CN107626920B - 一种双层气体保护容器 - Google Patents

Abstract

一种双层气体保护容器，包括内层壳体(20)和外层壳体(10)，内层壳体(20)和外层壳体(10)都是密封结构，其中外层壳体(10)将内层壳体(20)包裹在内，内层壳体(20)的底部固定在外层壳体(10)底部，外层壳体(10)底部安装在地面上，地面以上的外层壳体(10)内层壳体(20)之间有空隙，其特征在于，在外层壳体(10)的内壁上安装有外层气体成份监控传感器(50)，在内层壳体(20)的内壁上安装有内层气体成份传感器(60)和气压传感器(80)，在外层壳体(10)上安装有外层充气装置(40)和外层排气装置(90)，外层充气装置(40)和外层排气装置(90)分别穿过外层壳体(10)；本发明结构简单，使用方便，有效地避免空气中的氧气渗入工作的内层空间，提高了3D打印产品的质量。

Description

一种双层气体保护容器

技术领域

本发明是一种双层气体保护容器，特别是金属材料激光增材制造设备的气体保护室，尤其适合大型金属构件激光熔化直接成形增材制造设备的气体保护室。

技术背景

增材制造俗称3D打印，是一种根据三维数字模型进行材料添加和融合来制造构件的过程，通常采用层层叠加方式进行，是一种与传统的减材制造相反的新兴制造技术。该技术可以在一台设备上根据数字模型快速精确地制造几乎任意形状的结构，解决了以往复杂结构难以加工的问题，同时减少了工序、缩短了单件制造周期、节省材料，被认为可能给传统制造业带来变革性的影响。

增材制造过程通常分成四个步骤，首先使用CAD软件进行设计或通过对实物的三维扫描建立三维数字模型，然后对这个三维模型进行添加辅助支撑结构、分层和路径规划等工艺处理，形成工艺文件，接下来将这个工艺文件输入增材制造设备进行逐层加工，得到三维实体，最后进行热处理和必要的表面处理等后处理。针对不同的材料，增材制造出了多种技术分支，包括熔融沉积成形技术(Fused Deposition Modeling，FDM)、激光选区烧结(Selective Laser Sintering)、激光熔化沉积(Laser Melting Deposition，LMD)、激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)、电子束选区熔化(Selective Electron BeamMelting，SEBM)、层压制造技术Layer Laminate Manufacturing(LLM)、激光化学气相沉积技术(Laser Chemical Vapor Deposition，LCVD)等

由于金属零件通常要求较高的机械性能，而且金属材料本身熔点高、对激光的吸收率低，加工困难，因此，金属材料的增材制造具有最大的难度，同时也对制造业具有最大的影响。金属材料的增材制造技术可以分成两类，一类是以送粉方式添加材料的激光熔化沉积技术(LMD)，擅长制造大型复杂主承力构件，另一类是以在粉床上铺粉的方式添加材料的激光或电子束选区熔化技术(SLM/SEBM)，适合制造小型精密复杂结构。

在金属材料激光增材制造过程中，为了避免金属材料熔融状态下发生氧化而成形件的性能，成形过程需要在低氧含量环境下进行。通常的办法是将用于成形的机械传动机构(比如机床)、光粉耦合、工作台等机构放置在一个密闭容器内工作，称为气体保护室或气氛保护室，并在气体保护内充满惰性气体以保持很低的氧含量。

现有的增材制造设备气体保护室均为单层结构，通常采用两种方法使气体保护室内充满惰性气体，一种是使用不密封的气体保护室，向其充入大量惰性气体，同时气体保护室内的混合气体通过缝隙或排气装置排出，从而将氧含量稀释到工艺规范许可的范围以下，这种方法对气体保护室的刚性和气密性要求较低，但是形成气体保护环境的过程需要耗费较多的惰性气体和较长的时间；另一种是使用密封而且耐负压的气氛保护室，使用真空机组将气体保护室内的空气抽出，然后想气体保护室内充入惰性气体，这种方法可以节约惰性气体和时间，但是对气体保室的刚性和气密性有很高的要求，尤其是在强负压的情况下，仍要保持很好的气密性。然而，由于气体保护室壳体上有水、电、气、粉等传送接口，以及观察窗、门、传递窗等结构，这些结构与壳体的连接处在强负压状态下容易发生微小的渗漏，导致在抽真空后向气体保护室内充入惰性气体的过程中，会有少量空气渗入，从而造成气体保护室内的氧含量难以达到要求。以往的解决办法是在进行一次抽真空和一次充入惰性气体后，使用气体循环净化装置将气体保护室内的气体抽出来，置换氧气后再送回气体保护室，以此来进一步降低氧含量。这实际上延长了气体保护环境的准备时间，也增加了氧气置换带来的成本。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种双层气体保护容器，更好地避免空气中的氧气渗入内层空间。

