一种电磁超声复合能场装置及其应用方法
阅读说明：本技术 一种电磁超声复合能场装置及其应用方法 (Electromagnetic ultrasonic composite energy field device and application method thereof ) 是由 杨海欧 杨文哲 马晓蕾 黄琳皓 林鑫 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电磁超声复合能场装置及其应用方法,该装置主要和定向能量沉积装置组合使用,使得对于定向能量沉积装置在增材制造过程中引入超声波振动和电磁搅拌,利用电磁场和超声波振动场的协调作用来实现破碎枝晶、细化组织、搅拌熔池、排除气体的作用,改善成形件的成形质量和力学性能。本发明在采用底部超声波振动基础上复合了环形强磁场,并且环形磁场区域可随着成形高度的升高而升高,能够准确地对熔池进行电磁搅拌作用,采用电磁超声复合能场辅助增材制造对于成形件组织和缺陷调控具有重要意义。(The invention discloses an electromagnetic ultrasonic composite energy field device and an application method thereof, wherein the device is mainly combined with a directional energy deposition device for use, so that ultrasonic vibration and electromagnetic stirring are introduced into the directional energy deposition device in the additive manufacturing process, the coordination of an electromagnetic field and an ultrasonic vibration field is utilized to realize the effects of crushing dendritic crystals, refining tissues, stirring a molten pool and removing gas, and the forming quality and the mechanical property of a formed part are improved. The invention compounds the annular strong magnetic field on the basis of adopting bottom ultrasonic vibration, and the annular magnetic field area can rise along with the rise of the forming height, can accurately carry out electromagnetic stirring action on a molten pool, and has important significance for controlling the organization and the defects of a formed part by adopting the electromagnetic ultrasonic composite energy field to assist material increase manufacturing.)
技术领域
本发明属于定向能量沉积技术领域，具体涉及一种电磁超声复合能场装置及其应用方法。
背景技术
定向能量沉积是指利用聚焦热能将材料同步熔化沉积的增材制造工艺，该工艺可按照热源分为激光、电子束、电弧、等离子束定向能量沉积工艺。定向能量沉积技术的主要优点是：打印尺度范围广、方便多材料打印、可以采用大功率激光器实现每小时公斤级的打印效率、非常适合于高性能成形与修复等；其主要不足是打印件的结构复杂性不够高、有较大的加工余量等。定向能量沉积工艺快速熔化凝固过程产生的常见缺陷，包括存在着气孔、裂纹、残余应力集中、变形等，影响着成形件的成形精度和力学性能，制约着定向能量沉积技术的工程应用。鉴于在金属凝固过程中施加外场能有效改善合金性能的成效，一些学者尝试将特种能场引入到金属增材制造过程中，通过施加超声波振动、电磁搅拌等手段减少熔覆层内部的冶金缺陷并对组织进行调控，是近几年发展起来辅助制备金属增材制造的新技术。
