CN108213435A - 一种激光沉积中零件用温度调控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光沉积中零件用温度调控装置及方法，它解决了现有技术中零件在激光成型过程中容易因热应力产生变形的问题，具有保证成型零件质量与性能的有益效果，其方案如下：一种激光沉积中零件用温度调控装置，包括用于支撑零件的沉积底座，沉积底座包括壳体，壳体内设置发热元件，在壳体表面装有若干温度传感器，温度传感器与发热元件分别同控制器单独连接；设于室内的室内温度传感器。

Description

一种激光沉积中零件用温度调控装置及方法
技术领域
本发明涉及温度控制领域，特别是涉及一种激光沉积中零件用温度调控装置及方法。
背景技术
激光沉积成型技术是指利用激光束熔化金属粉末，通过逐层积累成型零件的一种制造方式。但是在激光沉积成型技术中，激光束作用前零件与室温保持一致，温度不能迅速升高，温度随激光作用才会迅速升高，使得零件底部与上部有温差，容易影响成型零件的性能，另外，激光束作用后成型的零件会产生较大的热量，零件与室温之间有较大的温差，快速冷却后会产生较大的热应力，使得零件变形严重甚至出现开裂的现象。
因此，需要对一种激光沉积中零件用温度调控装置进行新的研究设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种激光沉积中零件用温度调控装置，装置可在沉积底座预热后再进行激光沉积，激光沉积完成后再缓慢冷却，有效防止零件因为热应力产生变形或者开裂，通过控制整个激光沉积过程中零件的温度曲线的变化而缓解现有的情况。
一种激光沉积中零件用温度调控装置的具体方案如下：
一种激光沉积中零件用温度调控装置，包括：
用于支撑零件的沉积底座，沉积底座包括壳体，壳体内设置发热元件，在壳体表面装有若干温度传感器，温度传感器与发热元件分别同控制器单独连接；
还包括设于室内的室内温度传感器，控制器控制发热元件在零件成型之前将沉积底座加热到设定温度，成型中，对温度进行保持，成型完成后，控制器控制发热元件的冷却速率。
上述的温度调控装置，通过设置沉积底座的设置，可在激光成型之前实现对沉积底座温度的升高，可在激光成型完成后，通过控制冷却速度，缓慢降温，有效缓解热应力的产生，从而防止成型零件因为热应力产生变形或者开裂。
进一步地，所述壳体包括空心框体和设于框体表面的紫铜基板，紫铜基板用于与零件直接接触，且紫铜基板内表面可与发热元件接触设置。
进一步地，为了方便对发热元件的维修或更换，所述紫铜基板相对于框体可拆卸设置，紫铜基板与框体可通过螺栓或者螺钉进行连接。
进一步地，为了准确获得紫铜基板实际温度，所述温度传感器设于紫铜基板表面的中心和四周，四周的温度传感器分别设于紫铜基板的四个角。
进一步地，所述发热元件为S型电阻丝，发热元件两端穿过所述壳体并通过紧固件固定，发热元件的入口端与出口端设于框体的同一侧。
进一步地，为了方便对紫铜基板的固定，同时，尽可能使紫铜基板与发热元件接触，所述框体边侧突出设置，紫铜基板卡设于框体突出边侧内；
或者，所述框体内表面在发热元件下方设置保温零件，保温零件为石棉零件，框体由不锈钢板金制成，紫铜基板与发热元件之间涂抹硅脂以增加导热性能。
进一步地，所述发热元件的开关设于所述壳体外，开关与发热元件的两端连接，该开关与所述的控制器连接。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种针对激光沉积技术的温度调控方法，采用根所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置。
上述调控方法，具体步骤如下：
1)温度传感器将检测到的温度数据传送给控制器，控制器计算多个温度数据的平均值作为沉积底座的实际温度值；
2)用户通过控制器输入预热温度值，控制器判断沉积底座实际温度值与设定预热温度值的差值，从而控制发热元件进行发热，保证沉积底座温度与预热温度值一致；
3)激光沉积成型过程中，控制器控制发热元件的温度为设定值；
4)激光沉积成型完成后，用户选择冷却速率，控制器获得沉积底座实际温度值与室内温度值，控制器控制发热元件间歇发热，对零件进行冷却，直至沉积底座温度冷却至室温。
