[发明专利]基于四极磁场控制电弧增材制造的方法及四极磁场系统

说明书

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，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，控制电弧形态为椭圆锥形；对增材基板进行增材制造。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。

技术领域

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。

发明内容

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。