通过对相关报道进行研究后发现，大多数的研究者主要集中于单一的电磁搅拌或超声振动对激光熔覆组织性能的影响，少数研究者进行了复合能场的研究。例如大连理工大学申请号为201610570890.9的一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，通过附加超声电磁复合场定向排列陶瓷晶粒，减小织构化过程阻力，实现Al2O3基共晶陶瓷刀具的高度均匀织构化结构。这两种复合能场是采用底部超声波振动加两侧固定电磁场进行辅助成形，电磁场对熔覆层作用范围有限，并且只有成形方向垂直于电磁场时才有电磁搅拌效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电磁超声复合能场装置及其应用方法，以解决现有技术中有成形方向垂直于电磁场时，电磁场才能作用于增材制造过程的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种电磁超声复合能场装置，包括支撑架，所述支撑架的中心处设置有超声波振动装置，超声波振动装置上设置有成形基板，成形基板在支撑架的上方；
所述支撑架的上部设置外侧的环形伸缩架，外侧的环形伸缩架中设置有同轴线内侧的环形伸缩架，内侧的环形伸缩架和外侧的环形伸缩架之间设置有环形支撑柱，环形支撑柱设置在支撑架的上部；内侧的环形伸缩架和外侧的环形伸缩架上共同架装有环形软磁铁壳；
环形支撑柱上架装有环形软磁铁板，环形软磁铁板在环形伸缩架的上方，环形软磁铁板上设置有电磁短线圈，电磁短线圈和环形软磁铁板均在环形软磁铁壳的内部；环形软磁铁板、电磁短线圈和环形软磁铁壳均围绕成形基板设置；
环形软磁铁壳的内侧壁上开设有环形间隙，所述环形间隙围绕成形基板上的增材制造成形区域。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述支撑架包括上层板和下层板，上层板和下层板之间设置有若干根立方支撑柱；
所述超声波振动装置设置在下层板上，超声波振动装置的上部分穿过上层板的中心部分。
优选的，所述环形软磁铁壳的内侧壳体设置在内侧的环形伸缩架上，所述环形软磁铁壳的外侧壳体设置在外侧的环形伸缩架上。
优选的，所述支撑架的内部设置有供气装置，供气装置通过气路管道和环形伸缩架连接。
优选的，供气装置通过不同的气路管道分别连接内侧的环形伸缩架和外侧的环形伸缩架。
优选的，所述支撑架的内部设置有电磁场电源，电磁场电源通过电源导线和电磁短线圈连接。
优选的，所述超声波振动装置包括变幅器，变幅器设置在支撑架中，变幅器的上部设置有变幅杆，变幅杆的上部设置有振动头，成形基板设置在振动头上；变幅器通过连接线连接有超声波振动控制器。
优选的，所述环形间隙的上端和下端均设置有极靴。
优选的，从电磁短线圈至成形基板的方向，极靴的厚度减小。
一种上述的电磁超声复合能场装置的应用方法，所述电磁超声复合能场装置和定量沉积增材制造装置组合使用，所述定量沉积增材制造装置的打印头在成形基板上进行增材制造成形，同时超声波振动装置振动成形基板，电磁短线圈形成磁场，形成的磁场通过环形间隙作用于增材制造成形区域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种电磁超声复合能场装置，该装置包括电弧增材制造装置和电磁超声复合能场装置。电磁超声复合能场装置包括支撑架、超声波振动装置、气浮运动装置和环形电磁场装置。在电弧增材制造过程中引入超声波振动和电磁搅拌，超声波振动场作用在成形基板上，本发明在采用底部超声波振动基础上复合了环形局部电磁场，基板周围环形电磁场外部包裹软磁铁壳，壳体内部存在一个较窄的环形间隙，即存在一环形磁场区域，软磁铁壳下部连接气浮运动装置，使得软磁铁壳能够进行上下运动，即环形磁场区域可随着成形高度的升高而升高，电磁力通过电磁场的形式准确的作用于金属材料内部，该结构在外部包裹软磁铁壳约束了磁场范围，确保在增材制造过程其他部位不受磁场的影响；并且环形磁场区域可随着成形高度的升高而升高，能够准确地对熔池进行电磁搅拌作用，利用电磁场和超声波振动场的协调作用来实现破碎枝晶、细化组织、搅拌熔池、排除气体的作用，改善成形件的成形质量和力学性能，采用电磁超声复合能场辅助电弧增材制造对于成形件组织和缺陷调控具有重要意义。
