CN109514068B - 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置 - Google Patents

基于电子束热丝熔丝增材制造的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109514068B
CN109514068B CN201811291854.4A CN201811291854A CN109514068B CN 109514068 B CN109514068 B CN 109514068B CN 201811291854 A CN201811291854 A CN 201811291854A CN 109514068 B CN109514068 B CN 109514068B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wire
electron beam
forming chamber
vacuum forming
vacuum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811291854.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109514068A (zh
Inventor
周琦
郭顺
徐俊强
喻嘉熙
王克鸿
李泽宇
曹嘉铖
冯曰海
彭勇
薛鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201811291854.4A priority Critical patent/CN109514068B/zh
Publication of CN109514068A publication Critical patent/CN109514068A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109514068B publication Critical patent/CN109514068B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding

Abstract

本发明公开一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，该装置包括：电子枪，该电子枪包括产生电子束的灯丝、灯丝下方的阴极、阴极下方的栅极、栅极下方的阳极、阳极下方的聚焦线圈以及聚焦线圈下方的偏转线圈，该电子枪置于电子枪真空室中；所述的电子枪真空室置于真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝；所述的电阻加热系统包括置于真空室中工作平台上的大厚度基板、可以实现升温的电阻丝和电阻丝加热控制装置，用于温度测量的热电偶。本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性。本发明的装置能够改变材料内部应力分布，减少基板变形。

