CN108856975A - 减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法 - Google Patents

减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法，该装置包括堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统四个部分，在电弧增材制造过程中，通过水冷系统使冷却水不断流经堆积层侧面并带走大部分热量，快速降低堆积层温度；传感系统通过温度传感器与水位传感器实时采集水冷系统中的温度信息及水位信息；计算机控制系统通过传感系统采集到的信息自动控制水冷系统中的水位与温度，基于该装置的电弧增材制造方法，通过循环恒定温度冷却水的方式，有效解决了金属构件堆积过程引起的严重堆积层热积累难题，大幅提高了电弧增材制造方法的成形效率和成形质量，细化了金属构件组织晶粒。

Description

减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法。
背景技术
电弧增材制造作为一种低成本高效率的金属增材制造方法，在推进金属增材制造技术向民用化、规模化发展方面具有重要意义。然而，电弧增材制造在金属构件的制造过程中面临着严重的堆积层热积累问题，这制约了该技术在实际中的应用。
电弧增材制造技术以金属丝材作为原料，通过电弧为热源将丝材熔化，在基板上自下而上逐层堆积形成金属构件。在金属构件的堆积过程中，随着堆积层数的逐渐增加，已成形的堆积件散热条件变差，导致了严重的堆积层热积累。一方面，堆积层热积累导致液态熔池存在时间过长，增大了熔池的不稳定性，使得堆积层成形质量变差，降低了成形精度，最恶劣的情况下，甚至能中断成形，使堆积过程无法继续进行。另一方面，堆积层热积累会导致金属微观组织中的晶粒在凝固过程中过度生长，导致金属构件组织晶粒粗大，机械性能降低。为了避免上述情况的发生，目前主要采用两种方法抑制堆积层热积累问题：一是通过降低成形电流来降低堆积层的热输入；二是在每一层堆积完成后，设置一定的等待时间，使堆积件温度降低至合适温度才能开始成形下一堆积层。但是上述两种方法都会造成电弧增材制造成形效率的降低。
基于以上原因，亟需提出一种新的方法，解决金属构件在堆积过程中产生的堆积层热积累问题，提高电弧增材制造的成形效率。而通过物理手段改善金属构件堆积层的散热条件，抑制其热积累，则是一种可行的改进思路。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是为了解决金属构件在电弧增材制造过程中受散热条件限制所产生的严重热积累问题，提供了一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将基板打磨清理后置入水箱中，用水箱中的夹具固定紧，启动计算机控制系统与电弧增材制造电源，计算机控制系统中的控制程序完成初始化，此时，水箱中无水，实际水位H为0，通过数据采集卡向入水阀输出控制信号，打开入水阀，通过入水管往水箱中注入温度为T的冷却水，使实际水位H不断上升，直到到达初始化所设定的预设水位h0，h0的高度低于基板上表面的高度，与基板上表面的垂直距离为d，当H＝h0时，输出控制信号关闭入水阀，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；
步骤二：引燃电弧，焊枪沿预设路径运动，完成第一堆积层的成形，计算机控制系统通过堆积层高度h计算出一个新的预设水位h1，h1＝h0+h，h1的高度低于第一堆积层上表面，与第一堆积层上表面的垂直距离为d，同时水位传感器采集到当前的水位深度，并通过压电效应转化为电压模拟信号，并将该电压模拟信号传入数据采集卡中转换成电压数字信号，然后传入计算机控制系统中，计算出当前水箱中的实际水位H1；计算机控制系统将当前实际水位H1与预设水位h1相比较，当H1<h1时，向入水阀输出控制信号，打开入水阀阀门，导通入水管，向水箱中注入温度恒定为T的冷却水，使实际水位H1不断上升，当H1＝h1时，输出控制信号关闭入水阀；