一种双层气体保护容器，包括内层壳体20和外层壳体10，内层壳体20和外层壳体10都是密封结构，其中外层壳体10将内层壳体20包裹在内，外层壳体10和内层壳体20都安装在地面上，地面以上的外层壳体10内层壳体20之间有空隙，其特征在于，在外层壳体10的内壁上安装有外层气体成份监控传感器50，在内层壳体20的内壁上安装有内层气体成份传感器60和气压传感器80，在外层壳体10上安装有外层充气装置40和外层排气装置90，外层充气装置40和外层排气装置90分别穿过外层壳体10，外层充气装置40向外层壳体10内层壳体20之间的外室充进保护气体，外层排气装置90将外室的气体排出，外层充气装置40和外层排气装置90分布在外层壳体10的两侧；还有内层充气装置30和抽气装置70，内层充气装置30穿过外层壳体10和内层壳体20，将保护气体从外部输入到内层壳体20内，抽气装置70穿过外层壳体10和内层壳体20，将内层壳体20内的气体抽到外部。

所述的外层充气装置40、外层排气装置90、内层充气装置30、抽气装置70、外层气体成份监控传感器50、内层气体成份传感器60和气压传感器80分别与控制计算机连接。

外层排气装置90设有阀门，用来开关或调节排气量。

内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压。

内层壳体20的外壁上焊接加强筋以增加内层壳体20的强度。

本发明结构简单，使用方便，有效地避免空气中的氧气渗入工作的内层空间，提高了3D打印产品的质量。

附图说明

图1、本发明结构示意图。

外层壳体10，内层壳体20，内层充气装置30，外层充气装置40，外层气体成份监控传感器50，内层气体成份传感器60，抽气装置70，气压传感器80，外层排气装置90

具体实施方式

一种双层气体保护容器，包括内层壳体20和外层壳体10，内层壳体20和外层壳体10都是密封结构，其中外层壳体10将内层壳体20包裹在内，外层壳体10和内层壳体20都安装在地面上，地面以上的外层壳体10内层壳体20之间有空隙，其特征在于，在外层壳体10的内壁上安装有外层气体成份监控传感器50，在内层壳体20的内壁上安装有内层气体成份传感器60和气压传感器80，在外层壳体10上安装有外层充气装置40和外层排气装置90，外层充气装置40和外层排气装置90分别穿过外层壳体10，外层充气装置40向外层壳体10内层壳体20之间的外室充进保护气体，外层排气装置90将外室的气体排出，外层充气装置40和外层排气装置90分布在外层壳体10的两侧；还有内层充气装置30和抽气装置70，内层充气装置30穿过外层壳体10和内层壳体20，将保护气体从外部输入到内层壳体20内，抽气装置70穿过外层壳体10和内层壳体20，将内层壳体20内的气体抽到外部。

所述的外层充气装置40、外层排气装置90、内层充气装置30、抽气装置70、外层气体成份监控传感器50、内层气体成份传感器60和气压传感器80分别与控制计算机连接。

外层排气装置90设有阀门，用来开关或调节排气量。

内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压。

内层壳体20的外壁上焊接加强筋以增加内层壳体20的强度。

这种双层气体保护容器包括外层壳体、内层壳体、抽气装置、内室充气装置、内室气体成份传感器、内室气压传感器、外室充气装置、外室排气装置、外室气体成份监控传感器(图1)。外层壳体和内层壳体均为封闭壳体，均具有较好的密封性。内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压，同时具有较好的密封性。内层壳体处于外层壳体内部，二者成嵌套式的双层结构。内层壳体内部的空间称为内室，外层壳体和内层壳体之间的空间称为外室。抽气装置为带阀门的管道，一头通到内室，另一头通到容器外连接抽气设备(例如抽气泵)，用于抽取内室气体。内室充气装置也是带阀门的管道，一头通到内层空间，另一头通到容器外连接供气设备，用于向内室充气。外室充气装置也是带阀门的管道，一头通到外室，另一头通到容器外连接供气设备，用于向外室充气。外室排气装置在外室壳体上，当外室气压大于容器周围环境气压时向外排气泄压。外室排气装置可以安装阀门，用以开关或调节排气量大小。内层气体成份传感器(如氧含量传感器)与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气体成份含量(如氧含量)信号。内层气压传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气压信号。外层气体成份传感器(如氧含量传感器)与外室气体接触，通过信号线向容器外的传递外室气体成份的含量(如氧含量)。