在进行增材制造过程中，块状固定磁场装置产生的磁场分布固定，只有垂直于磁场方向进行成形时，才会熔池区域产生电磁搅拌效果；而环形磁场装置产生的是径向对称磁场，磁力线分布相对规则，便于控制，因此增材制造过程中，沿着任意方向进行成形时，都会对熔池区域产生电磁搅拌效果，该磁场用途更加广泛。
进一步的，支撑架上设置有上层板和下层板，上层用于支撑打印装置，下层用于装载各类控制装置，使得这个结构更为紧凑。
进一步的，两个环形伸缩架分别用于支撑内侧壳体和外侧壳体，同时两个环形伸缩架能够由供气装置分别提供动力，使得两个气浮架能够单独或者同时升降，当同时升降时，环形间隙的高度调整，当内部的气浮架调整时，使得环形间隙的宽度能够进行调整。
进一步的，电磁场电源设置在支撑架中，使得整个装置结构更为紧凑。
进一步的，环形间隙上安装有极靴，进一步控制磁力线分布，强化了磁路，使得该区域具有强烈的汇聚能力，提高对熔池区域的电磁搅拌效果。
进一步的，极靴的厚度逐渐减小，使得环形间隙的宽度逐渐减小，磁场更为聚集。
本发明还公开了一种电磁超声复合能场装置的应用方法，该方法主要和定量沉积增材制造装置组合使用，使得对于定量沉积增材制造装置在增材制造过程中引入超声波振动和电磁搅拌，利用电磁场和超声波振动场的协调作用来实现破碎枝晶、细化组织、搅拌熔池、排除气体的作用，改善成形件的成形质量和力学性能。本发明在采用底部超声波振动基础上复合了环形强磁场，并且环形磁场区域可随着成形高度的升高而升高，能够准确地对熔池进行电磁搅拌作用，采用电磁超声复合能场辅助电弧增材制造对于成形件组织和缺陷调控具有重要意义。
附图说明
图1所示为本发明中的电磁超声复合能场装置示意主视图；
图2所示为本发明中的电磁超声复合能场装置示意俯视图；
图3所示为本发明具体实施例中的电弧增材制造装置示意图；
图4所示为本发明具体实施例中的电磁超声复合能场装置和电弧增材制造装置配合使用时的示意图；
图5所示为本发明具体实施例中的电磁超声复合能场装置和电弧增材制造装置配合使用时的成形过程示意图；
图6所示为本发明具体实施例中的支撑架示意图；
(a)图为主视图；(b)图为俯视图；
其中，1-电磁短线圈，2-环形软磁铁壳，3-环形软磁铁板，4-极靴，5-环形伸缩架，6-支撑架，7-气路管道，8-供气装置，9-成形基板，10-变幅杆，11-振动头，12-变幅器，13-连接线，14-超声波振动控制器，15-电磁场电源，16-电源导线，17-焊机，18-工业机器人，19-焊枪，20-送丝头，21-送丝器，22-环形支撑柱，23-上层板，24-立方支撑柱，25-下层板；26-通孔；27-环形间隙；201-内侧壳体；202-外侧壳体；203-顶部壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种电磁超声复合能场装置，包括支撑架6、超声波振动装置、气浮运动装置、环形电磁场装置，参见图1和图2。
所述支撑架6分上下两层，包括上层板23和下层板25，上层板23在下层板25的上方，下层板25上有多根立方支撑柱24用于支撑上层板23，上层板23的中心处开设有通孔26；围绕通孔26的周向，上层板23的上侧面设置有一环形支撑柱22，参见图6。支撑架6用于承载超声波振动装置、气浮运动装置、环形电磁场装置。
参见图1和图2，所述超声波振动装置包括成形基板9、振动头11、变幅杆10、变幅器12、连接线13和超声波振动控制器14。所述变幅器12安装在支撑架下层板25的中心部位，变幅器12安装在支撑架下层板25上，其上端穿出通孔25；变幅器12通过连接线13和超声波振动控制器14连接。所述变幅杆10安装在变幅器12的上侧，变幅杆10顶部存在一段外螺纹，顶部区域直径小于其他区域。所述振动头11中心部位存在内螺纹通孔，通过螺纹连接安装在变幅杆10顶部。所述成形基板9通过螺杆安装在振动头11上，用于电弧增材制造成形零件。
参见图1，所述环形气浮运动装置包括供气装置8、通气管道7和环形伸缩架5。所述供气装置8安装在支撑架下层板25上，用于向环形伸缩架5输送气体，并控制环形伸缩架5进行升降运动。所述环形伸缩架5安装在支撑架上层板23上，环形伸缩架5包括内、外两个，均和环形支撑柱22同轴设置。两个环形伸缩架5分别位于环形支撑柱22内外两侧，通气膨胀后环形伸缩架5上端面上升，排气收缩后环形伸缩架5上端面下降。两个气路管道7穿过上层板23，分别将每一个环形伸缩架5和供气装置8连通，供气装置8通过独立的两个气路管道7可分别控制两个环形伸缩架6进行单独或者协同升降运动。更为具体的，环形伸缩架5的上部为环形支撑板，环形支撑板被上下伸缩的伸缩架支撑，每一个伸缩架被一个气动支撑缸支撑伸缩，气动支撑缸通过气路管道7和供气装置8连接。