步骤三：温度传感器采集水箱中冷却水的当前温度t，并将该参数转化为电压信号通过数据采集卡传入计算机控制系统中，计算机控制系统将当前温度t与恒定温度T相比较，当t-T>t0，输出控制信号同时打开入水阀与出水阀，入水阀向水箱中注水，入水阀注入的冷却水温度恒定为T；当t-T≤t0，输出控制信号关断入水阀与出水阀；其中t0为预先设定值；
步骤四：将焊枪抬高h，重复步骤二、三，完成剩余堆积层的成形；
步骤五：堆积件堆积完成后，计算机控制系统向出水阀输出控制信号，打开出水阀阀门，排出水箱中的冷却水，待冷却水完全排空后，关闭出水阀。
作为优选方式，步骤一和步骤二中，所设定的d为10-15mm。d设为10-15mm的原因是因为若d过低，则预设水位过高，水面距离电弧过近，在燃弧过程中液态水大量蒸发，使得电弧周围湿度大幅度提高，不利于堆积层成形；若d过高，则预设水位过低，不能及时的排出堆积层积累的热量，使得该方法的散热效果降低。
作为优选方式，步骤三中，所设定的t0为5-15℃。t0为5-10℃的原因是若t0设定过低，则水冷系统需要耗费大量时间使水箱温度达到该范围；t0设定过高，则金属构件冷却时温度变化范围过大，导致金属构件的组织均匀性降低。
作为优选方式，该方法用于薄壁件或者厚壁件的成形。薄壁件由多层单道组成，每一堆积层内只有一道堆积道；厚壁件由多层多道组成，每一堆积层内有多道堆积道。
作为优选方式，该制造方法采用的装置包括四个部分：堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统；
所述堆积系统包括电弧增材制造电源、焊枪、夹具、堆积件、基板，焊枪和基板分别与电弧增材制造电源的两极相连；所述夹具、堆积件、基板都位于水箱内部，基板通过夹具固定在水箱底部，基板上方为堆积件，堆积件上方为焊枪；
所述水冷系统包括水箱、出水管、入水管、出水阀、入水阀，入水管的一端连接水源、另一端连通至水箱，入水管上设有控制入水管导通和截断的入水阀；出水管的一端连通至水箱、另一端位于水箱外，出水管上设有控制出水管导通和截断的出水阀；
所述传感系统包括温度传感器和水位传感器；温度传感器与水位传感器皆置于水箱底部，分别负责采集水箱中的实时温度t和实时水位H；在堆积过程中，t与H不断变化；
所述控制系统包括数据采集卡和计算机控制系统，温度传感器、水位传感器、出水阀、入水阀和电弧增材制造热源的通信端子分别与数据采集卡相连接，数据采集卡通过USB接口与计算机控制系统通信，数据采集卡负责对输入和输出的控制信号进行转换，计算机控制系统负责信号的处理。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置，包括四个部分：堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统；
所述堆积系统包括电弧增材制造电源、焊枪、夹具、堆积件、基板，焊枪和基板分别与电弧增材制造电源的两极相连；所述夹具、堆积件、基板都位于水箱内部，基板通过夹具固定在水箱底部，基板上方为堆积件，堆积件上方为焊枪；
所述水冷系统包括水箱、出水管、入水管、出水阀、入水阀，入水管的一端连接水源、另一端连通至水箱，入水管上设有控制入水管导通和截断的入水阀；出水管的一端连通至水箱、另一端位于水箱外，出水管上设有控制出水管导通和截断的出水阀；所采用的入水阀与出水阀皆为电磁阀。
所述传感系统包括温度传感器和水位传感器；温度传感器与水位传感器皆置于水箱底部，分别负责采集水箱中的实时温度t和实时水位H；在堆积过程中，t与H不断变化；
所述控制系统包括数据采集卡和计算机控制系统，温度传感器、水位传感器、出水阀、入水阀和电弧增材制造热源的通信端子分别与数据采集卡相连接，数据采集卡通过USB接口与计算机控制系统通信，数据采集卡负责对输入和输出的控制信号进行转换，计算机控制系统负责信号的处理。
作为优选方式，所采用的入水阀与出水阀皆为电磁阀。
作为优选方式，所采用的水位传感器为压阻式液位变送器，该压阻式液位变送器基于液体压强公式测量水面至测量点的深度H：
P＝ρgH
式中，P为测量点的压强，ρ为液体密度，g为重力加速度。
作为优选方式，所采用的温度传感器为热电偶温度传感器。
