一种电弧熔丝增材制造的成形方法技术

本发明专利技术公开了一种电弧熔丝增材制造的成形方法，所述方法包括：将钳式电磁铁与电弧焊枪分别固定于机器人上，使二者与工件基板之间存在不同的倾斜角，在钳式电磁铁产生的稳恒横向磁场下进行电弧熔丝增材制造；其中，根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，以实现改善焊缝成形、减小内部气孔缺陷、细化内部晶粒并抑制元素偏析；横向磁场的最佳磁场强度与最终成形产品的磁性大小成正相关。本发明专利技术优化残余应力分布，减小或消除微气孔缺陷，促进熔池散热，细化焊缝组织，抑制元素偏析，综合提升电弧增材构件的力学性能和耐腐蚀性能。且本发明专利技术根据最终成形产品的磁性大小，调整横向磁场的磁场强度，弥补了这一方面研究的空白。研究的空白。研究的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧熔丝增材制造的成形方法


[0001]本专利技术属于增材制造
，更具体地，涉及一种电弧熔丝增材制造的成形方法。

技术介绍

[0002]电弧熔丝增材制造技术是以电弧为热源熔化合金丝材，并基于冷金属过渡工艺，根据三维模型的切片算法和机器人的运动轨迹，由二维到三维逐层堆积增材成形的一种先进制造技术。相比于激光、电子束增材，电弧熔丝增材制造的效率更高，而且突破了密闭空间保护的限制，在成形大尺寸、复杂构件时愈加突显出高效率、低成本的优势。
[0003]目前关于电弧熔丝增材制造技术，已被应用于不锈钢、模具钢、高强钢、铝合金、镍基合金和钛合金等领域。为了减小或消除增材构件的内部气孔缺陷以及改善显微组织和力学性能，一些复合工艺如后续热处理、后续锻造、实时高频微铸锻、电磁辅助等也相继出现。例如，在专利文献CN105328317A中公开了一种外加纵向磁场控制CO2焊接飞溅率的系统，以减少熔滴短路过渡阶段的飞溅。在专利文献CN105798425A中公开了一种外加纵向磁场控制TIG焊接残余应力的系统，以降低焊缝温度梯度，优化残余应力分布。在专利文献CN108856973A中公开了一种可调节外加纵向磁场的电弧焊接系统，希望通过磁场搅拌作用，细化晶粒，提高焊接质量。在专利文献CN110802304A中公开了一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法，希望通过电磁力来支撑熔池，并减小焊接接头的残余应力。但以上现有技术中对于外加磁场辅助焊接的装置和方法研究，主要采用的是纵向磁场，而且平台搭建较为复杂,操作流程繁琐，投资成本较高，而且外加磁场对熔池形貌优化、晶粒细化、飞溅率降低、残余应力分布改善等缺乏较为充分的试验验证。
[0004]另外，在磁控辅助焊接领域，目前施加的横向磁场多是固定于金属工件下方的定磁场，且用于平板对接焊。固定的磁场对电弧熔丝增材制造的复杂构型形成限制。并且，目前未涉及到对产品中磁性与磁控辅助电弧熔丝增材制造之间的关系和研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种电弧熔丝增材制造的成形方法，其目的在于通过施加原位稳恒的横向磁场，实时调控增材过程中电弧的形态和减小熔池内后向液体流的动量，以改善焊缝的成形形貌，优化残余应力分布，减小或消除微气孔缺陷，促进熔池散热，细化焊缝组织，抑制元素偏析，综合提升电弧增材构件的力学性能和耐腐蚀性能。并根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，弥补了这一方面研究的空白。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种电弧熔丝增材制造的成形方法，所述方法包括：将钳式电磁铁与电弧焊枪分别固定于机器人上，使二者与工件基板之间存在不同的倾斜角，在钳式电磁铁产生的稳恒横向磁场下进行电弧熔丝增材制造；其中，根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，以实现改善焊缝成形、减小
内部气孔缺陷、细化内部晶粒并抑制元素偏析；所述横向磁场的最佳磁场强度与最终成形产品的磁性大小成正相关。
[0007]优选地，所述根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，具体为：在最终成形产品中面心立方的比例大于85％时，所述钳式电磁铁在焊丝末端产生的横向磁场的磁场强度≤20.7mT；在最终成形产品中体心立方的比例大于95％时，所述钳式电磁铁在焊丝末端产生的横向磁场的磁场强度为26.4mT～59.6mT。
[0008]优选地，所述钳式电磁铁产生的横向磁场通过在钳式电磁铁上连接直流励磁电源得到，所述直流励磁电源的励磁电流根据最终成形产品的磁性大小进行调整，在最终成形产品中面心立方的比例大于85％时，所述直流励磁电源的励磁电流≤1.5A，电压≤7.45V；在最终成形产品中体心立方的比例大于95％时，所述直流励磁电源的励磁电流为2A～4A，电压为9.54V～18.18V。
