流程图；

图2为本发明实施例一四极磁场系统控制下电弧形态图；

图3为本发明四极磁场系统结构示意图；

图4为本发明四极磁场系统剖面结构示意图。

附图标号说明：

1-磁极组件，11-电磁线圈，12-磁导体，13-磁极，14-铁芯，15-磁极夹板，2-连接板，a1-无磁场作用下电弧正面形态，a2-无磁场作用下电弧侧面形态，b1-四极磁场系统作用下电弧正面形态，b2-四极磁场系统作用下电弧侧面形态。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，基于四极磁场控制电弧增材制造的方法，包括以下步骤：

建立零件实体几何模型，对零件几何模型进行切片和路径规划；

将切片和路径规划数据导入到工作平台控制系统，设置需要控制的参数；

对焊接机器人进行零点标定；

调节焊枪位置，使其置于四极磁场系统中心；

设定焊接工艺参数；

调节四极磁场系统的激励电流，控制电弧形态；

对增材基板进行增材制造。

具体地，对需要制造的零件进行建立实体几何模型，将零件模型导入计算机中进行切片和加工路径规划；

将切片和加工路径规划数据导入到增材制造工作平台控制系统，然后设置需要控制的参数，如行走路径、行走速度等；

对焊接机器人进行零点标定，使焊接机器人坐标系与三维软件坐标系重合，确保机器人以三维软件规划的路径进行增材制造加工；

调整焊枪的位置，使其置于四极磁场系统的中心，所述四级磁场由四个磁极组成，包括两个n极磁极、两个s极磁极，且同性磁极处于对角位置(即两个n极磁极的连线和两个s极磁极的连接相交)；

设定焊接工艺参数，工艺参数包括焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度等；

调节四极磁场的激励电流，进而控制电弧形态；

对增材基板进行增材制造，生成实体零件。

在电弧增材制造过程中，电弧位于四极磁场系统的中间，四极磁场系统中，两个同性磁极处于对角位置，s极的连线和n极的连线相交产生一个交点，该交点即为四极磁场系统的中间位置，焊枪则处于该交点位置，由于“同性相斥”，所以电弧在电磁场的作用下被压缩，通过调整四极磁场系统的激励电流，来控制电弧的形态，使其被压缩。电弧进行电磁压缩，使电弧的刚性增强，从而提高了电弧的稳定行；电弧延增材方向被拉伸，垂直于增材方向被压缩，能量密度增加，更多热量延增材方向传导，从而提高了热输出效率；同时，在横向磁场产生的电磁力f＝j×b作用下,熔池内液态金属能够定向流淌，控制焊缝成型，提高表面质量；并且，四极磁场系统中纵向磁场对熔池液态金属产生的电磁力能够加快液态金属的循环流动，对熔池起到搅拌作用，可以细化晶粒，提高焊缝组织性能。

进一步地，在步骤“调节四极磁场系统的激励电流，控制电弧形态”中，若对磁性材料进行增材制造，则控制电弧的形态不对称的扇形，若对非磁性材料进行增材制造，则控制电弧的形态为椭圆锥形。

当对磁性材料进行增材制造时，单独调节四个磁极的激励电流，控制电弧的形态为不对称的扇形。由于磁性材料具有居里温度(即磁性转变点)，当磁性材料的温度高于居里温度时，原来的磁性就会消失，变成非磁性材料；而在增材制造过程中，由于焊枪在融化焊丝时，所产生的温度较高，因此会造成熔池部位温度超过居里温度，使该部分的磁性消失，变成非磁性材料，但其他部位仍为磁性材料。而且磁性材料具有导磁作用，若所加的激励电流相同，则会造成熔池前后磁性不对称，熔池前端的磁场会比较小，熔池后端的磁场比较大，这样通过增材制造所生产出来的成品，质量较差。所以当对磁性材料进行增材制造时，通过控制激励电流的大小，来控制熔池中的电磁场力和控制电弧的形态为不对称的扇形，使电弧更加稳定，所增材制造的成品质量更高。

