CN110899934A - 一种电弧增材制造用温度调节装置及调节方法 - Google Patents

一种电弧增材制造用温度调节装置及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造用温度调节装置及调节方法，包括增材制造槽、设在增材制造槽底部用于夹持基板的夹具，所述基板的上部设有焊枪，所述增材制造槽内设有冷却水，所述增材制造槽相对的两侧分别设有进水阀和出水阀；还包括水槽，所述水槽内设有两个水泵，所述进水阀和出水阀通过水管分别连接一个水泵；还包括控制器、设在增材制造槽内壁上部的温度传感器和距离传感器，所述进水阀、出水阀、温度传感器和距离传感器均与控制器电连接。本发明的电弧增材制造用温度调节装置及调节方法能够调节铝合金等导热性强、热容量大的材料的温度，以避免温度较高引起的成型困难和成型质量交差的技术问题。

Description

一种电弧增材制造用温度调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种电弧增材制造用温度调节装置及调节方法。
背景技术
增材制造是一种快速成型的工艺方法。根据增材制造热源的不同，增材制造主要分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造。激光增材制造和电子束增材制造主要是采用金属粉末逐层熔融堆积的方式，制造出各种复杂结构的金属构件；电弧增材制造主要是采用金属丝材或者粉末逐层堆积的方式，相较于激光增材制造和电子束增材制造，电弧增材制造的成本较低，成形速度快，效率高。激光增材制造和电子束增材制造的设备成本以及原材料的成本都较高，不适合铝合金等导热性强的材料的增材制造。铝合金是一种导热性强而热容量大的材料，具有线胀系数较大、熔点低和高温强度小等特点，所以在增材制造过程中铝合金的热量累计较大，引起其变形较大，使增材制造成形质量交差，成型困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电弧增材制造用温度调节装置，能够调节铝合金等导热性强、热容量大的材料的温度，以避免温度较高引起的成型困难和成型质量交差的技术问题；本发明的另外一个目的还在于提供一种电弧增材制造用温度调节方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种电弧增材制造用温度调节装置，包括增材制造槽、设在增材制造槽底部用于夹持基板的夹具，所述基板的上部设有焊枪，所述增材制造槽内设有冷却水，所述增材制造槽相对的两侧分别设有进水阀和出水阀；
还包括水槽，所述水槽内设有两个水泵，所述进水阀和出水阀通过水管分别连接一个水泵；
还包括控制器、设在增材制造槽内壁上部的温度传感器和距离传感器，所述进水阀、出水阀、温度传感器和距离传感器均与控制器电连接。
作为优选方案，所述进水阀为第一电磁水阀，所述出水阀为第二电磁水阀。
作为优选方案，所述水槽内侧的上部设有冷却风扇，所述冷却风扇与控制器电连接。
作为优选方案，两个所述水泵分别为第一水泵和第二水泵，所述水槽的侧壁上分别设有第三电磁水阀和第四电磁水阀，所述第三电磁水阀通过水管分别连接进水阀和第一水泵，所述第四电磁水阀通过水泵分别连接出水阀和第二水泵。
为了实现上述目的，本发明提供一种电弧增材制造用温度调节方法，包括以下步骤：
S1，增材制造槽和水槽内均注入冷却水，增材制造槽内冷却水的水位至基板处；
S2，启动两个水泵、进水阀与出水阀，形成冷却水由水槽流动至增材制造槽之后再流动至水槽的循环流动回路；
S3，焊枪工作，在基板上进行增材制造；
S4，利用温度传感器监测增材制造槽内的水温并将该水温传递至控制器，该水温与控制器内预设的水温相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭；利用距离传感器监测增材制造槽内的水位高度并将该水位高度传递至控制器，该水位高度与控制器内预设的水位高度相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭；
S5，焊枪先向上移动并关闭3-6分钟之后，控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀关闭。
作为优选方案，所述步骤S2中，所述循环流动回路的冷却水流动速度为3L/min，且所述增材制造槽内的水位保持不变。
作为优选方案，所述步骤S3中，所述焊枪连接有焊接电源、机器人系统和送丝机构；所述步骤S3中，焊枪工作之前，利用增材制造软件对三维模型进行路径规划和分层计算，形成增材制造运行程序，并将该增材制造运行程序导入到机器人系统中。
作为优选方案，所述步骤S3中，所述焊枪的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的材料为铝合金。
作为优选方案，所述步骤S4中，所述增材制造槽内的水位与熔池的距离为25mm-45mm；所述步骤S4中，所述水温为20℃-35℃。
