一種電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法與流程

本發明屬于金屬零件成形加工領域，尤其涉及一種電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法。

背景技術：

隨著先進制造技術的快速發展，金屬零件3D打印成形技術方法不斷涌現，以激光束、電子束、等離子束高能三束為加熱熱源的激光燒結法和激光熔覆成形法、電子束成形法、等離子熔積成形法等金屬零件成形方法，這些方法在航空航天、微納制造、生物醫學工程等諸多領域有著廣闊的應用前景，但上述方法也存在一些明顯的缺點：

激光束、電子束和等離子束所用設備的投資、維護成本高，以致金屬零件的制造成本十分昂貴；

激光束、電子束和等離子束三種成形方法在金屬零件制造過程中并且對基材熱輸入高，造成基材產生大的形變，并且在制造過程中，容易造成零件和基材較大的形變；

以高能束成形主要是是由以鋪設粉末為添加材料的成形方法，容易受制保護氣的影響，導致粉末分布不均及其組織性能夾雜污物，使得成形效率大大降低；

電阻加熱金屬絲材加熱，在絲材加熱到熔化的過程為，電阻加熱熔絲是由固態到固液兩態，再由固液兩態直至熔化的過程。其加熱時間較長，效率低，組織性能較差；

電磁感應金屬絲材加熱，加熱時間長，熔滴從噴頭滴出后會瞬間凝固，不能保證絲材的平緩過渡與成形。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述金屬成形方法的不足，提供了一種能耗低，效率高、形變小的電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法。

一種電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法，包括以下步驟：

一、通過計算機的三維制圖軟件對欲制的金屬零件建立幾何模型，設定該金屬成形工藝的運動軌跡；

二、根據金屬絲材，選擇電磁感應線圈的匝數，設置電池感應電源的工作頻率，電磁感應線圈匝數和頻率跟金屬材料相關；

三、導電嘴和基材短接在可編程電源兩極；

四、通過氣體保護罩向由電磁感應線圈構成的電磁感應加熱區域和由導電嘴構成的電阻加熱區域輸送保護性氣體，當金屬絲材通過電磁感應線圈時，電磁感應加熱電源對金屬絲材進行加熱預處理；

五、金屬絲材通過電磁感應線圈后，繼續送給，以接觸方式穿過導電嘴，使金屬絲材和基材短路；

六、金屬絲材和基材短路后產生電阻熱，在原始電磁感應加熱的溫度下，絲材開始熔化并形成熔體；

七、脈動送絲機構采用送-停-送-停的進給方式進行，促進熔滴的穩定過渡，熔體在重力作用下驅動過渡到基材并凝固成形；

八、三維運動控制系統帶著脈動送絲機構沿水平方向運動，至本層金屬實體成形；

九、三維運動控制系統向上移動一個層高，重復步驟五至步驟八，按照原先設定幾何模型的運動軌跡堆積成金屬零件實體；

十、取出實體底部的基材獲得成形的金屬零件。

作為優選，所述的金屬絲材的熔點溫度必須要遠小于導電嘴的熔點溫度。

作為優選，所述金屬絲材的直徑為：1.6mm≥d≥0.3mm。

作為優選，所述導電嘴到基材的距離為：8mm≥L≥2mm。

作為優選，所選擇基材的熔點溫度應小于等于金屬絲材的熔點溫度。

作為優選，金屬絲材為低碳鋼Q235，基材為Q235D低碳鋼板。

作為優選，所述保護性氣體氫氣、氮氣或氦氣。

與現有的金屬成形方法相比，本發明電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法具有以下特點：

1)、以電磁感應加熱和電阻熱為金屬絲材的熱源，不需要使用價格昂貴，體積大的高能束(激光束、電子束、等離子束)熱源設備，設備的投資和維護成本大大降低。

2)、以電磁感應加熱、電阻熱的先后順序加熱，其熱量絕大多數用于熔化金屬絲材，并且金屬絲材由固態到固液兩態和固液兩態到液態同時進行，比電阻加熱金屬絲材熔積成形的時間縮短了一半以上，大大的提高了效率，還降低了對基材的熱輸入，減少了基材的變形。