其中，所述步骤4)中控制发热元件的过程如下：控制器通过沉积底座实际温度值与室内温度值的差值同用户输入冷却速率参数，计算出沉积底座冷却到室温所需要的时间，并将整个时间区域离散成若干个时间点，控制每个时间点沉积底座应该达到的温度，进行冷却，从而使得实际的冷却曲线按照用户预想变换，冷却速率参数可通过控制器的数据入口进行输入，这样控制器合理控制发热元件的功率，有效控制冷却速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过在沉积底座预热后再进行激光沉积，激光沉积完成后再有效控制实现缓慢冷却，实现了在预热缓冷整个过程中基板的温度按照设定的规则变化，有效防止零件因为热应力产生变形或者开裂。
2)本发明通过发热元件的设置，有效对沉积底座进行温度的升高，从源头避免因温度差造成热应力的产生，并通过可控功率开关(具体通过控制占空比来控制发热元件的功率)的设置，实现对沉积底座温度的缓慢降低。
3)本发明通过多个温度传感器的设置，通过平均值得计算可获得沉积底座实际温度，准确度高，从而降低在激光成型过程中，沉积底座各处温度不同对数据的影响，防止局部温度变化对所测得的整体温度造成较大影响。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为一种激光沉积中零件用温度调控装置结构示意图；
图2为一种激光沉积中零件用温度调控方法流程图；
图3为温度控制图；
图中：1.框体，2.保温零件，3.发热元件，4.紫铜基板，5.温度传感器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种激光沉积中零件用温度调控装置。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种激光沉积中零件用温度调控装置，包括用于支撑零件的沉积底座，沉积底座包括壳体，壳体内设置发热元件3，在壳体表面装有若干温度传感器5，温度传感器5与发热元件分别同控制器单独连接；还包括设于室内的室内温度传感器，控制器根据温度传感器与室内温度传感器传送的温度值，以及设定的成型需要的温度值，来控制发热元件升温或者降温。
上述的温度调控装置，通过设置沉积底座的设置，可在激光成型之前实现对沉积底座温度的升高，可在激光成型完成后，通过控制冷却速度，保证沉积底座温度升高或者缓慢冷却，缓慢降温，有效缓解热应力的产生，从而防止成型零件因为热应力产生变形或者开裂。
壳体包括空心框体1和设于框体表面的紫铜基板4，紫铜基板4用于与零件直接接触，且紫铜基板4内表面可与发热元件3接触设置，紫铜基板4直接平铺于发热元件3表面，框体的底面与侧面为封闭结构，顶部开口用于设置所述的紫铜基板4。
为了方便对发热元件的维修或更换，紫铜基板4相对于框体1可拆卸设置，紫铜基板4与框体1可通过螺栓或者螺钉进行连接，紫铜基板4厚度为2mm。
为了准确获得紫铜基板4实际温度，温度传感器5设于紫铜基板4表面的中心和四周，四周的温度传感器5分别设于紫铜基板4的四个角。
发热元件3为S型电阻丝，发热元件3两端穿过所述壳体并通过紧固件固定，发热元件3的入口端与出口端设于框体1的同一侧。
为了方便对紫铜基板4的固定，同时，尽可能使紫铜基板4与发热元件3接触，所述框体1边侧突出设置，紫铜基板4卡设于框体1突出边侧内；框体1内表面在发热元件3下方设置用于减缓冷却速度的保温零件2，保温零件2为石棉零件，框体1由不锈钢板金制成，紫铜基板4与发热元件3之间涂抹硅脂以增加导热性能。
发热元件3的开关设于所述壳体外，开关与发热元件的两端连接，该开关与所述的控制器的可控冷却速率电路连接，或者，该开关可以选用脉冲控制的固态继电器，通过控制继电器的通断时间，以控制发热元件的温度，保证合理的降温速度。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种针对激光沉积技术的温度调控方法，采用根所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，该装置中控制器为集成PID单片机，该控制器与TFTLCD显示屏连接，还与用于输入冷却速率的参数输入键盘连接。
上述调控方法，如图2和图3所示，具体步骤如下：
1)温度传感器将检测到的温度数据传送给控制器，控制器计算多个温度数据的平均值作为沉积底座的实际温度值；
2)用户通过控制器输入预热温度值，控制器判断沉积底座实际温度值与设定预热温度值的差值，从而利用PID算法控制发热元件进行发热，使得紫铜基板4的温度始终与预热温度值保持一致；
3)激光沉积成型过程中，控制器控制发热元件的温度为设定值(步骤2)中设定的预热温度值)；