Description

基于电子束热丝熔丝增材制造的装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及基于电子束热丝熔丝增材的制造装置。
背景技术
金属增材制造技术是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志。现在较为成熟的技术增材制造技术包括激光选区熔化技术（SLM）、电子束选区熔化技术（EBSM）、电子束熔丝沉积技术（EBFF）和激光立体成形技术（LSF）、电弧熔丝增材制造技术(WAAM)等。电子束熔丝沉积技术因其沉积环境处于真空环境中，材料成型美观，不易产生氧化缺陷，且电子束热源集中，热输入量大，熔丝增材速度较快，生产效率高。因此，电子束熔丝沉积技术广泛应用于航空航天领域的钛合金及易氧化金属的整体构件制造。
目前，电子束熔丝沉积技术较为成熟，但成形零件组织均匀性较差，极易出现成分偏析、组织偏析等现象。实质上，电子束熔丝沉积过程是一个微铸造过程，熔池通过“点-线-面”的过程实现零件制造。在电子束熔丝沉积过程中，零件与周围环境的热交换主要是通过辐射传热的方式进行，随着沉积层数增加，零件温度与周围环境温度不断升高，热量不断累计，从而导致基板红热、层间温度过高。这就会导致金属沉积过程流动性增加，靠近边缘区域出现“流淌”现象，零件单层表面凹凸不平，减重的降低了零件表面质量，增加了加工难度。
在沉积过程中，其冷却过程是一个瞬态非平衡过程，极易出现针状脆性组织；随着堆积层数增加，沉积层经过重复加热以及冷却过程，晶粒在该过程中不断长大，成分发生明显偏析。这不仅造成了组织的不均匀性，无法获得想要的组织形貌，且严重降低了零件的力学性能，降低零件服役时间，增加零件失效概率。另一方面，增材制造过程是一个重复焊接过程，零件整体温度分布不均匀会导致材料的出现较大的焊接应力，裂纹极易在这些位置萌生，从而降低了零件整体性能。因此，在电弧增材制造过程中，合理的控制组织演变，消除残余内应力是改善零件力学性能的关键途径之一。
发明内容
针对目前面临的技术难题，本发明公开了一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置。
实现本发明目的提供一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置。
该装置包括：电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、电阻加热系统、伺服控制系统，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝、灯丝下方的阴极、阴极下方的栅极、栅极下方的阳极、阳极下方的聚焦线圈以及聚焦线圈下方的偏转线圈，该电子枪置于电子枪真空室中；所述的电子枪真空室置于真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝，电子枪真空室与真空成形室置均通过真空系统来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，可知是真空成形室内设有通过竖直导轨实现竖直Z轴方向运动的承载平台、实现水平面XY轴方向运动的工作位移平台以及伺服控制系统；所述的送丝系统包括放置在真空成形室外的送丝机构及丝材、固定在真空成形室内的送丝枪及夹持工装；所述的电阻加热系统包括置于真空成形室内的工作位移平台上的大厚度基板、实现升温的电阻丝和电阻丝加热控制装置，以及用于温度测量的热电偶。
进一步的，电阻加热系统中，电阻丝加热控制装置与电阻丝分离，加热结构置于真空成形室内，电阻丝加热控制装置于真空成形室外。
进一步的，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，所述的大厚度同丝材成分基板厚度≥12mm，外形尺寸长×宽≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
进一步的，电子束热丝增材制造的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
进一步的，电阻加热系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
进一步的，为减少磁场对于电子束系统的破坏，电阻丝采用Cr20Ni80电阻丝。
进一步的，竖直导轨选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
进一步的，加热设备外壳选用Ti6Al4V。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1）本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性。
2）本发明的装置能够根据需求对材料内部微观组织进行设计。
3）本发明的装置能够获得力学性能优异的电子束熔丝增材制造零件。
4）本发明的装置能够改变材料内部应力分布，减少基板变形。
附图说明
图1为本发明中电子束热丝熔丝增材装置的示意图。
图2为本发明电子束增材TC4钛合金微观形貌图。
其中，1-真空成形室，2-工作位移平台，3-承载平台，4-竖直导轨，5-基板，6-电阻丝加热控制装置，7-送丝机构，8-电阻丝，9-夹持工装，10-电子气阀，11-送丝枪，12-灯丝，13-阴极，14-栅极，15-阳极，16-聚焦线圈，17-偏转线圈，18-电子枪真空室，19-伺服控制系统，20-真空系统，21-热电偶。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，该装置包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室1、工作位移平台2、电阻加热系统、伺服控制系统19，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室18中；所述的电子枪真空室18置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室1相连通以及隔绝，两个真空室均通过真空系统20来实现需要的真空度；所述的工作位移平台2置于真空成形室1中，真空成形室1内设置通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及伺服控制系统19；所述的送丝系统包括放置在真空成形室1外的送丝机构及丝材7、固定在真空成形室1内壁的送丝枪11及夹持工装9；所述的增材系统包括置于真空成形室1内工作平台上的大厚度基板5、可以实现升温的电阻丝8和电阻丝加热控制装置6，用于温度测量的热电偶21。
利用上述装置进行电子束熔丝增材制造方法为：（1）建立零件实体几何模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制系统，对需要控制的参数进行设置；（2）在加工准备阶段，对真空成形室1以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到指定位置，利用电阻丝加热系统对丝材进行预热；（3）控制系统控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到指定区域，其中电子枪的枪头固定，静止不动，方向垂直向下；（4）工作平台在Z轴方向降低一层厚度，根据设定基板温度进行热丝的送进速度补偿反馈；（5）重复步骤（3）、（4）直至零件整体成型。
进一步的，电阻丝加热装置与温度控制装置分离，加热装置置于真空成形室1内，控制系统置于真空成形室1外。
进一步的，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，所述的大厚度同丝材成分基板厚度≥12mm，外形尺寸（长×宽）≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
进一步的，电子束热丝熔丝增材制造的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
进一步的，温度控制系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
进一步的，为减少磁场对于电子束系统的破坏，采用Cr20Ni80电阻丝。
进一步的，竖直导轨选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
进一步的，加热设备外壳选用Ti6Al4V。
以采用连续送丝电子束熔丝沉积钛合金板材零件为例：
（1）根据需求，建立零件实体几何模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到伺服控制系统，对需要控制的参数进行设置；
（2）在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将1.2mm直径TC4丝材送入到指定位置，利用Cr20Ni80电阻丝加热系统对电阻丝进行加热并对丝材进行预热，预热温度为200℃；
（3）设定电子束焊接工艺参数，具体参数为：功率为1.5kW，沉积速度为20cm/min，送丝速度为0.3m/min，电子束斑点直径1.5mm，层间停留时间1min；
（4）伺服控制系统控制工作位移平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到指定区域，其中枪头固定，静止不动，方向垂直向下，依照设定路径完成第一层材料沉积；
（5）工作位移平台在Z轴方向降低0.5mm，通过热电偶测量基板温度，当温度反馈低于200℃时，电阻丝加热进行温度补偿；当温度高于200℃时，增大层间停留时间；
（6）重复步骤（4）、（5）直至零件整体成型。

Claims (7)

