CN108994426A - 金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法，该装置包括冷却罩、气流缓冲装置、升降装置等，气流缓冲装置可保证通入的低温冷却气体均匀分布在堆积层上，通过调节前、后滑动金属挡板，可有效调节堆积层的冷却范围，金属构件电弧填丝增材制造实时降温方法如下：提前在冷却罩内通入低温冷却气体，成形前n层时，每成形一层，将焊枪和前、后滑动金属挡板提升切片高度h，冷降温装置降低h，成形剩余层时，每成形一层，仅将焊枪提升h，本发明方法提出的金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法可有效调节堆积层的冷却范围，并提高堆积层的冷却效率，同时解决了传统电弧填丝增材制造热积累严重的难题。

Description

金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法

技术领域

本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法。

背景技术

电弧填丝增材制造是采用焊接电弧作为热源，金属丝材为填充材料，逐层制造成形全焊缝的金属构件。该技术的最大优势是设备成本低、堆积效率高，因而在航空航天、国防军工等领域的大尺寸金属构件的制造上具有广阔的应用前景。

但是电弧填丝增材制造在保持高堆积效率的同时，也不可避免的存在电弧热输入大、堆积过程热积累严重的问题，这种现象在多层单道薄壁构件的制造时，更为突出。堆积件的热积累严重，导致堆积过程熔池散热变差及凝固时间增加、熔池形状难以控制，堆积层冷却速率下降，甚至引起成形件的组织粗大、性能恶化及服役性能下降等一系列难题。目前，解决这一技术难题的方法主要有以下几种：①尽量采用小工艺参数；②增大层间等待时间，待层间温度降至设定值时，然后开始堆积下一层；③在成形基板上通入循环冷却水，使基板及堆积层降温。但是，上述方法①和②会降低电弧填丝增材制造的成形效率，方法③仅在堆积前几层时效果明显，随金属构件堆积高度的增加，热积累严重的问题同样突出。因此，上述方法存在一系列缺点，有必要进行改进。

中国专利申请号：201510765786.0名为“一种焊接时焊缝实时保护罩”的专利提供了一种焊接时焊缝实时保护罩，但该装置仅适合焊接过程，无法用于电弧增材制造堆积层的保护并调节保护范围，也无法降低堆积层的热积累。为此，亟需提出一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与方法，以解决电弧填丝增材制造过程热积累严重引起的成形质量差的技术难题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决电弧填丝增材制造过程热积累严重引起的成形质量差的技术难题，提供一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置与利用该装置进行降温的方法。

为实现上述发明目的，本发明提供技术方案如下：

一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，包括由顶板、前封装板、后封装板、左侧板、右侧板围成的冷却罩，所述顶板上设有金属杆、以及连通至冷却罩的第一进气管、第二进气管，第一进气管和第二进气管用于向冷却罩内通入低温冷却气体，所述前封装板和后封装板的下端均设有矩形窗口，矩形窗口的宽度为W，高度为H，用于防止堆积层与前封装板和后封装板发生碰撞，前封装板和后封装板的左右两侧均纵向设置有波浪形导轨，前封装板的波浪形导轨上滑动连接有可上下滑动的前滑动金属挡板，后封装板的波浪形导轨上滑动连接有可上下滑动的后滑动金属挡板，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板用于阻挡冷却罩内的低温冷却气体外流，所述波浪形导轨用于调节前滑动金属挡板和后滑动金属挡板对金属构件堆积高度的保护范围，所述前滑动金属挡板和后滑动金属挡板的中下部均设有矩形块，矩形块中放置有两端各固定一个钢珠的弹簧，弹簧用于将钢珠紧压在波浪形导轨的凹槽内，完成前滑动金属挡板和后滑动金属挡板的自锁，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板的顶部为翻折的手持部，用于手动控制前滑动金属挡板和后滑动金属挡板的升降；

