CN108436229B - 一种用于电弧增材制造的局部冷却装置及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电弧增材制造的局部冷却装置，包括内部设有空腔的壳体，所述壳体的底部设有电弧增材结构件的下通口，所述壳体的顶部设有电弧增材结构件的上通口，所述空腔中填充有紫铜珠，所述空腔中设有水冷铜壁。该用于电弧增材制造的局部冷却装置的结构简单，通过紫铜珠与电弧增材结构件、紫铜珠之间及紫铜珠与水冷铜壁之间的柔性接触，将热量传导出去，起到快速冷却作用。

Description

一种用于电弧增材制造的局部冷却装置及其冷却方法

技术领域

本发明涉及一种用于电弧增材制造的局部冷却装置及其冷却方法，属于电弧增材制造技术领域。

背景技术

电弧增材制造是以电弧作为热源，通过将焊丝熔化，按照分层软件导出来的特定轨迹在固定在工作台的基板上逐层往上堆积，得到由全焊缝金属组成的三维实体零件。与激光、电子束增材制造相比，具有生产成本低、生产效率高、环境污染风险低等优点，特别是成型效率方面，其堆积速度可达到8kg/h，能量利用率可达90%以上，十分适合大型金属结构件的快速、低成本制造，具有广泛的应用前景。

但在电弧增材制造的加工过程，电弧热量逐层累积，为了避免下一层电弧熔敷金属温度过高导致金属流淌进而造成成形精度变差的问题，因此在每一层金属结构电弧增材制造前，需等待层间温度降低到合适范围。层间温度冷却时间的长短，不仅极大影响了制造效率，对于一些导热率较低的材料，比如钛合金，低合金钢以及不锈钢等材料来说，较低的冷却速率还会加重晶粒的长大倾向，影响成形结构的力学性能。目前，针对增材制造所使用的冷却手段主要包括两种类型：第一种使用带有内部冷却流道的平台，增材基板放置于平台上，通过平台与基板的面面接触来进行快速散热，在增材结构件高度的不断增加的情况下，特别是薄壁墙体或筒形件，新熔敷的金属层距离冷却基板越来越远，冷却通道逐渐减少且距离变长，导致冷却时间越来越长。第二种方法使用气体或液体直接与增材结构件接触，通过自然或强制对流促进增材结构件的散热冷却。如在激光增材制造过程中进行同步冷却（如授权专利201511028009.4），通过液氮或惰性气体等冷却介质来实现钛合金、不锈钢等热导率较低金属的快速冷却及接头氧化问题。或在电弧增材制造筒形件过程中（如授权专利201720289080.6，公开专利CN106670623A），采用对增材结构表面喷射水或空气进行强制对流冷却。或在电弧增材制造结构件过程中，将部分结构置于水中，并不断调整水位来加快层间温度的冷却速度（如公开专利CN107470620A）。但上述气体对流传热方法冷却速度要远低于直接接触传热，同时需要耗费大量液氮或惰性气体，如果使用液体对流冷却还会导致增材环境湿度增加，容易引起增材结构件出现内部缺陷导致综合力学性能下降。

综上所述，现有专利设计虽在一定程度上满足激光或电弧增材制造所需要的温度控制问题，但在局部控温冷却位置的移动变换、散热方式及对增材结构金属组织性能的影响、冷却介质损耗等方面存在不足。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电弧增材制造的局部冷却装置及其冷却方法，不仅结构简单，而且便捷高效。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于电弧增材制造的局部冷却装置，包括内部设有空腔的壳体，所述壳体的底部设有电弧增材结构件的下通口，所述壳体的顶部设有电弧增材结构件的上通口，所述空腔中填充有紫铜珠，所述空腔中设有水冷铜壁。

优选的，所述壳体由气体保护下托镶块、两水冷铜壁、上盖板、前固定板、后固定板围成，其中两水冷铜壁分别位于壳体的左右侧，气体保护下托镶块固连在两水冷铜壁底面，上盖板固连在两水冷铜壁顶面，前固定板固连在两水冷铜壁前面，后固定板固连在两水冷铜壁后面。

优选的，所述水冷铜壁的内部均设有水冷流道，所述水冷铜壁顶面均设有斜向下通往空腔的落珠通道，所述上盖板上对应落珠通道的位置开设有落珠孔，落珠孔上设有密封塞。

优选的，所述气体保护下托镶块的内部设有气体通道，所述气体保护下托镶块上设有通往气体通道的进气管，所述气体保护下托镶块与空腔内的紫铜珠接触的面为紫铜冲孔板，所述紫铜冲孔板上设有出气孔。