当对非磁性材料进行增材制造时，四个磁极设置为相同的激励电流，控制电弧的形态为椭圆锥形。由于非磁性材料本身没有磁性，不具有居里温度，故不存在加热到一定温度后会造成磁性消失的情况。所以此时只需加入相同的激励电流，既能压缩电弧，控制电弧的形态为椭圆锥形，以增强电弧的刚性，提高电弧的稳定性。

针对不同类型的材料，可以通过控制激励电流，进而控制电弧的形态和熔池中的电磁场大小，以使电弧的形态更加稳定、能量密度更大、热传输效率更高。

进一步地，在步骤“对增材基板进行增材制造”之前，先对增材基板进行表面清洁，做好焊前准备。

对增材基板进行表面清洁，能避免增材基板上留有污物、杂质，影响所制造的零件的质量。

进一步地，增材基板的厚度≥10mm，增材基板的长度和宽度均≥150mm；丝材直径为0.8-2.0mm。

随着基板厚度的增加,成形件第一主应力的大应力区域面积逐渐缩小,成形件纵向残余应力最大值略有波动但相对稳定,基板翘曲变形减小,基板厚度对成形件变形和精度的影响也越来越小，所以增材基板的厚度应当大于等于10mm；增材基板具体的长度和宽度应当根据需要制造的零件实体的尺寸决定，但为了保证零件实体的成型效果，且方便焊接机器人增材制造，零件实体的尺寸不宜过小，所以增材基板的长度和宽度应当均大于等于150mm；丝材直径如果过小，则熔化过快，较难堆焊成型，使增材制造的成品硬度降低，质量降低，若丝材直径过大，则焊丝加热时间增加，产生焊缝，同样影响成品质量，所以丝材直径为0.8-2.0mm时几乎能满足不同尺寸、不同材料的实体零件增材制造，也能保证成品的质量。

进一步地，焊接工艺参数为：电流为140-160a，电弧电压为12-16v，送丝速度为0.4-0.6m/min，焊接速度为2-3mm/s。

焊接电流过小，不仅引弧困难，而且电弧也不稳定，会造成未焊透和夹渣等缺陷；由于焊接电流过小使热量不够，还会造成焊条的熔滴堆积在表面，使焊缝成形不美观；如果焊接电流过大，不但容易产生烧穿和咬边等缺陷，而且还会使合金元素烧损过多，并使焊缝过热，造成接头热影响区晶粒粗大，影响焊缝机械性能。相应地，焊接电压与焊接电流有一定的对应关系，，因此焊接电流对增材制造的影响与焊接电压对增材制造的影响具有一定的对应关系。送丝速度如果过慢，电流将丝材溶断了但丝材没有及时送达，造成焊接不连续，焊点不平滑，出现断点焊接；如果过快，电流溶断丝材的时间比送丝时间大，而丝材继续送到无法溶断，造成粘连只在焊丝间通电。如果焊接速度过快，气体的保护作用就会受到破坏，同时使焊缝的冷却速度加快，这样就会降低焊缝的塑性，而且使焊缝成形不良；反之，如果焊接速度太慢，焊缝宽度就会明显增加，熔池热量集中，容易发生烧穿等缺陷。因此，焊接的工艺参数大大影响了增材制造的成品的质量，本技术方案中，焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度的数值设置之间具有一定的配合关系，一般情况需要同时调整多个参数以使保证焊接质量，当焊接工艺参数在上述的相应范围内时，能保证焊接质量，进而保证增材制造成品的质量。

