CN111001903A - 一种高氮钢增材制造控型控性装置 - Google Patents

一种高氮钢增材制造控型控性装置 Download PDF

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喻嘉熙
徐俊强
金鸣
何思源
时孝东
邵浩彬
李能
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Abstract

本发明公开了一种高氮钢增材制造控型控性装置，该装置包括CMT增材制造部分包括送丝系统、焊枪系统、冷却循环水系统、水冷铜成形模块、模块位移系统，其中，水冷铜成形模块通过冷却循环水从而达到降温目的，与增材件紧贴部位添加有高温耐磨材料以及耐高温绝热材料；冷铜成形模块通过紧贴增材件，可以防止沉积方向末端的熔滴顺着增材件侧壁流淌下来从而形成塌陷；可以避免沉积到增材件双侧时由于表面不平及金属锰氧化物的存在而导致熄弧影响增材连续性，且形成弧坑造成塌陷；可以有效的利用保护气对增材件双侧沉积末端进行保护等。

Description

一种高氮钢增材制造控型控性装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种高氮钢增材制造控型控性装置。
背景技术
电弧增材制造以电弧为热源，通过丝材的添加，在可控自动化设备条件下，根据三维立体模型由线、面、体逐渐成形出复杂结构件的先进新型智能制造技术。该技术具备高沉积率；取材广泛且利用率高；整体工序少且制造周期短，成本低；对结构几何尺寸要求低；可以用于修复多种零部件等优点，还具有成形大尺寸复杂结构件的能力。较传统的铸造、锻造技术和其它增材制造技术具有一定先进性，与铸造、锻造工艺相比，它无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造。电弧增材制造技术比铸造技术制造材料的显微组织及力学性能优异；比锻造技术产品节约原材料。
而冷金属过渡技术CMT是Fronius公司在研究薄板焊接、无飞溅过渡技术及铝与钢异种金属连接技术基础上逐渐发展和成熟起来的一门新的焊接技术，从而引入到增材制造过程中，CMT由于具有更快的沉积速度，更好的搭桥能力，更小的变形，更均匀一致的沉积，并且消除了飞溅现象等优点，拓展了普通电弧增材制造所不能涉及的领域。
目前，高氮钢在全世界应用广泛，它具有屈服强度、拉伸强度高和延展性好；具备高强度与高断裂韧性；高应变硬化潜力；阻止形成变形诱导马氏体；低磁导率；良好的耐腐蚀性能等优点。但是高氮钢在使用CMT增材制造时，由于CMT电弧的熔池温度相对较低，在增材过程中，易出现未熔合等缺陷，导致增材道间成形及层间成形差，并且在熄弧点区域会形成较大弧坑，随着沉积层数高度的累计即在弧坑处形成塌陷；由于边界约束条件的变化，电弧增材运动到增材件的边沿处，边沿熔池缺乏对称约束，熔池在边沿可能顺壁下趟，熔体不能在增材表面正常成形，使得增材件边沿成型较差，特别是，在增材件边沿熄弧极易导致熄弧点熔滴沿侧壁流淌，导致熄弧点表面处高度较低，甚至塌陷；增材件侧壁局部氧化严重，在采用纯Ar保护气保护的CMT增材制造高氮钢时，保护气在增材件侧壁因受热向上运动，并不能有效的保护侧壁熔滴成形不被氧化，容易使得锰元素被氧化形成夹渣导致电弧不稳定，增材不连续，对增材沉积性能有不利的影响。
针对上述问题，现有的CMT增材制造装置难以有效的解决上述原因所引起的塌陷及氧化现象。
发明内容
本发明的目的在于克服上述出现问题，发明一种高氮钢增材制造控型控性装置，其能有效的控制增材件两侧塌陷及氧化现象。
为实现上述目的，本发明发明一种高氮钢增材制造控型控性装置，本发明的目的在于克服上述出现问题，能有效的控制增材件两侧塌陷及氧化现象。
为实现上述目的，本发明提供一种高氮钢增材制造控型控性装置。
一种高氮钢增材制造控型控性装置，包括丝盘、送丝装置、送丝压轮组成的送丝装置，焊枪、导电嘴组成的前端CMT焊枪装置，所述送丝装置及前端CMT焊枪装置均与焊接机器人相连，设置了高温耐磨材料和耐高温绝热材料的水冷铜成形模块，且贯穿的设置有冷却循环水通孔，并具有温度传感器，在高温耐磨材料中还开有4排保护气气孔，每排保护气气孔的外侧开有10个出气孔，所述水冷铜成形模块与外部的冷却循环水系统相连，此外还设置可垂直移动导轨、可水平移动导轨、伺服电机、双轴协同运动控制柜组成的用于控制水冷铜成形模块的控制系统，该装置还设有承载增材件的增材基板。
进一步的，水冷铜成形模块、可垂直移动导轨、可水平移动导轨、伺服电机均设有两个，在增材件两侧对称设置。
进一步的，水冷铜成形模块材料为纯铜。
进一步的，水冷铜成形模块整体为一长方体结构，中间有通孔，一侧侧面为阶梯状，该侧面靠近增材件设置；其截面形状整体为正方形，在长方体结构其中右下侧缺有一长度小于正方形，宽度约为10mm的长方形体小块，缺失的位置处用于设置保护气气孔。