作为优选方案，所述水槽内测的上部设有用于提高水槽内水温的冷却速度的冷却风扇，所述步骤S2至S5中所述冷却风扇开启。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的电弧增材制造用温度调节装置将基板通过增材制造槽底部的夹具夹紧固定，基板的上部设有焊枪，利用控制器控制进水阀、出水阀和两个水泵使增材制造槽和水槽内的冷却水形成循环流动的回路，在焊枪工作时，焊枪直接在基材上进行增材制造，冷却水的循环流动回路能够将焊枪工作时产生的热量利用冷却水冷却，能够调节铝合金等导热性强、热容量大的材料的温度，避免温度较高引起的成型困难和成型质量交差的问题。
利用温度传感器监测增材制造槽内的冷却水的温度，并利用控制器控制冷却水的温度在设定的范围之内，利用距离传感器测定增材制造槽内的水位，使水位位于设定的范围内，便于对增材制造槽的水位的控制，以实现最优化的降低基材上的试样的温度。
本发明的电弧增材制造用温度调节装置的结构简单，成本低。
本发明的电弧增材制造用温度调节方法能够有效控制增材制造的试样的层间温度，提高试样的冷却速度；能够适用于各种材料电弧增材制造的工艺过程；可根据增材制造试样大小设计冷却水箱大小，灵活性强；可精确调节控制冷却水流动速度，冷却效果好。
附图说明
图1为本发明实施例中电弧增材制造用温度调节装置的结构示意图。
图中，1、增材制造槽；2、水槽；3、夹具；4、焊枪；5、基板；6、试样；7、进水阀；8、出水阀；9、水泵；10、温度传感器；11、距离传感器；12、冷却风扇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
本发明的电弧增材制造用温度调节装置的优选实施例，如图1所示，包括增材制造槽1和水槽2，增材制造槽1具体可以为冷却水箱，水槽2具体为储水箱，增材制造槽1的底部固定有支架11，支架11上设有基板5，利用夹具3将基板5固定在支架11上，增材制造结构的焊枪4位于基板2的上部，增材制造结构工作使焊枪4能够在基板2上进行增材成型制造。
在增材制造槽1内和水槽2内均加入冷却水，冷却水的水位在基板5处的相应高度，且可以随着增材制造的工作，增材成型的试样6的高度增加使冷却水的水位逐渐增加，以便于对试样6进行冷却。具体的，增材制造槽1相对的两侧分别安装有进水阀7和出水阀8，在水槽2内设有两个水泵9，进水阀7和出水阀8通过水管分别连接一个水泵9，在进水阀7和/或出水阀8开启时，水泵9工作能够使增材制造槽4内的水进行流动，这样能够降低增材制造槽4内试样的温度。控制进水阀7、出水阀8和两个水泵9使增材制造槽1和水槽2内的冷却水形成循环流动的回路，在焊枪4工作时，焊枪4直接在基板5上进行增材制造，冷却水的循环流动回路能够将焊枪4工作时产生的热量利用冷却水冷却，能够调节铝合金等导热性强、热容量大的材料的温度，避免温度较高引起的成型困难和成型质量交差的问题。
同时，为进一步的精确控制增材制造槽内的水位和水温，以便于能够快速的降低试样的温度，增材制造槽1内壁上部还安装有温度传感器10和距离传感器11，在增材制造槽1的内部或者外部安装控制器，进水阀7、出水阀8、温度传感器10和距离传感器11均与控制器电连接，利用温度传感器10监测增材制造槽内的水温并将该水温传递至控制器，该水温与控制器内预设的水温相比较，使控制器控制两个水泵9、进水阀7和出水阀8的开启与关闭；利用距离传感器11监测增材制造槽1内的水位高度并将该水位高度传递至控制器，该水位高度与控制器内预设的水位高度相比较，使控制器控制两个水泵9、进水阀7和出水阀8的开启与关闭。这样能够精确的控制增材制造槽1内的水温和水位高度，使冷却水能够快速的将试样冷却，提高冷却的速度，提高增材制造的质量和效率。
具体的，进水阀7为第一电磁水阀，出水阀8为第二电磁水阀，第一电磁水阀和第二电磁水阀均与控制器点连接。
其中，水槽2内侧的上部安装冷却风扇12，冷却风扇12与控制器电连接，冷却风扇12用于对水槽2的水进行冷却，增加水槽2内的水的冷却速度。
其中，两个水泵9分别为第一水泵和第二水泵，水槽2的侧壁上分别设有第三电磁水阀和第四电磁水阀，第三电磁水阀通过水管分别连接进水阀7和第一水泵，第四电磁水阀通过水泵分别连接出水阀8和第二水泵。第三电磁水阀和第四电磁水阀用于控制水槽2内的水的流动开启与关闭。
一种应用上述的电弧增材制造用温度调节装置的电弧增材制造用温度调节方法的优选实施例，包括如的下步骤：S1，将20mm厚铝合金基板安装定位在夹具上，增材制造槽和水槽内均注入冷却水，增材制造槽内冷却水的水位至基板处；
S2，启动两个水泵、进水阀与出水阀，形成冷却水由水槽流动至增材制造槽之后再流动至水槽的循环流动回路，循环流动回路的冷却水的流动速度为3L/min，且增材制造槽内的水位保持不变；这样使循环流动回路带动增材制造槽内的升温过后的冷却水流回水槽内冷却，而水槽内冷却之后的冷却水能够进入到增材制造槽内对试样进行冷却。
S3，焊枪连接焊接电源、机器人系统和送丝机构；利用增材制造软件对三维模型进行路径规划和分层计算，形成增材制造运行程序，并将该增材制造运行程序导入到机器人系统中。机器人系统控制焊枪工作，进行增材制造，其中，焊枪的焊丝的直径为1.2mm，焊丝的材料为铝合金。由于铝合金等材料具有导热性强而热容量大，具有线胀系数较大、熔点低和高温强度小的特点，采用本申请循环流动回路能够及时的降低成型试样的温度，提高试样的成型质量和效率。