进一步地，四极磁场中线圈的激励电流≤5a。

如上所述，通过控制激励电流的大小来调整磁场力的大小和控制电弧的形态，在该数值范围内，电弧能够被压缩成一定的形状，以满足不同的基材材料，同时能保证电弧的稳定性。

实施例一

以采用四极磁场控制电弧增材制造非磁性材料高氮钢零件为例为例，包括以下步骤：

建立零件实体几何模型，将零件几何模型导入计算机中进行切片和路径规划；

将切片和路径规划数据导入到工作平台控制系统，设置需要控制的参数，比如行走路线、行走速度等；

在加工准备阶段，先对增材基板进行表面清洁，做好焊前准备，增材基板和丝材的材料相应采用与之对应的磁性材料，即增材基板材质为高氮钢，丝材为高氮钢丝材；

对焊接机器人进行零点标定，使焊接机器人坐标系与三维软件坐标系重合，确保机器人以三维软件规划的路径进行增材制造加工；

调节焊枪在四极磁场中的位置，使其处于四极磁场系统中心；四极磁场系统主要由四个磁极组成，其中两个为n极磁极，两个为s极磁极，并且两个n极磁极的连线与两个s极磁极的连线相交，焊枪的位置就在两条连线的交点处；

设定焊接工艺参数，具体参数为：电流为150a，电弧电压为14v，送丝速度为0.5m/min，焊接速度为2mm/s；

调节四极磁场系统各个磁极的激励电流为3a，控制电弧的形态为椭圆锥形；

对增材基板进行增材制造成型，生成实体零件。

实施例二

以采用四极磁场控制电弧增材制造磁性材料铁镍合金为例，包括以下步骤：

建立零件实体几何模型，将零件几何模型导入计算机中进行切片和路径规划；

将切片和路径规划数据导入到工作平台控制系统，设置需要控制的参数，比如行走路线、行走速度等；

在加工准备阶段，先对增材基板进行表面清洁，做好焊前准备，增材基板和丝材的材料相应采用铁镍合金材质；

对焊接机器人进行零点标定，使焊接机器人坐标系与三维软件坐标系重合，确保机器人以三维软件规划的路径进行增材制造加工；

调节焊枪在四极磁场中的位置，使其处于四极磁场系统中心；四极磁场系统主要由四个磁极组成，其中两个为n极磁极，两个为s极磁极，并且两个n极磁极的连线与两个s极磁极的连线相交，焊枪的位置就在两条连线的交点处；

设定焊接工艺参数，具体参数为：焊接电流为140a，焊接电压为12v，送丝速度为0.6m/min，焊接速度为3mm/s；

调节四极磁场系统中两个n极磁极的激励电流为2a，两个s极磁极的激励电流为4a，控制电弧的形态为不对称的扇形；

对增材基板进行增材制造成型，生成实体零件。

本发明另一方面，如图3至图4所示，一种四极磁场系统，用于执行如上所述的增材制造的方法，包括四个磁极组件1，，所述四个磁极组件1沿焊枪周缘依次设置，且相邻两个磁极组件1磁性相反；所述磁极组件1包括电磁线圈11、磁导体12、磁极13、铁芯14和磁极夹板15，所述电磁线圈11绕设在所述铁芯14上，所述磁导体12设置于所述铁芯14下端，所述磁极夹板15将所述磁极13固定在所述磁导体12上。

四极磁场系统用于电弧增材制造中，控制电弧的形态，提高电弧的稳定性。所述电磁线圈11套设在所述铁芯14外部，所述磁导体12通过螺丝与所述铁芯14连接，所述磁极夹板15与所述磁导体12通过螺丝连接将所述磁极13夹紧固定在两者之间。如前面所述，四个磁极组件1中的四个磁极13分别为两个n极、两个s极，且两个n极之间的连线与两个s极之间的连线相交，该四极磁场系统通过设置四个磁极组件1，提高电弧稳定性，使电弧能稳定燃烧；而且还可以根据需求，通过改变四级磁场系统的激励电流，来改变电弧的形态，从而提高热源效率；在增材制造设备中设置该四极磁场系统，可实现增材制造零件良好的表面成形以及微观组织的均匀性，提高增材制造零件的强度。

进一步地，还包括两个连接板2，每个连接板2下端固定有两个磁极组件1。两个带有不同磁性的磁极组件1固定在一个连接板2上，具体为通过螺丝将所述铁芯14固定在所述连接板2上。在使用时，将该四极磁场系统通过所述连接板2固定在焊接机器人上，且使焊枪的焊接部位位于该四极磁场系统中心。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。