本发明设计的智能水冷电弧增材制造装置与方法具有以下优点：
(1)通过采用水冷散热的方式，抑制了金属构件堆积过程堆积层的热积累，使得在保持较高热输入的条件下，堆积过程中依然只需设置很短的层间等待时间，成形相同成形质量的金属构件所需要的总时间大幅降低，成形效率大大提高。
(2)金属构件堆积层散热条件的改善，使得构件组织在冷却过程的过冷度提高，晶粒的过度生长受到了抑制；在堆积过程中不断循环恒温冷却水，使得堆积件始终在恒定温度范围内凝固，提高了构件的组织均匀性，细化了金属构件组织晶粒。
(3)通过温度传感器和水温传感器实时采集系统中的温度及水位信息，计算机控制系统自动控制金属构件的堆积及冷却过程，操作简易，硬件成本低，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的智能水冷电弧增材制造装置的系统示意图。
1 为数据采集卡，2 为计算机控制系统，3 为电弧增材制造热源，4 为水箱箱体，5为焊枪，6 为夹具，7 为温度传感器，8 为水位传感器，9 为堆积件，10 为基板，11 为出水管，12 为入水管，13 为入水阀，14 为出水阀。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例的试验平台如下所示：电弧增材制造电源为FRONIUS TPS4000 GMAW电源，GMAW焊枪安装于ABB机器人法兰盘末端，成形过程填充丝材为直径1.2mm的低碳钢丝材。所采用的水位传感器为压阻式液位变送器，温度传感器为热电偶传感器，入水阀与出水阀皆为受计算机控制系统控制的电磁阀。
本实施例包括堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统四个部分。
所述堆积系统包括电弧增材制造电源3、焊枪5、夹具6、堆积件9、基板10，焊枪5和基板10分别与电弧增材制造电源3的两极相连；所述夹具6、堆积件9、基板10都位于水箱4内部，基板10通过夹具6固定在水箱4底部，基板10上方为堆积件9，堆积件9上方为焊枪5；
所述水冷系统包括水箱4、出水管11、入水管12、出水阀13、入水阀14，入水管12的一端连接水源、另一端连通至水箱4，入水管12上设有控制入水管12导通和截断的入水阀14；出水管11的一端连通至水箱4、另一端位于水箱4外，出水管11上设有控制出水管11导通和截断的出水阀13；水箱4尺寸为1000mm×500mm×500mm。
所述传感系统包括温度传感器7和水位传感器8；温度传感器7与水位传感器8皆置于水箱4底部，分别负责采集水箱4中的实时温度t和实时水位H；在堆积过程中，t与H不断变化。所采用的温度传感器为热电偶温度传感器。所采用的水位传感器为压阻式液位变送器，该压阻式液位变送器基于液体压强公式测量水面至测量点的深度H：
P＝ρgH
式中，P为测量点的压强，ρ为液体密度，g为重力加速度。
所述控制系统包括数据采集卡1、计算机控制系统2。温度传感器7、水位传感器8、出水阀13、入水阀14和电弧增材制造电源3的通信端子分别与数据采集卡1相连接，数据采集卡1通过USB接口与计算机控制系统2通信。数据采集卡1负责对输入和输出的控制信号进行转换，计算机控制系统2负责信号的处理。
本实施例还提供一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一：将基板打磨清理后置入水箱中，用水箱中的夹具固紧。启动计算机控制系统与GMAW电弧增材制造电源，计算机控制系统中的控制程序完成初始化，此时，水箱中无水，实际水位H为0，通过数据采集卡向入水阀输出控制信号，打开入水阀，通过入水管往水箱中注入温度为80℃的冷却水，使实际水位H不断上升，直到到达初始化所设定的预设水位h0，h0的高度低于基板上表面的高度，与基板上表面的距离为12mm，设h0＝30mm，当H＝30mm时，输出控制信号关闭入水阀，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板。