所述冷却罩内在冷却罩外壳左侧板和右侧板之间设有平行于顶板的气流缓冲装置，气流缓冲装置包括上下两层粗丝金属网、两层粗丝金属网之间的细丝金属网，细丝金属网与上下两层粗丝金属网之间都均匀填充有金属钢毛，气流缓冲装置通过冷却罩外壳左侧板和右侧板内侧安装的金属薄片固定，所述粗丝金属网用于缓冲冷却气流流速并使气流均匀分散充满冷却罩，细丝金属网用于分隔支撑两层金属钢毛和缓冲冷却气流，金属钢毛用于进一步缓冲冷却气体并使冷却气流均匀分布在金属构件的堆积层上。

作为优选方式，第一进气管和第二进气管之间设有金属杆，金属杆通过升降装置上的固定螺母与升降装置连接，升降装置固定在焊枪上，通过调节升降装置的位置来控制冷却罩的高度。

作为优选方式，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板的宽度为30～80mm，其高度分别与前封装板和后封装板的高度相同。

作为优选方式，矩形窗口的宽度W为15～40mm，高度H为15～70mm。

作为优选方式，冷却罩、前滑动金属挡板和后滑动金属挡板均选用热导率为0.2～30W/(m℃)的耐高温材料。

作为优选方式，细丝金属网选用50～100目的铜网，粗丝金属网选用20～50目的钢网。

作为优选方式，细丝金属网为1～3片，粗丝金属网为2～6片。

作为优选方式，金属构件为不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置的降温方法，包括如下步骤：

步骤一：依据金属构件三维模型，分层切片并规划堆积路径，设定堆积工艺参数，降温装置与焊枪连接并置于基板表面，使前封装板底部到焊枪轴线的水平距离为8～20mm，然后向第一进气管和第二进气管内通入温度为-20～-100℃的低温气体，冷却气体流量为6～45L/min，提前通气时间为30～150s；

步骤二：启动电弧热源，当堆积前n层时，n＝[H/h]，其中h为分层切片高度，H为矩形窗口高度，[]表示取整符号，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h，随后调节升降装置上的固定螺母，使降温装置整体向下降低h，将前滑动金属挡板和后滑动金属挡板提升高度h；

步骤三：待前n层堆积完成后，开始堆积金属构件剩余层，在金属构件剩余层堆积过程中，降温装置不再整体向下降低h，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板不再提升高度h，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h。

本发明的有效益果为：本发明设计的金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，在冷却罩内通入低温冷却气体，独特的气流缓冲装置使得冷却气体均匀分布在堆积层上，提高了冷却气体对堆积层冷却效率，通过调节前、后滑动金属挡板，可有效调节堆积高度的冷却范围，克服了一般冷却罩仅能对单层制造进行保护的缺点。本发明提供的金属构件电弧填丝增材制造实时降温方法，通过在冷却罩内通入低温冷却气体对堆积层进行冷却，可快速降低堆积层温度，解决电弧填丝增材制造过程中因热积累严重造成的成形质量差的难题。

附图说明

图1为金属构件电弧填丝增材制造实时降温冷却罩整体结构示意图；

图2为金属薄片示意图；

图3为金属构件电弧填丝增材制造实时降温方法示意图；

图4为滑动金属挡板与封装板结构拆分图；

图5为升降装置结构示意图。

1为顶板，2为第一进气管，3为金属杆，4为第二进气管，5为前滑动金属挡板，6为粗丝金属网，7为金属钢毛，8为细丝金属网，9为后滑动金属挡板，10为升降装置，11为金属薄片，12为低温冷却气体，13为焊枪，14为基板，15为当前堆积层，16为熔池，17为钢珠，18为弹簧，19为矩形块，20为波浪形导轨，21为前封装板，22为后封装板，23为左侧板，24为右侧板。

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为：金属增材制造热源由福尼斯焊机提供，运动执行装置为ABB机器人，焊枪13为熔化极气体保护焊枪，冷却罩固定在焊枪上，基板14为Q235低碳钢，基板尺寸为250mm×100mm×10mm，填充材料为直径1.2mm的金属丝材，试验工艺参数为：堆积电流150A，电弧电压22V，行走速度5mm/s。冷却罩内通入的低温气体可使用绝热气瓶内的低温气体，或使用冷却浴对保护气瓶进行冷却。