[0009]优选地，所述电弧焊枪与工件基板之间的倾斜角为45
°
～60
°
，所述钳式电磁铁的磁极与工件基板之间的倾斜角为120
°
～135
°
。
[0010]优选地，所述电弧熔丝增材制造中焊丝直径为1.2mm,焊丝干伸长量为10mm，焊丝末端点与磁极中心的水平距离为15～20mm。
[0011]优选地，所述电弧熔丝增材制造的送丝速度5.2～11.5m/min，扫描速度为42～80cm/min，保护气体为80％氩气+20％CO2的混合气，保护气体流量为18～20L/min。
[0012]优选地，所述抑制元素偏析为选择性抑制氧元素和硅元素的偏析，尤其地，对于316L而言，抑制氧元素和硅元素的偏析程度分别为25％和19％。
[0013]优选地，所述改善焊缝成形为熔宽增加、余高降低，且焊缝区的深度减小，熔合线深度变浅。
[0014]优选地，在将钳式电磁铁固定于机器人上之前，将所述钳式电磁铁的电磁线圈和两个磁极的表面用特氟龙胶带包覆。
[0015]优选地，进行电弧熔丝增材制造之前对工件基板表面的氧化膜进行预处理，所述预处理为打磨，并用丙酮清洁工件基板表面的油污。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0017](1)本专利技术中将横向磁场应用于电弧熔丝增材制造中，实现对电弧和流动熔池的实时调控，从而减小或者消除增材构件的内部气孔、改善焊缝的成形形貌和内部组织，减弱熔池中元素偏析程度，综合提升增材结构件的力学性能和耐腐蚀性能。并首次采用根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，弥补了目前未涉及到对产品中磁性与磁控辅助电弧熔丝增材制造之间的关系和研究的空白。
[0018]本专利技术中选用的最佳的横向磁场的磁场强度与最终成形产品的磁性大小成正相关。分析可知：在成形最终磁性更大的产品时，其熔池在将要凝固的半固态状态下，熔池中部分相发生包晶和共晶转变，出现液相、体心立方相(有磁性)和面心立方相(无磁性)共存的状态，其中部分体心立方相会受到横向磁场的作用力，产生向上的电磁吸力，影响熔池中液态金属的流动，因此，最终成形产品的磁性更大时，需要更大的磁场强度，以改善焊缝的成形形貌和内部组织，减弱熔池中元素偏析程度。从磁场对弧柱偏转的角度分析可知，在同样强度的横向磁场辅助下，成形最终磁性更大的产品时，弧柱向前偏转的角度更小一些，这
可能是由于在焊丝末端的熔滴过渡中，熔滴受到电磁吸力的影响，使得需要更大的“磁致洛伦兹力”使得弧柱偏转到合适的角度，分散电弧的能量密度，减小对熔池的冲击。此处，“弧柱向前”是指弧柱向与焊枪行走方向相同的方向。
[0019](2)本专利技术中，施加原位横向磁场后缓解了熔池中后向液体流动量，避免液态金属在熔池尾部堆积，从而改善焊缝的成形形貌。同时，电弧中带电粒子因洛伦兹力，使得电弧柱沿着扫描方向偏转30
‑
40
°
左右，伴随着能量密度的降低，减弱了电弧对熔池的冲击作用以及熔池的后向流力。避免了原来在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧熔丝增材制造的成形方法，其特征在于，所述方法包括：将钳式电磁铁与电弧焊枪分别固定于机器人上，使二者与工件基板之间存在不同的倾斜角，在钳式电磁铁产生的稳恒横向磁场下进行电弧熔丝增材制造；其中，根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，以实现改善焊缝成形、减小内部气孔缺陷、细化内部晶粒并抑制元素偏析；所述横向磁场的最佳磁场强度与最终成形产品的磁性大小成正相关。2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述根据最终成形产品的磁性大小，调整所述横向磁场的磁场强度，具体为：在最终成形产品中面心立方的比例大于85％时，所述钳式电磁铁在焊丝末端产生的横向磁场的磁场强度≤20.7mT；在最终成形产品中体心立方的比例大于95％时，所述钳式电磁铁在焊丝末端产生的横向磁场的磁场强度为26.4mT～59.6mT。3.如权利要求2所述的成形方法，其特征在于，所述钳式电磁铁产生的横向磁场通过在钳式电磁铁上连接直流励磁电源得到，所述直流励磁电源的励磁电流根据最终成形产品的磁性大小进行调整，在最终成形产品中面心立方的比例大于85％时，所述直流励磁电源的励磁电流≤1.5A，电压≤7.45V；在最终成形产品中体心立方的比例大于95％时，所述直流励磁电源的励磁电流为2A～4A，电压为9.54V～18.18V。4.如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑志镇，仲杨，李建军，张良伟，张华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：