步骤二：引燃电弧，焊枪沿预设路径运动，完成第一堆积层的成形，堆积层高度h＝1.5mm。计算机控制系统通过堆积层高度计算出一个新的预设水位h1，h1＝h0+h＝31.5mm，h0的高度低于第一堆积层上表面，与第一堆积层上表面的垂直距离为12mm。同时水位传感器采集到当前的水位深度，并通过压电效应转化为电压模拟信号，并将该电压模拟信号传入数据采集卡中转换成电压数字信号，然后传入计算机控制系统中计算出当前水箱中的实际水位H1。计算机控制系统将当前实际水位H1与预设水位相比较，当H1<31.5mm时，向入水阀输出控制信号，打开入水阀阀门，导通入水管，向水箱中注入温度恒定为80℃的冷却水，使实际水位H1不断上升，当H1＝31.5mm时，输出控制信号关闭入水阀。
步骤三：温度传感器采集水箱中冷却水的当前温度t，并将该参数转化为电压信号通过数据采集卡传入计算机控制系统中，计算机控制系统将当前温度t与恒定温度80℃相比较，当t-80>10℃，输出控制信号同时打开入水阀与出水阀，入水阀注入的冷却水温度恒定为80℃；当t-80≤10℃，输出控制信号关断入水阀与出水阀。10℃为预先设定值；
步骤四：将焊枪抬高1.5mm，重复步骤二、三，完成剩余堆积层的成形。
步骤五：堆积件堆积完成后，计算机控制系统向出水阀输出控制信号，打开出水阀阀门，排出水箱中的冷却水，待冷却水完全排空后，关闭出水阀。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将基板打磨清理后置入水箱中，用水箱中的夹具固定紧，启动计算机控制系统与电弧增材制造电源，计算机控制系统中的控制程序完成初始化，此时，水箱中无水，实际水位H为0，通过数据采集卡向入水阀输出控制信号，打开入水阀，通过入水管往水箱中注入温度为T的冷却水，使实际水位H不断上升，直到到达初始化所设定的预设水位h0，h0的高度低于基板上表面的高度，与基板上表面的垂直距离为d，当H＝h0时，输出控制信号关闭入水阀，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；
步骤二：引燃电弧，焊枪沿预设路径运动，完成第一堆积层的成形，计算机控制系统通过当前堆积层高度h计算出一个新的预设水位h1，h1＝h0+h，h1的高度低于第一堆积层上表面，与第一堆积层上表面的垂直距离为d，同时水位传感器采集到当前的水位深度，并通过压电效应转化为电压模拟信号，并将该电压模拟信号传入数据采集卡中转换成电压数字信号，然后传入计算机控制系统中，计算出当前水箱中的实际水位H1；计算机控制系统将当前实际水位H1与预设水位h1相比较，当H1<h1时，向入水阀输出控制信号，打开入水阀阀门，导通入水管，向水箱中注入温度恒定为T的冷却水，使实际水位H1不断上升，当H1＝h1时，输出控制信号关闭入水阀；
步骤三：温度传感器采集水箱中冷却水的当前温度t，并将该参数转化为电压信号通过数据采集卡传入计算机控制系统中，计算机控制系统将当前温度t与恒定温度T相比较，当t-T>t0，输出控制信号同时打开入水阀与出水阀，入水阀向水箱中注水，入水阀注入的冷却水温度恒定为T；当t-T≤t0，输出控制信号关断入水阀与出水阀；其中t0为预先设定值；
步骤四：将焊枪抬高h，重复步骤二、三，完成剩余堆积层的成形；
步骤五：堆积件堆积完成后，计算机控制系统向出水阀输出控制信号，打开出水阀阀门，排出水箱中的冷却水，待冷却水完全排空后，关闭出水阀。
2.根据权利要求1所述的减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，其特征在于：步骤一和步骤二中，所设定的d为10-15mm。
3.根据权利要求1所述的减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，其特征在于：步骤三中，所设定的t0为5-15℃。
4.根据权利要求1所述的减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，其特征在于：该方法用于薄壁件或者厚壁件的成形，薄壁件由多层单道组成，每一堆积层内只有一道堆积道；厚壁件由多层多道组成，每一堆积层内有多道堆积道。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，其特征在于该制造方法采用的装置包括四个部分：堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统；