4)激光沉积成型完成后，用户选择冷却速率，控制器获得沉积底座实际温度值与室内温度值，控制器控制发热元件间歇发热，在设定时间内对零件进行冷却，直至沉积底座温度冷却至室温。
其中，所述步骤4)中控制发热元件的过程如下：控制器通过沉积底座实际温度值与室内温度值的差值同用户输入冷却速率参数，计算出沉积底座冷却到室温所需要的时间，并将整个时间区域离散成若干个时间点，控制每个时间点沉积底座应该达到的温度，进行冷却，便于用户的操作，也就是说，控制器将整个时间域等分成n份，控制每个时间点的温度t1、t2、t3…tn达到理论的温度值，则实际的温度曲线会近似的趋近与理论的温度曲线。
这样，整个沉积过程中控制器根据检测到的温度与理想温度的差值，以很快的速度通断固态继电器或者其他类型的开关，使得发热元件产生的热量能弥补零件散失的热量。而且通电的时间与断电的时间比由差值决定，差值越大则通电时间占的比例越大，差值越小则通电时间占的比例越小，差值为零时则不调整。一次通断为一个周期，该周期通常为较短的时间，按照这个方法控制，避免现有技术沉积成型结束后，材料在室温环境下直接进行冷却的情况，而是按照设定的速率进行冷却，冷却时间延长，进一步避免应力的产生。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，包括用于支撑零件的沉积底座，沉积底座包括壳体，壳体内设置发热元件，在壳体表面装有若干温度传感器，温度传感器与发热元件分别同控制器单独连接；
还包括设于室内的室内温度传感器，控制器控制发热元件在零件成型之前将沉积底座加热到设定温度，成型中，对温度进行保持，成型完成后，控制器控制发热元件的冷却速率。
2.根据权利要求1所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述壳体包括空心框体和设于框体表面的紫铜基板。
3.根据权利要求2所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述紫铜基板相对于框体可拆卸设置。
4.根据权利要求2所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述温度传感器设于紫铜基板表面的中心和四周。
5.根据权利要求1所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述发热元件为S型电阻丝，发热元件两端穿过所述壳体并通过紧固件固定。
6.根据权利要求2所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述框体边侧突出设置，紫铜基板卡设于框体突出边侧内；
或者，所述框体内表面在发热元件下方设置保温零件。
7.根据权利要求1所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置，其特征在于，所述发热元件的开关设于所述壳体外，开关与发热元件的两端连接，该开关与所述的控制器连接。
8.一种针对激光沉积技术的温度调控方法，其特征在于，采用根据权利要求1-7中任一项所述的一种激光沉积中零件用温度调控装置。
9.根据权利要求8所述的一种针对激光沉积技术的温度调控方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)温度传感器将检测到的温度数据传送给控制器，控制器计算多个温度数据的平均值作为沉积底座的实际温度值；
2)用户通过控制器输入预热温度值，控制器判断沉积底座实际温度值与设定预热温度值的差值，从而控制发热元件进行发热，保证沉积底座温度与预热温度值一致；
3)激光沉积成型过程中，控制器控制发热元件的温度为设定值；
4)激光沉积成型完成后，用户选择冷却速率，控制器获得沉积底座实际温度值与室内温度值，控制器控制发热元件间歇发热，对零件进行冷却，直至沉积底座温度冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的一种针对激光沉积技术的温度调控方法，其特征在于，所述步骤4)中控制发热元件的过程如下：控制器通过沉积底座实际温度值与室内温度值的差值同用户输入冷却速率参数，计算出沉积底座冷却到室温所需要的时间，并将整个时间区域离散成若干个时间点，控制每个时间点沉积底座应该达到的温度，进行冷却。
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