优选的，所述壳体的顶面设有左右对称于电弧增材结构件的两对射式光电开关，所述壳体的顶面还设有红外测温仪。

优选的，所述上盖板的顶面设有耐高温层。

优选的，所述紫铜冲孔板至上往下朝下通口方向倾斜，所述上盖板至上往下朝上通口方向倾斜。

优选的，所述气体保护下托镶块、两水冷铜壁、上盖板、前固定板、后固定板的材质均为紫铜。

优选的，所述后固定板与升降机构连接，所述升降机构为与后固定板连接的滚珠丝杆副或气缸或油缸。

一种用于电弧增材制造的局部冷却装置的冷却方法，按以下步骤进行：紫铜珠依靠自身重力与电弧增材结构件侧表面柔性接触，通过紫铜珠之间、紫铜珠与空腔内部气体之间、紫铜珠与水冷铜壁之间的接触逐步建立传热通道，加快电弧增材结构件的冷却速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该用于电弧增材制造的局部冷却装置的结构简单，通过紫铜珠与电弧增材结构件、紫铜珠之间及紫铜珠与水冷铜壁之间的柔性接触，将热量传导出去，起到快速冷却作用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图一。

图2为本发明实施例的构造示意图二。

图3为气体保护下托镶块的构造示意图。

图4为本发明实施例的工作状态示意图一。

图5为本发明实施例的工作状态示意图二。

图6为本发明实施例的工作状态示意图三。

图7为本发明实施例的工作状态示意图四。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1-7所示，一种用于电弧增材制造的局部冷却装置，包括内部设有空腔的壳体，所述壳体的底部设有电弧增材结构件1的下通口2，所述壳体的顶部设有电弧增材结构件的上通口3，所述空腔中填充有紫铜珠4，所述空腔中设有水冷铜壁5。

在本发明实施例中，所述壳体由气体保护下托镶块6、两水冷铜壁、上盖板7、前固定板8、后固定板9围成，其中两水冷铜壁分别位于壳体的左右侧，气体保护下托镶块固连在两水冷铜壁底面，上盖板固连在两水冷铜壁顶面，前固定板固连在两水冷铜壁前面，后固定板固连在两水冷铜壁后面。

在本发明实施例中，所述气体保护下托镶块的数量为两个并左右对称设置在壳体的底部两侧，气体保护下托镶块均与两水冷铜壁、前固定板、后固定板固连。

在本发明实施例中，所述水冷铜壁的内部均设有水冷流道10，所述水冷铜壁顶面均设有斜向下通往空腔的落珠通道11，所述上盖板上对应落珠通道的位置开设有落珠孔12，落珠孔上设有密封塞13。

在本发明实施例中，所述气体保护下托镶块的内部设有气体通道14，所述气体保护下托镶块上设有通往气体通道的进气管15，所述气体保护下托镶块与空腔内的紫铜珠接触的面为紫铜冲孔板16，所述紫铜冲孔板上设有出气孔17，保护气体通过出气孔吹出，气体吹力应限制在不引起紫铜珠扰动的范围内。

在本发明实施例中，所述壳体的顶面设有左右对称于电弧增材结构件的两对射式光电开关18，所述壳体的顶面还设有红外测温仪19。

在本发明实施例中，所述上盖板的顶面设有耐高温层20。

在本发明实施例中，所述紫铜冲孔板至上往下朝下通口方向倾斜，所述上盖板至上往下朝上通口方向倾斜。

在本发明实施例中，所述气体保护下托镶块、前固定板、后固定板与电弧增材结构件侧表面之间的间隙为L，在局部冷却装置使用半径为R的紫铜珠时，应控制在0＜ L ≤R的范围内，以防止紫铜珠掉落或卡于间隙处。

在本发明实施例中，所述气体保护下托镶块、两水冷铜壁、上盖板、前固定板、后固定板的材质均为紫铜。

在本发明实施例中，所述后固定板与升降机构21连接，所述升降机构为与后固定板连接的滚珠丝杆副或气缸或油缸等，为现有技术；局部冷却装置通过升降机构来实现高低位置的变化，装置顶部的对射式光电开关用于检测电弧增材结构件上表面23，对射式光电开关由发射器和接收器组成，其工作原理是：通过发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间阻断光线时，光电开关就产生开关信号，当电弧增材结构件高度增加阻断光线时，对射式光电开关产生信号，局部冷却装置可通过升降机构进行升高调节直至发射器发出的光线再次进入接收器，装置顶部的红外测温仪对电弧增材结构件层间温度和冷却速度进行检测和反馈，其中对射式光电开关、红外测温仪、升降机构均与控制器电性连接。

一种用于电弧增材制造的局部冷却装置的冷却方法，按以下步骤进行：紫铜珠依靠自身重力与电弧增材结构件侧表面柔性接触，通过紫铜珠之间、紫铜珠与空腔内部气体之间、紫铜珠与水冷铜壁之间的接触逐步建立传热通道，加快电弧增材结构件的冷却速度；通过柔性接触导热促使电弧增材结构件的快速冷却，缩短等待层间温度下降的时间，提高电弧增材的制造效率和金属组织性能。