所述堆积系统包括电弧增材制造电源(3)、焊枪(5)、夹具(6)、堆积件(9)、基板(10)，焊枪(5)和基板(10)分别与电弧增材制造电源(3)的两极相连；所述夹具(6)、堆积件(9)、基板(10)都位于水箱(4)内部，基板(10)通过夹具(6)固定在水箱(4)底部，基板(10)上方为堆积件(9)，堆积件(9)上方为焊枪(5)；
所述水冷系统包括水箱(4)、出水管(11)、入水管(12)、出水阀(13)、入水阀(14)，入水管(12)的一端连接水源、另一端连通至水箱(4)，入水管(12)上设有控制入水管(12)导通和截断的入水阀(14)；出水管(11)的一端连通至水箱(4)、另一端位于水箱(4)外，出水管(11)上设有控制出水管(11)导通和截断的出水阀(13)；
所述传感系统包括温度传感器(7)和水位传感器(8)；温度传感器(7)与水位传感器(8)皆置于水箱(4)底部，分别负责采集水箱(4)中的实时温度t和实时水位H；在堆积过程中，t与H不断变化；
所述控制系统包括数据采集卡(1)和计算机控制系统(2)，温度传感器(7)、水位传感器(8)、出水阀(13)、入水阀(14)和电弧增材制造热源(3)的通信端子分别与数据采集卡(1)相连接，数据采集卡(1)通过USB接口与计算机控制系统(2)通信，数据采集卡(1)负责对输入和输出的控制信号进行转换，计算机控制系统(2)负责信号的处理。
6.一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置，其特征在于包括四个部分：堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统；
所述堆积系统包括电弧增材制造电源(3)、焊枪(5)、夹具(6)、堆积件(9)、基板(10)，焊枪(5)和基板(10)分别与电弧增材制造电源(3)的两极相连；所述夹具(6)、堆积件(9)、基板(10)都位于水箱(4)内部，基板(10)通过夹具(6)固定在水箱(4)底部，基板(10)上方为堆积件(9)，堆积件(9)上方为焊枪(5)；
所述水冷系统包括水箱(4)、出水管(11)、入水管(12)、出水阀(13)、入水阀(14)，入水管(12)的一端连接水源、另一端连通至水箱(4)，入水管(12)上设有控制入水管(12)导通和截断的入水阀(14)；出水管(11)的一端连通至水箱(4)、另一端位于水箱(4)外，出水管(11)上设有控制出水管(11)导通和截断的出水阀(13)；
所述传感系统包括温度传感器(7)和水位传感器(8)；温度传感器(7)与水位传感器(8)皆置于水箱(4)底部，分别负责采集水箱(4)中的实时温度t和实时水位H；在堆积过程中，t与H不断变化；
所述控制系统包括数据采集卡(1)和计算机控制系统(2)，温度传感器(7)、水位传感器(8)、出水阀(13)、入水阀(14)和电弧增材制造热源(3)的通信端子分别与数据采集卡(1)相连接，数据采集卡(1)通过USB接口与计算机控制系统(2)通信，数据采集卡(1)负责对输入和输出的控制信号进行转换，计算机控制系统(2)负责信号的处理。
7.根据权利要求6所述的一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置，其特征在于：所采用的入水阀与出水阀皆为电磁阀。
8.根据权利要求6所述的一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置，其特征在于：所采用的水位传感器为压阻式液位变送器，该压阻式液位变送器基于液体压强公式测量水面至测量点的深度H：
P＝ρgH
式中，P为测量点的压强，ρ为液体密度，g为重力加速度。
9.根据权利要求6所述的一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置，其特征在于：所采用的温度传感器为热电偶温度传感器。
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