内层壳体可以放置于外层壳体的底面上，也可以与外层壳体共用一个底面但是此时底面与内层壳体的其它面具有相同的刚性。

内层壳体可以采用厚钢板来满足刚度要求，必要时可以在壳体外壁上焊接加强筋来增加刚性。

如图1所示，该双层气体保护容器由外层壳体10、内层壳体20、内层充气装置30、外层充气装置40、外层气体成份监控传感器(氧含量传感器)50、内层气体成份传感器(氧含量传感器)60、抽气装置70、气压传感器80、外层排气装置构成90。

外层壳体和内层壳体均为封闭壳体，均具有较好的密封性。内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压，同时具有较好的密封性。内层壳体处于外层壳体内部，二者成嵌套式的双层结构。内层壳体内部的空间称为内室，外层壳体和内层壳体之间的空间称为外室。抽气装置一端接到内室，另一端通到容器外连接真空泵。内室充气装置一端接到内室，另一端通到容器外连接外部供气设备。外室充气装置一端连接到外室，另一端连接到外部供气设备。外室排气装置在外室壳体上，当外室气压大于容器周围环境气压时向外排气泄压。外室排气装置可以安装阀门，用以开关或调节排气量大小。一个氧含量传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室氧含量数据信号。气压传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气压信号。外层氧含量传感器与外室气体接触，通过信号线向容器外的传递外室氧含量数据信号。

初始状态下，内室和外室的气体均为空气，各阀门均关闭。为了将内室的空气置换为惰性气体，以降低内室的氧含量，首先打开外室充气装置上的阀门，向外室充入惰性气体，同时，打开外室排气装置上的阀门，让惰性气体逐渐将外室内的空气排挤出去，观察外室氧传感器给出的外室氧含量信号，当氧含量降低到设定值(例如90ppm)的时候，关闭外室充气装置和排气装置上的阀门。如果发现氧含量上升超过设定上限，外室充气装置阀门自动打开充气，维持氧含量降低到许可范围以内。打开抽气装置上的阀门，打开与抽气装置连接的真空泵，抽出内室空气，观察内室气压传感器给出的气压信号，待内室气压降低到设定值(例如500Pa)，关闭抽气装置的阀门和真空泵，然后打开内室充气阀门，向内室充入惰性气体，直到内室气压达到0.1MPa(一个大气压)，关闭充气阀门。判断内室氧含量，如果高于工艺要求的氧含量值，则再次打开抽气阀门和真空机组，进行第二次抽真空到内室气压降低到设定值，关闭真空机组和抽气阀门，打开内室充气阀门再次充入惰性气体，直到内室气压再次达到一个大气压，关闭充气阀门。重复上述步骤，直到内室氧含量降低到指定值。通常，进行上述两次“抽真空-充惰性气体”的循环，氧含量即可降低到金属材料增材制造的工艺要求。

外层壳体和内层壳体均为封闭壳体，均具有较好的密封性。内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压，同时具有较好的密封性。内层壳体处于外层壳体内部，二者成嵌套式的双层结构。外层壳体与内层壳体之间的间隔尽可能小。内层壳体内部的空间称为内室，外层壳体和内层壳体之间的空间称为外室。抽气管与内层壳体密封连接，通到容器外，通过阀门和管道连接抽气泵。内室充气管与内层壳体密封连接，通到容器外，通过阀门连接外部供气管道。外室排气管在外室壳体上，当外室气压大于容器周围环境气压时向外排气泄压。外室排气管可以安装阀门，用以开关或调节排气量大小。一个氧含量传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室氧含量数据信号。气压传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气压信号。外层氧含量传感器与外室气体接触，通过信号线向容器外的传递外室氧含量数据信号。

初始状态下，内室和外室的气体均为空气，各管道上连接的阀门均关闭。为了将内室的空气置换为惰性气体，以降低内室的氧含量，首先打开外室充气管上的阀门，向外室充入惰性气体，同时，打开外室排气管上的阀门，让惰性气体逐渐将外室内的空气排挤出去，观察外室氧传感器给出的外室氧含量信号，当氧含量降低到设定值(例如90ppm)的时候，关闭外室充气管和排气管上的阀门。如果发现氧含量上升超过设定上限，充气管阀门自动打开充气，直到氧含量降低到许可范围以内。打开抽气管上的阀门，打开与抽气管连接的真空机组，对抽出内室空气，观察内室气压传感器给出的气压信号，待内室气压降低到设定值(例如500Pa)，关闭抽气管道阀门和真空机组，打开内室充气阀门，向内室充入惰性气体，直到内室气压达到一个大气压，关闭充气阀门，打开抽气阀门和真空机组，进行第二次抽真空到内室气压降低到设定值，关闭真空机组和抽气阀门，打开内室充气阀门充入惰性气体，直到内室气压达到一个大气压，关闭充气阀门。重复上述步骤，直到内室氧含量降低到指定值。通常，进行上述两次“抽真空-充惰性气体”的循环，氧含量即可降低到金属材料增材制造的工艺要求。