1.一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室(1)、工作位移平台（2）、电阻加热系统、伺服控制系统（19），所述的电子枪包括产生电子束的灯丝(12)、灯丝下方的阴极(13)、阴极下方的栅极(14)、栅极下方的阳极(15)、阳极下方的聚焦线圈(16)以及聚焦线圈下方的偏转线圈(17)，该电子枪置于电子枪真空室(18)中；所述的电子枪真空室(18)置于真空成形室(1)顶部，并通过电子气阀(10)实现与真空成形室(1)相连通以及隔绝，电子枪真空室(18)与真空成形室(1)均通过真空系统(20)来实现需要的真空度；所述的工作位移平台（2）置于真空成形室(1)中，工作位移平台(2)用于实现水平面XY轴方向运动，真空成形室(1)内设有通过竖直导轨(4)实现竖直Z轴方向运动的承载平台(3)；所述的送丝系统包括放置在真空成形室(1)外的送丝机构（7）及丝材、固定在真空成形室 (1) 内的送丝枪(11)及夹持工装(9)；所述的电阻加热系统包括实现升温的电阻丝(8) 、电阻丝加热控制装置（6）和置于工作位移平台（2）上的大厚度基板(5)，以及用于测量基板(5) 温度的热电偶（21）；上述基于电子束热丝熔丝增材制造的装置电子束熔丝增材制造过程如下：（1）建立零件实体几何模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到伺服控制系统（19），对需要控制的参数进行设置；（2）在加工准备阶段，对真空成形室（1）以及电子枪真空室（18）进行抽真空处理，送丝系统将丝材送入到指定位置，利用电阻丝加热控制装置（6）对丝材进行预热；（3）伺服控制系统（19）控制工作位移平台（2）按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到指定区域，其中电子枪的枪头固定，静止不动，方向垂直向下；（4）工作位移平台（2）在Z轴方向降低一层厚度，根据设定基板温度进行热丝的送进速度补偿反馈；（5）重复步骤（3）、（4）直至零件整体成型。
2.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，所述电阻加热系统中，电阻丝加热控制装置（6）与电阻丝(8)分离，电阻丝(8)置于真空成形室(1)内，电阻丝加热控制装置（6）于真空成形室(1)外。
3.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，基板厚度≥12mm，外形尺寸长×宽≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
4.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，所述电子束熔丝增材制造过程的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
5.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，电阻加热系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
6.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，电阻丝（8）采用Cr20Ni80电阻丝。
7.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，
竖直导轨(4)选用奥氏体不锈钢：304或者316L。
CN201811291854.4A 2018-10-31 2018-10-31 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置 Active CN109514068B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811291854.4A CN109514068B (zh) 2018-10-31 2018-10-31 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811291854.4A CN109514068B (zh) 2018-10-31 2018-10-31 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109514068A CN109514068A (zh) 2019-03-26
CN109514068B true CN109514068B (zh) 2022-01-14