3)、與鋪設粉末為添加材料的成形方法相比，使用金屬絲材作為添加材料，不會導致粉末被保護氣體吹散或者被污染，提高了材料的利用率。

4)、在金屬成形過程中，沒有電弧的存在，保證了在真空中金屬的成形。為太空的金屬成形制造做出了鋪墊。

本發明的電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法，通過計算機軟件建立金屬零件的幾何模型，并分層離散，設定和模擬零件的運動軌跡；由脈動送送絲機構將金屬絲材勻速送至電磁感應加熱區域和電阻加熱區域，金屬預熱到一定溫度(小于熔點溫度)，帶有一定熱量的絲材持續送給直至金屬絲材與基材短路，金屬絲材與基材的接觸部位產生電阻熱，在電阻熱的作用下，金屬絲材熔化，形成熔體；在重力、電磁力等機械力的作用下熔體穩定過渡到基材，并開始凝固；三維運動系統由原先設定的運動軌跡控制金屬絲材熔化、過渡、凝固逐步點、線、面、體完成金屬零件的成形工件。與現有的高能束為熱源和電阻熱為熱源的成形方法相比，本發明利用電磁電阻熱復合的方法熔化金屬絲材不需要昂貴的設備，降低了對基材的熱輸入，減少了基材的熱變形，通過電磁感應預熱，效率比電阻熱熔積成形提高了一倍以上。

附圖說明

圖1電阻電磁感應復合加熱金屬絲材成形方法的示意圖。

圖中：1-金屬絲材、2-脈動送絲系統、3-保護氣體、4-氣體保護罩、5-電磁感應電源、6-電磁感應線圈、7-導電嘴、8-三維運動控制系統、9-可編程電源、10-熔積成形零件、11-基材。

具體實施方式

本實施例采用的設備包括：電磁感應電源5、可編程電源9、脈動送絲系統2和三維運動控制系統8。其電磁感應電源5和可編程電源9為熱源，電磁感應電源5為XJH-25KW-B型號的晶體式高頻感應加熱設備，可編程電源9為特殊自制電源。所述可編程電源9一端連接基材，所述可編程電源9另一端連接導電嘴。脈動送絲系統2是由等速送絲、緩沖器和脈動送絲三部分構成，三維運動控制系統8是由計算機設定的運動軌跡來控制。金屬絲材1為直徑1.2mm的Q235低碳鋼焊絲，基材11是厚度為3mm的Q235D低碳鋼板，保護氣體未氬氣(流量為15L/min)，可編程電流波形為脈沖波形，其基值電流20～80A，峰值電流為140～260A，周期為20ms。

如果電流太小,金屬絲材熔化量較少,熔體不會在重力作用下過渡到基材，容易出現成形凹缺陷。如果電流太大,熔滴脫落較多,熔體就會爆斷，容易出現成形凸缺陷。

具體成形方法包括以下步驟：

一、選擇材料想要加工的金屬絲材為直徑1.2mm的低碳鋼Q235，查找Q235的熔點為1534℃，基材為Q235D低碳鋼板；

二、制作金屬零件的幾何模型，此實例以圓筒為例，進行分層離散計算，由計算機軟件設計金屬零件的運動軌跡，生成制作數據對三維運動系統進行控制；

三、通過氣體保護罩4向由電磁感應線圈6構成的電磁感應加熱區域和由導電嘴7構成的電阻加熱區域輸送保護性氣體3，Q235金屬絲材1通過電磁感應線圈6后，啟動電磁感應電源5，將預熱溫度調制1400℃左右，繼續送給，以接觸方式穿過導電嘴7，金屬絲材1和基材11短路后，可編程電源開始工作；

四、脈動送絲系統2控制金屬絲材1脈動送給，在可編程電源的作用下，金屬絲材1和基材11接觸部位產生電阻熱，此時金屬絲材1在電磁感應加熱的作用下將至熔化，故在電阻熱作用下，極短時間內形成了熔體；

五、熔體在重力和電磁力等機械力的作用下驅動液態絲材過渡到基材11；

六、三維運動控制系統8在XY平面內重復步驟三到步驟五按照預設的運動軌跡運行，在基材11上對熔積成形零件10進行熔敷，直至焊絲成形的該層的成形實體；

七、三維運動控制系統8延Z軸方向向上移動2mm，重復步驟六的過程，堆積成圓筒實體；

八、除去底部的基材11低碳鋼板，獲得成形的金屬工件。

以上內容是結合具體的優選實例對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實例只局限于這些說明，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其架構形式靈活多變，可以派生系列產品。只是做出若干簡單推演或替換，都應視為屬于本發明由所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。