如图1、图2、图4、图5所示，一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，包括由顶板1、前封装板21、后封装板22、左侧板23、右侧板24围成的冷却罩，所述顶板1上设有金属杆3、以及连通至冷却罩的第一进气管2、第二进气管4，第一进气管2和第二进气管4用于向冷却罩内通入低温冷却气体12，所述前封装板21和后封装板22的下端均设有矩形窗口，矩形窗口的宽度为W，高度为H，用于防止堆积层与前封装板21和后封装板22发生碰撞，前封装板21和后封装板22的左右两侧均纵向设置有波浪形导轨20，前封装板21的波浪形导轨20上滑动连接有可上下滑动的前滑动金属挡板5，后封装板22的波浪形导轨20上滑动连接有可上下滑动的后滑动金属挡板9，前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9用于阻挡冷却罩内的低温冷却气体12外流，所述波浪形导轨20用于调节前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9对金属构件堆积高度的保护范围，所述前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9的中下部均设有矩形块19，矩形块19中放置有两端各固定一个钢珠17的弹簧18，弹簧18用于将钢珠17紧压在波浪形导轨20的凹槽内，完成前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9的自锁，前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9的顶部为翻折的手持部，用于手动控制前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9的升降；

所述冷却罩内在冷却罩外壳左侧板23和右侧板24之间设有平行于顶板1的气流缓冲装置，气流缓冲装置包括上下两层粗丝金属网6、两层粗丝金属网6之间的细丝金属网8，细丝金属网8与上下两层粗丝金属网6之间都均匀填充有金属钢毛7，气流缓冲装置通过冷却罩外壳左侧板23和右侧板24内侧安装的金属薄片11固定，所述粗丝金属网6用于缓冲冷却气流流速并使气流均匀分散充满冷却罩，细丝金属网8用于分隔支撑两层金属钢毛7和缓冲冷却气流，金属钢毛7用于进一步缓冲冷却气体并使冷却气流均匀分布在金属构件的堆积层上。

第一进气管2和第二进气管4之间设有金属杆3，金属杆3通过升降装置10上的固定螺母与升降装置10连接，升降装置10固定在焊枪上，通过调节升降装置10的位置来控制冷却罩的高度。

前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9的宽度为30～80mm，其高度分别与前封装板21和后封装板22的高度相同。

矩形窗口的宽度W为15～40mm，高度H为15～70mm。

冷却罩、前滑动金属挡板5和后滑动金属挡板9均选用热导率为0.2～30W/(m℃)的耐高温材料。

细丝金属网8选用50～100目的铜网，粗丝金属网6选用20～50目的钢网。

细丝金属网8为1～3片，粗丝金属网6为2～6片。

金属构件为不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料。

如图3所示，本实施例还提供一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置的方法，具体步骤如下：

步骤一：依据金属构件三维模型，分层切片并规划堆积路径，设定堆积工艺参数，降温装置与焊枪连接并置于基板表面，使前封装板底部到焊枪轴线的水平距离为8～20mm，然后向第一进气管和第二进气管内通入温度为-20～-100℃的低温气体，冷却气体流量为6～45L/min，提前通气时间为30～150s；

步骤二：启动电弧热源，当堆积前n层时，n＝[H/h]，其中h为分层切片高度，H为矩形窗口高度，[]表示取整符号，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h，随后调节升降装置上的固定螺母，使降温装置整体向下降低h，将前滑动金属挡板和后滑动金属挡板提升高度h；

步骤三：待前n层堆积完成后，开始堆积金属构件剩余层，在金属构件剩余层堆积过程中，降温装置不再整体向下降低h，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板不再提升高度h，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h。

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)