S4，利用温度传感器监测增材制造槽内的水温并将该水温传递至控制器，该水温与控制器内预设的水温相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭，以实现冷却水温度的稳定控制，使增材制造槽内的水温控制在20℃-35℃，以使试样成型温度位于较低而便于试样成型；利用距离传感器监测增材制造槽内的水位高度并将该水位高度传递至控制器，该水位高度与控制器内预设的水位高度相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭；具体的，增材制造槽内的水位与熔池的距离为25mm-45mm，即电弧使材料融化的位置，以实现增材制造槽内的水位高度的稳定控制。
S5，增材制造程序运行结束，焊枪先向上移动并关闭，冷却水位升高至淹没整个试样，也可以不淹没工件或试样，并保持冷却水循环流动，直到冷却水继续循环冷却3-6分钟之后，优选为5分钟之后，控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀关闭，增材制造过程结束。
本发明的电弧增材制造用温度调节方法能够有效控制增材制造的试样的层间温度，提高试样的冷却速度；能够适用于各种材料电弧增材制造的工艺过程；可根据增材制造试样大小设计冷却水箱大小，灵活性强；可精确调节控制冷却水流动速度，冷却效果好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电弧增材制造用温度调节装置，包括增材制造槽、设在增材制造槽底部用于夹持基板的夹具，所述基板的上部设有焊枪，其特征在于，所述增材制造槽内设有冷却水，所述增材制造槽相对的两侧分别设有进水阀和出水阀；
还包括水槽，所述水槽内设有两个水泵，所述进水阀和出水阀通过水管分别连接一个水泵；
还包括控制器、设在增材制造槽内壁上部的温度传感器和距离传感器，所述进水阀、出水阀、温度传感器和距离传感器均与控制器电连接。
2.如权利要求1所述的电弧增材制造用温度调节装置，其特征在于，所述进水阀为第一电磁水阀，所述出水阀为第二电磁水阀。
3.如权利要求1所述的电弧增材制造用温度调节装置，其特征在于，所述水槽内侧的上部设有冷却风扇，所述冷却风扇与控制器电连接。
4.如权利要求1所述的电弧增材制造用温度调节装置，其特征在于，两个所述水泵分别为第一水泵和第二水泵，所述水槽的侧壁上分别设有第三电磁水阀和第四电磁水阀，所述第三电磁水阀通过水管分别连接进水阀和第一水泵，所述第四电磁水阀通过水泵分别连接出水阀和第二水泵。
5.一种应用权利要求1-4任一项的电弧增材制造用温度调节装置的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，增材制造槽和水槽内均注入冷却水，增材制造槽内冷却水的水位至基板处；
S2，启动两个水泵、进水阀与出水阀，形成冷却水由水槽流动至增材制造槽之后再流动至水槽的循环流动回路；
S3，焊枪工作，在基板上进行增材制造；
S4，利用温度传感器监测增材制造槽内的水温并将该水温传递至控制器，该水温与控制器内预设的水温相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭；利用距离传感器监测增材制造槽内的水位高度并将该水位高度传递至控制器，该水位高度与控制器内预设的水位高度相比较，使控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀的开启与关闭；
S5，焊枪先向上移动并关闭3-6分钟之后，控制器控制两个水泵、进水阀和出水阀关闭。
6.如权利要求5所述的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述循环流动回路的冷却水流动速度为3L/min，且所述增材制造槽内的水位保持不变。
7.如权利要求5所述的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述焊枪连接有焊接电源、机器人系统和送丝机构；所述步骤S3中，焊枪工作之前，利用增材制造软件对三维模型进行路径规划和分层计算，形成增材制造运行程序，并将该增材制造运行程序导入到机器人系统中。
8.如权利要求5所述的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述焊枪的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的材料为铝合金。
9.如权利要求5所述的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述增材制造槽内的水位与熔池的距离为25mm-45mm；所述步骤S4中，所述水温为20℃-35℃。
10.如权利要求5所述的电弧增材制造用温度调节方法，其特征在于，所述水槽内测的上部设有用于提高水槽内水温的冷却速度的冷却风扇，所述步骤S2至S5中所述冷却风扇开启。
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