Family

ID=65773972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811291854.4A Active CN109514068B (zh) 2018-10-31 2018-10-31 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109514068B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110587101A (zh) * 2019-10-17 2019-12-20 太仓束捍机电科技有限公司 一种便于切换焊件的真空电子束焊机
CN110560870A (zh) * 2019-10-17 2019-12-13 太仓束捍机电科技有限公司 一种l型真空束焊机工件放置台
CN110838427B (zh) * 2019-11-20 2022-04-29 中国航空制造技术研究院 一种用于熔丝增材制造的电子枪装置
CN112139497B (zh) * 2020-09-21 2021-12-17 大连理工大学 一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法
CN111992719B (zh) * 2020-11-02 2021-02-23 西安欧中材料科技有限公司 一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统及制备方法
CN113118609A (zh) * 2021-04-20 2021-07-16 北京航空航天大学 原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法
CN113600993B (zh) * 2021-09-01 2022-07-12 浙江智熔增材制造技术有限公司 一种丝材在网片模组上熔覆金属实体的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7168935B1 (en) * 2002-08-02 2007-01-30 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Solid freeform fabrication apparatus and methods
CN105328187A (zh) * 2015-11-21 2016-02-17 天津清研智束科技有限公司 实现电子束宽幅扫描的控制装置、方法以及增材制造设备
CN105750548A (zh) * 2015-10-29 2016-07-13 西安智熔金属打印系统有限公司 电子束金属喷射增材制造装置及方法
CN105935770A (zh) * 2016-07-07 2016-09-14 西安智熔金属打印系统有限公司 一种基于电子束熔丝成型的增材制造装置
CN106956060A (zh) * 2017-03-23 2017-07-18 湘潭大学 电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法
CN107806843A (zh) * 2017-09-25 2018-03-16 西安智熔金属打印系统有限公司 电子束熔丝增材制造形貌测量装置及其补偿控制方法
CN108437472A (zh) * 2018-03-29 2018-08-24 天津清研智束科技有限公司 一种增材制造装置及增材制造方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6521861B2 (en) * 2000-02-07 2003-02-18 General Electric Company Method and apparatus for increasing welding rate for high aspect ratio welds
US20050173380A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-11 Carbone Frank L. Directed energy net shape method and apparatus
DE102015008919A1 (de) * 2015-07-15 2017-01-19 Evobeam GmbH Verfahren zur additiven Herstellung von metallischen Bauteilen
US11440130B2 (en) * 2016-04-15 2022-09-13 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Process control of electron beam wire additive manufacturing
CN106825348B (zh) * 2016-12-30 2018-08-24 青岛卓思三维智造技术有限公司 金属锻焊增材制造装置及锻造方法
CN107498043A (zh) * 2017-07-04 2017-12-22 西安智熔金属打印系统有限公司 电子束熔丝增材制造装置及其控制方法
CN108380879A (zh) * 2018-04-28 2018-08-10 上海产业技术研究院 以激光为热源的送丝3d打印机及其打印方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7168935B1 (en) * 2002-08-02 2007-01-30 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Solid freeform fabrication apparatus and methods
CN105750548A (zh) * 2015-10-29 2016-07-13 西安智熔金属打印系统有限公司 电子束金属喷射增材制造装置及方法
CN105328187A (zh) * 2015-11-21 2016-02-17 天津清研智束科技有限公司 实现电子束宽幅扫描的控制装置、方法以及增材制造设备
CN105935770A (zh) * 2016-07-07 2016-09-14 西安智熔金属打印系统有限公司 一种基于电子束熔丝成型的增材制造装置
CN106956060A (zh) * 2017-03-23 2017-07-18 湘潭大学 电磁感应加热主动控制电弧增材制造层间温度的方法
CN107806843A (zh) * 2017-09-25 2018-03-16 西安智熔金属打印系统有限公司 电子束熔丝增材制造形貌测量装置及其补偿控制方法
CN108437472A (zh) * 2018-03-29 2018-08-24 天津清研智束科技有限公司 一种增材制造装置及增材制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109514068A (zh) 2019-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109514068B (zh) 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置
CN109514066B (zh) 基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置
US10232602B2 (en) Method and apparatus for producing three-dimensional objects with improved properties
US7326377B2 (en) Solid-free-form fabrication process and apparatus including in-process workpiece cooling
CN111112793B (zh) 一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备
US20100193480A1 (en) Deposition of materials with low ductility using solid free-form fabrication
CN105127755A (zh) 一种工件的成型与强化的复合加工装置及方法
JP2016193457A (ja) 立体自由形状造形法によって金属物体を構築するシステム及び立体自由形状造形法によって金属材料の３次元物体を製造する方法
CN109550947B (zh) 一种基于超高频感应加热的金属沉积成形方法及装置
CN113477927B (zh) 一种钢制零件表面修复方法
WO2014094882A1 (en) Additive manufacturing method using focused light heating source
RU2393056C1 (ru) Способ спекания деталей из порошков
CN112139650A (zh) 基于增材制造方法原位增材制备金属间化合物构件的方法
CN112139649B (zh) 基于电子束双丝熔丝原位增材制备钛铝金属间化合物的方法
CN108339984B (zh) 基于丝材3d打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法
CN104923785A (zh) 一种镁合金管状结构件电弧3d打印装置及打印方法
CN112605397A (zh) 一种电弧增材制造原位合金化方法
CN112267056A (zh) 一种高熵合金构件及其制作方法
US20170087669A1 (en) Apparatus and method for producing and/or repairing in particular rotationally symmetrical components
CN114850494A (zh) 一种高熵合金泡沫状结构多束电子束增材制造方法
EP3223286B1 (en) Production method of a magnetic inductor
CN110373666A (zh) 一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置及方法
CN109715338A (zh) 用于mig金属焊接的接触末端组件
CN111922655B (zh) 连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统及方法
CN109226761A (zh) 一种电子束-超声协同复合增材制造的装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant