[发明专利]一种磁控等离子弧增材制造方法

说明书

本文公开一种磁控等离子弧增材制造方法，应用于一些精小金属器件的增材制造。它的技术要点为：在增材制造过程中，在焊炬进行平移、旋转等机械运动后，通过磁场控制等离子电弧进行精调，以便完成电弧在平面内的精确扫描；采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，完成同层不同高度的堆积。本发明响应速度快，成型精度高，减小了增材制造过程中极限位置出现的几率。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体来说是一种磁控等离子弧增材制造方法。

技术背景

增材制造技术又叫做3D打印技术，和传统机加工制造技术相比，它是利用材料离散/堆叠的原理，进行逐层累积从而实现构件的制造。在传统的增材制造过程中，热力场分布的主动精确控制难度较大，因而出现一系列与成形精度与组织性能相关的问题。例如：逐层堆积过程易造成热量累积效应，导致熔池可控性较差，零件边缘易发生流淌；长期非稳态热力耦合循环下，成形零件中存在较大的焊接热应力和残余应力，极易引起基板翘曲变形与成形件开裂；逐层堆焊冶金过程复杂，成形件非均匀受热以及不同位置散热件的差异导致组织不均匀长大、显微偏析严重等等，加大了成形件性能的控制难度。因此，传统的电弧增材制造只能直接制造结构不太复杂、精度要求不高的零件，来满足零件在外观和性能方面的使用要求。而本发明所涉及的磁控等离子弧增材制造技术，因为电弧经过压缩，其形状精细，并且在磁场的控制下，可以减小对热力场精细控制的难度，有利于提高增材制造的成型精度和组织性能，因此本发明可以制造结构相对复杂，难度相对较高的零件。

传统的增材制造技术大多利用控制焊炬平移、旋转等机械运动来实现电弧在工件上的扫描。这些技术对电弧扫描的精细控制难度较大，而且机械器件的运动容易出现极限位置，导致增材制造过程出现故障。本发明是利用电弧是一种柔性导体这一特性，可以有效的降低增材制造过程中极限位置出现的几率。

当今社会对增材制造技术的研究越来越重视，如专利号为“201711402065.9”的“一种金属激光熔化增材制造方法”，该方法在激光增材制造加工完每一层后，采用无损探伤方法对单层激光凝固区遍历扫描，对缺陷特征进行识别、定位以及包容区域简化，再采用机械加工方法去除缺陷区域，最后通过增材再制造方法修复切除区域，该方法设备复杂，并且耗费精力。磁控技术目前发展的已经比较广泛，如专利号为“201710089924.7”的“一种具有磁聚电弧作用的磁控旋转电弧传感器”，对电弧进行磁汇聚、机械压缩和热压缩,因而焊接时使得电弧稳定偏转。如专利号“201310228848.5”的“一种磁控电弧加工轴的方法”，利用磁控电弧加工轴获得了成功。与激光增材制造方法相比，本发明将磁控电弧的特性运用到增材制造领域，结构简单，生产成本低，增材制造过程中成型精度高。因此，本发明对增材制造领域的发展具有推动作用。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，更好的推动增材制造领域的发展，提出一种磁控等离子弧增材制造方法。

采用如下技术方案：本发明为一种磁控等离子弧增材制造方法，主要由等离子焊枪和三维电弧摆动控制器组成的系统完成。在计算机中输入所需加工工件的程序，程序控制电弧摆动控制器中的感应线圈产生的磁场，达到控制电弧在平面内按照既定图案进行扫描；采用控制电弧扫描速度和与之相适应的送丝速度的方法，实现同层不同高度的增材制造过程。

三维磁控电弧摆动器主要由两组线圈组成，两组线圈的产生磁场方向互相垂直，所产生的安培力在平面上互相垂直，以此控制电弧在 XOY平面内的摆动。而对工件高度的控制主要是利用磁场控制电弧的摆动速度，来影响增材制造过程的熔覆量，进而控制增材制造过程中相应位置的高度。

其控制电弧在XOY平面内进行扫描的原理如下：设两磁场的磁感应强度分别为B1、B2，l为电弧长度，为磁场与电弧的夹角，电弧导体的质量为M、K为阻力系数，ρ为电荷密度，V为运动速度，S 为单位长度弧柱的迎风面积由此可得电弧的加速度为：