电弧增材制造工艺为使用惰性气体保护电弧焊接工艺进行熔敷金属层的三维离散式堆积的工艺技术，所针对的增材结构材料涵盖钢、铝合金、钛合金等各类焊接性能良好的金属材料；本发明的冷却方法利用导热率仅次于银的紫铜珠来建立冷却通道，实现电弧增材焊道的快速冷却，缩短焊道表面达到预定层间温度进行下一层电弧增材制造所需等待的时间，提升电弧增材制造效率，细化金属组织晶粒，提高构件的综合力学性能，并且在冷却装置升降过程中，紫铜珠之间的相对滚动减少了冷却介质的损耗；冷却速度可以通过如下三个方面进行调节：①通过紫铜珠的尺寸大小来调节其与电弧增材结构件、水冷铜壁及保护气体之间的接触面积，控制传热速度；②通过控制紫铜珠填充量来调节传热通道的数量；③通过在高度上控制冷却装置与电弧增材结构件上表面之间的距离，来调节传热通道的长短。本发明采用局部冷却装置对电弧增材结构件进行局部冷却，相比传统在电弧增材结构件底部使用冷却基板，装置距离电弧增材表面更近，缩短了热量传输的距离，提高了层间温度的冷却效率，同时避免了直接使用冷却液体与电弧增材结构件相接触所导致的电弧增材环境湿度的增加，提高了电弧增材结构件的金属组织性能；采用导热性能良好的紫铜珠作为主要散热介质，可以提高与电弧增材结构件粗糙表面的接触面积，升降过程中紫铜珠通过滚动摩擦减少固体冷却介质面面滑动摩擦所产生的磨损和运动干涉；充分利用固-固传热（如紫铜珠与电弧增材结构件、紫铜珠与水冷铜壁）、固-气传热（如紫铜珠与流动的保护气体）和固液传热（水冷铜壁与水冷流道里的水）这三种传热方式，极大提高了电弧增材结构件粗糙表面的冷却效果，同时紫铜珠的填充也减少了保护气体的用量，特别适合于钛合金这一类需要严格焊后控温冷区和保护的金属增材过程。

在本发明实施例中，图4-图7示意性地表示了用焊枪22电弧增材制造的局部冷却装置的使用方法及过程：如图4所示，初始阶段进行墙体结构件电弧增材制造时，局部冷却装置下表面与增材基板24相接触，因为此时电弧增材结构件高度不高，电弧增材结构件上表面离增材基板距离近，层间温度冷却速度快，此时只有气体保护下托镶块释放保护气体，气体保护的持续时间视电弧增材具体工艺而定，局部冷却装置内无紫铜珠的填充，上盖板也未盖上；如图5所示，当墙体增材结构件电弧增材制造到一定高度后，开始填充一定量的紫铜珠进行冷却，并随电弧增材结构件高度不断升高持续填充紫铜珠；如图6所示，当墙体增材结构件高度高于上盖板最低位置后，盖上上盖板，填充满紫铜珠，随着电弧增材结构件的高度继续增加，对射式光电开关开始控制局部冷却装置的上升以保持与电弧增材结构件上表面23的距离，同时红外测温仪开始检测电弧增材结构件上表面的层间温度及冷却速度，直至电弧增材过程结束。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的用于电弧增材制造的局部冷却装置及其冷却方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：包括内部设有空腔的壳体，所述壳体的底部设有电弧增材结构件的下通口，所述壳体的顶部设有电弧增材结构件的上通口，所述空腔中填充有紫铜珠，所述空腔中设有水冷铜壁；所述壳体由气体保护下托镶块、两水冷铜壁、上盖板、前固定板、后固定板围成，其中两水冷铜壁分别位于壳体的左右侧，气体保护下托镶块固连在两水冷铜壁底面，上盖板固连在两水冷铜壁顶面，前固定板固连在两水冷铜壁前面，后固定板固连在两水冷铜壁后面；所述水冷铜壁的内部均设有水冷流道，所述水冷铜壁顶面均设有斜向下通往空腔的落珠通道，所述上盖板上对应落珠通道的位置开设有落珠孔，落珠孔上设有密封塞。

2.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述气体保护下托镶块的内部设有气体通道，所述气体保护下托镶块上设有通往气体通道的进气管，所述气体保护下托镶块与空腔内的紫铜珠接触的面为紫铜冲孔板，所述紫铜冲孔板上设有出气孔。

3.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述壳体的顶面设有左右对称于电弧增材结构件的两对射式光电开关，所述壳体的顶面还设有红外测温仪。

4.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述上盖板的顶面设有耐高温层。

5.根据权利要求2所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述紫铜冲孔板至上往下朝下通口方向倾斜，所述上盖板至上往下朝上通口方向倾斜。

6.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述气体保护下托镶块、两水冷铜壁、上盖板、前固定板、后固定板的材质均为紫铜。

7.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造的局部冷却装置，其特征在于：所述后固定板与升降机构连接，所述升降机构为与后固定板连接的滚珠丝杆副或气缸或油缸。

8.一种用于电弧增材制造的局部冷却装置的冷却方法，其特征在于，采用如权利要求1-7所述的任一种用于电弧增材制造的局部冷却装置，并按以下步骤进行：紫铜珠依靠自身重力与电弧增材结构件侧表面柔性接触，通过紫铜珠之间、紫铜珠与空腔内部气体之间、紫铜珠与水冷铜壁之间的接触逐步建立传热通道，加快电弧增材结构件的冷却速度。