一种双层气体保护容器，其特征在于，该容器包括外层壳体、内层壳体、抽气装置、内层充气装置、内层气体成份传感器、内层气压传感器、外层充气装置、外层排气装置、外层气体成份监控传感器。外层壳体和内层壳体均为封闭壳体，均具有较好的密封性。内层壳体在外层壳体内部，二者成嵌套式的双层结构，内层壳体内部的空间称为内室，外层壳体和内层壳体之间的空间称为外室。抽气装置一端通到内室，另一端通到容器外连接抽气设备(例如真空泵)抽出内室气体。内层充气装置一端通到内室，另一端通到容器外连接外部供气设备向内室充气。外层充气装置一端通到外室，另一端连接充气装置，用于向外室充气。外室排气装置在外室壳体上，当外室气压大于容器周围环境气压时向外排气泄压。内层气体成份传感器(如氧含量传感器)与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气体成份含量(如氧含量)信号。内层气压传感器与内室气体接触，通过信号线向容器外传递内室气压信号。外层气体成份传感器(如氧含量传感器)与外室气体接触，通过信号线向容器外的传递外室气体成份的含量(如氧含量)。

外室排气装置可以安装阀门，以开关或调节排气量大小。

内层壳体具有较好的刚性，可以承受较低的负压，必要时内层壳体外壁上可以焊接加强筋以增加强度。

一种双层气体保护容器，由外层壳体、内层壳体、抽气装置、内层充气装置、内层气体成份传感器、内层气压传感器、外层充气装置、外层排气装置、外层气体成份监控传感器等部分构成，内外两层壳体嵌套构成内外两层空间，内层空间为工作区，根据工艺需要维持特定气体(如惰性气体)的浓度，外层为缓冲区，起到隔离内层工作区的气体与环境大气的作用。本装置可以降低对壳体的密封性要求，缩短工作区形成特定气体浓度的准备时间，减少工作过程中特定气体的消耗。

Claims (5)

1.一种双层气体保护容器，包括内层壳体(20)和外层壳体(10)，内层壳体(20)和外层壳体(10)都是密封结构，其中内层壳体(20)的底部固定在外层壳体(10)底部，外层壳体(10)底部安装在地面上，外层壳体(10)将内层壳体(20)包裹在内，地面以上的外层壳体(10)内层壳体(20)之间有空隙，其特征在于，在外层壳体(10)的内壁上安装有外层气体成份监控传感器(50)，在内层壳体(20)的内壁上安装有内层气体成份传感器(60)和气压传感器(80)，在外层壳体(10)上安装有外层充气装置(40)和外层排气装置(90)，外层充气装置(40)和外层排气装置(90)分别穿过外层壳体(10)，外层充气装置(40)向外层壳体(10)和内层壳体(20)之间的外室充进保护气体，外层排气装置(90)将外室的气体排出，外层充气装置40)和外层排气装置(90)分布在外层壳体10)的两侧；还有内层充气装置(30)和抽气装置(70)，内层充气装置(30)穿过外层壳体(10)和内层壳体(20)，将保护气体从外部输入到内层壳体(20)内，抽气装置(70)穿过外层壳体(10)和内层壳体(20)，将内层壳体(20)内的气体抽到外部。

2.根据权利要求1所述的一种双层气体保护容器，其特征在于，所述的外层充气装置(40)、外层排气装置(90)、内层充气装置(30)、抽气装置(70)、外层气体成份监控传感器(50)、内层气体成份传感器(60)和气压传感器(80)分别与控制计算机连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种双层气体保护容器，其特征在于，外层排气装置(90)设有阀门，用来开关或调节排气量。

4.根据权利要求3所述的一种双层气体保护容器，其特征在于，内层壳体采用钢板制作。

5.根据权利要求4所述的一种双层气体保护容器，其特征在于，内层壳体(20)的外壁上焊接加强筋以增加内层壳体(20)的强度。