参见图1和图2，所述环形电磁场装置包括环形软磁铁板3、电磁短线圈1、环形软磁铁壳2、极靴4、电磁场电源15和电源导线16。所述环形软磁铁板3安装在支撑架上层的环形支撑柱22上，材质为软磁铁，能够吸收磁场强度。所述电磁短线圈1安装在环形软磁铁板3上，通上电源15之后会在环内区域内部产生磁场。所述环形软磁铁壳2内部中空，扣在电磁短线圈1上，环形软磁铁壳2分为一体连接的内侧壳体201、外侧壳体202和顶部壳体203，内侧壳体201下端面位于内侧环形伸缩架5上端面上，外侧壳体下端面202位于外侧环形伸缩架5上端面上，顶部壳体203在内侧壳体201和外侧壳体202上。环形软磁铁板3与环形软磁铁壳2将电磁短线圈1包裹起来；内侧壳体201沿其周向开设有环形间隙27，该环形间隙27将内侧壳体201分为上下两部分，下部分的内侧壳体201下端面位于内侧环形伸缩架6上端面上，上部分的内侧壳体和顶部壳体203一体连接，电磁场可从环形间隙27发出，可以通过单独控制内侧环形伸缩架5升降来同时移动内侧壳体201、外侧壳体202和顶部壳体203，进而改变环形间隙27高度，即调整磁场的作用范围。所述极靴4固定在环形间隙27内侧壳体201的上下两部分，具体的，设置在下部分的内侧壳体201的上端和上部分的内侧壳体201的下端，作用是把磁场尽量集中到一定范围内，即为强励磁；更为具体的，极靴4从电磁短线圈1向成形基板9的方向，其厚度逐渐减小，使得环形间隙28的宽度逐渐减小。所述电磁场电源15安装在支撑架下层板25上，电磁短线圈1通过电源导线16连接电磁场电源15，电源导线16从支撑架上层板23通孔处落入下层，通过调控电源15来改变电磁场强度和方向。
整个装置能够和定量沉积增材制造技术组合使用，如激光增材制造、电子束增材制造、等离子束增材和电弧增材制造等，以电弧增材制造工艺为例。
参见图3，所述电弧增材制造装置包括焊机17、工业机器人18、焊枪19、送丝头20和送丝器21。
电弧增材制造装置在电磁超声复合能场装置的一侧，电弧增材制造装置包括焊机17，焊机17旁设置有工业机器人18，工业机器人18旁设置有送丝器21，送丝器21用于提供丝线；工业机器人18的工作臂外端连接有焊枪19和送丝头20，送丝器21将丝线通过送丝头20提供至焊枪19的下方，焊枪19发送热源将丝线融化并在成形基板9上成形，进行增材制造。
本发明装置工作方法：
结合图4和图5所示，一种辅助电弧增材制造的电磁超声复合能场装置的具体实现过程为：
电弧增材制造装置进行增材制造时，超声波振动装置14启动，振动头11带动成形基板9进行一定频率的振动，环形电磁场装置启动，极靴4将磁场集中，在成形基板9上层一定区域内产生强励磁。金属丝材通过送丝机21和送丝头20送进电弧区域，被焊枪19产生的电弧加热熔化为金属液滴，金属液滴落在成形基板9上，在电磁搅拌和超声波振动协同作用下凝固，在成形过程中实现破碎枝晶、细化组织、搅拌熔池、排除气体的作用。
随着成形件高度的增加，气浮运动装置带动环形电磁场装置进行上升运动，并且可以通过单独控制内侧环形伸缩架6升降来改变环形间隙27高度，来调整磁场作用的高度范围，从而能够准确得对熔池进行电磁搅拌作用，成形结束后气浮运动装置带动环形电磁场装置进行下降回到初始位置，参见图1位置。
常用辅助能场有磁场、电磁场、超声波振动场、滚压装置等，其中电磁超声复合能场辅助效果比较明显。在进行超声振动的同时施加电磁搅拌可有效改善超声处理作用范围小的不足，减小成分偏析程度，均化显微组织，释放残余应力，同时在电磁搅拌过程中引入超声振动可以弥补电磁搅拌细化效果不显著的缺点，在电弧增材制造过程中实现破碎枝晶、细化组织、搅拌熔池、排除气体的作用。
因此，本发明提出了一种辅助电弧增材制造的电磁超声复合能场装置与方法。本发明公开一种辅助电弧增材制造的电磁超声复合能场装置，该装置包括电弧增材制造装置和电磁超声复合能场装置。电弧增材制造装置包括焊机、工业机器人、焊枪、送丝头和送丝器。电磁超声复合能场装置包括支撑架、超声波振动装置、气浮运动装置、环形电磁场装置。超声波振动装置包括成形基板、振动头、变幅杆、变幅器和控制器。环形气浮运动装置包括供气装置、通气管道和环形伸缩架。环形电磁场装置包括环形软磁铁板、电磁短线圈、环形软磁铁壳、极靴、电磁场电源和电源导线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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