1.一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：包括由顶板(1)、前封装板(21)、后封装板(22)、左侧板(23)、右侧板(24)围成的冷却罩，所述顶板(1)上设有金属杆(3)、以及连通至冷却罩的第一进气管(2)、第二进气管(4)，第一进气管(2)和第二进气管(4)用于向冷却罩内通入低温冷却气体(12)，所述前封装板(21)和后封装板(22)的下端均设有矩形窗口，矩形窗口的宽度为W，高度为H，用于防止堆积层与前封装板(21)和后封装板(22)发生碰撞，前封装板(21)和后封装板(22)的左右两侧均纵向设置有波浪形导轨(20)，前封装板(21)的波浪形导轨(20)上滑动连接有可上下滑动的前滑动金属挡板(5)，后封装板(22)的波浪形导轨(20)上滑动连接有可上下滑动的后滑动金属挡板(9)，前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)用于阻挡冷却罩内的低温冷却气体(12)外流，所述波浪形导轨(20)用于调节前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)对金属构件堆积高度的保护范围，所述前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)的中下部均设有矩形块(19)，矩形块(19)中放置有两端各固定一个钢珠(17)的弹簧(18)，弹簧(18)用于将钢珠(17)紧压在波浪形导轨(20)的凹槽内，完成前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)的自锁，前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)的顶部为翻折的手持部，用于手动控制前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)的升降；

所述冷却罩内在冷却罩外壳左侧板(23)和右侧板(24)之间设有平行于顶板(1)的气流缓冲装置，气流缓冲装置包括上下两层粗丝金属网(6)、两层粗丝金属网(6)之间的细丝金属网(8)，细丝金属网(8)与上下两层粗丝金属网(6)之间都均匀填充有金属钢毛(7)，气流缓冲装置通过冷却罩外壳左侧板(23)和右侧板(24)内侧安装的金属薄片(11)固定，所述粗丝金属网(6)用于缓冲冷却气流流速并使气流均匀分散充满冷却罩，细丝金属网(8)用于分隔支撑两层金属钢毛(7)和缓冲冷却气流，金属钢毛(7)用于进一步缓冲冷却气体并使冷却气流均匀分布在金属构件的堆积层上。

2.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：第一进气管(2)和第二进气管(4)之间设有金属杆(3)，金属杆(3)通过升降装置(10)上的固定螺母与升降装置(10)连接，升降装置(10)固定在焊枪上，通过调节升降装置(10)的位置来控制冷却罩的高度。

3.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)的宽度为30～80mm，其高度分别与前封装板(21)和后封装板(22)的高度相同。

4.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：矩形窗口的宽度W为15～40mm，高度H为15～70mm。

5.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：冷却罩、前滑动金属挡板(5)和后滑动金属挡板(9)均选用热导率为0.2～30W/(m℃)的耐高温材料。

6.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：细丝金属网(8)选用50～100目的铜网，粗丝金属网(6)选用20～50目的钢网。

7.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：细丝金属网(8)为1～3片，粗丝金属网(6)为2～6片。

8.根据权利要求1所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置，其特征在于：金属构件为不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料。

9.权利要求1至8任意一项所述的一种金属构件电弧填丝增材制造实时降温装置的降温方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：依据金属构件三维模型，分层切片并规划堆积路径，设定堆积工艺参数，降温装置与焊枪连接并置于基板表面，使前封装板底部到焊枪轴线的水平距离为8～20mm，然后向第一进气管和第二进气管内通入温度为-20～-100℃的低温气体，冷却气体流量为6～45L/min，提前通气时间为30～150s；

步骤二：启动电弧热源，当堆积前n层时，n＝[H/h]，其中h为分层切片高度，H为矩形窗口高度，[]表示取整符号，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h，随后调节升降装置上的固定螺母，使降温装置整体向下降低h，将前滑动金属挡板和后滑动金属挡板提升高度h；

步骤三：待前n层堆积完成后，开始堆积金属构件剩余层，在金属构件剩余层堆积过程中，降温装置不再整体向下降低h，前滑动金属挡板和后滑动金属挡板不再提升高度h，每堆积一层后，将焊枪提升一个分层切片高度h。