进一步的，水冷铜成形模块接触增材件两侧的部位用于添加一层高温耐磨材料以及一层耐高温绝热材料；在高温耐磨材料上还开有4排直径为4mm保护气气孔，每排气孔旁侧开有10个直径为2mm的出气孔。
进一步的，水冷铜成形模块中间的贯穿设置一根冷却循环水管，通过冷却循环水不断降低铜块的温度。
进一步的，水冷铜成形模块中安装有一长方形温度传感器，可同时监控铜块内部温度，及增材面表面温度。
进一步的，双轴协同运动控制柜同时控制增材件两侧的伺服电机。
进一步的，双轴协同运动控制柜分别控制增材件双侧的垂直移动导轨、可水平移动导轨的运动。
高氮钢增材制造控型控性方法，包括以下步骤：
a、设计CMT增材制造焊接速度、送丝速度以及增材制造沉积路径，比如焊接速度7mm/s，送丝速度9m/min，沉积宽度为8mm，沉积高度为2.5mm，增材路径如图3所示，每道沉积长56mm；
b、根据a中所述数据，通过调节控制柜控制伺服电机，从而使得模块在垂直及水平方向运动，比如模块水平运动速度为1mm/s，每增材完一层后，停止增材及模块水平运动，待模块在水平方向上运动约3mm距离之后在进行下一层增材；
c、将水冷铜成形模块含有高温耐磨材料一面紧贴增材件侧壁，保证模块右上端多余位置不与增材件侧壁接触，并且模块上端表面高于增材件约3mm高度；
d、打开CMT机器人控制柜以及CMT焊机电源，CMT焊枪的导电嘴输送出焊丝，并在基材上形成CMT电弧，从而在基板上进行增材制造。
如上所述，本发明涉及的高氮钢增材制造控型控性装置及方法，具有以下优点：
本发明的水冷铜成形模块可以防止道间熄弧引起的弧坑塌陷；通过紧贴增材件，可以防止沉积方向末端的熔滴顺着增材件侧壁流淌下来从而形成塌陷；可以有效的利用保护气对增材件双侧沉积末端进行保护，避免沉积到增材件双侧时由于表面不平及金属锰氧化物的存在而导致熄弧影响增材连续性等。
附图说明
图1是本发明中高氮钢增材制造控型控性装置的结构示意图。
图2是水冷铜成形模块左视示意图。
图3是高氮钢增材制造过程中增材件沉积俯视示意图。
图4是高氮钢增材制造过程中增材件沉积侧面示意图。
图5是增材制造时末端保护气气流运动方向示意图。
具体实施方式
结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式包括丝盘1、送丝装置2、送丝压轮3、焊枪4、导电嘴5、水冷铜成形模块6、增材件7、冷却循环水通孔8、可垂直移动导轨9、可水平移动导轨10、增材基板11、伺服电机12、双轴协同运动控制柜13，高温耐磨材料14、耐高温绝热材料15，温度传感器16、保护气出气孔17、保护气进气孔18，水冷铜成型模块6紧贴增材件侧壁，表面高出增材件约3mm，保证下一层增材高度基本与模块6表面持平，冷却循环水通孔8两端连接冷却水装置，保证工作时冷却水左进右出达到冷却降温效果，可垂直移动导轨9与可水平移动导轨9连接，可水平移动导轨9通过螺柱固定在增材基板上，伺服电机12左侧与可水平移动导轨9连接，右侧通过电线与控制柜13连接。
进行增材时，保护气从进气孔18中进入，从出气孔17中溢出，保护气能有效的贴近增材件7侧壁，保护增材件7侧壁成型时不被氧化。
温度传感器16实时监控铜块温度以及增材件侧壁温度，通过控制冷却循环水的流速以及通入气孔18中保护气的流速来对铜块的温度进行控制，控制增材件7侧壁成形时的温度。
须知，图1为平面主视图，所以水冷铜成型模块6、冷却循环水管通孔8、可垂直移动导轨9、可水平移动导轨10、伺服电机12在增材件7左右两侧各有一个。
双轴协同运动控制柜13控制伺服电机12驱动两侧可垂直移动导轨9和可水平移动导轨10带动水冷铜成型模块6移动，调节水冷铜成型模块6的位置。
由控制柜13控制模块6的运动，参考焊枪工作时的运动路径，规划模块6的运动路径，确保焊枪运动至增材件7两侧时正好在模块上，确保模块6高于增材件7表面约3mm，且确保每增材完一层后，模块6的高度与增材件高度基本持平，以及确保模块6与增材件7侧面的接触面都是在高温耐磨材料14的表面，防止铜块磨损。
该装置包括一整套高氮钢焊丝送丝装置、CMT焊枪装置、一种水冷铜成形模块、冷却循环水系统以及控制水冷铜成形模块一整套控制系统，所述送丝装置包括高氮钢丝盘、送丝压轮、送丝装置等；CMT焊枪装置包括与焊接机器人所连接的焊枪、导电嘴；水冷铜成形模块包括冷却循环水通孔、高温耐磨材料、耐高温绝热材料、温度传感器，其中高温耐磨材料中开有四排保护气进气孔以及若干个出气孔，冷却循环水在工作时贯穿水冷铜成形模块，起到降低温度的作用，因为模块直接接触增材件侧壁，所以运动时会发生摩擦，因此在接触面添加一层高温耐磨材料防止铜块受到磨损，又因为不能由于模块的存在而导致所接触的增材件侧壁的温度过低影响增材质量，所以在耐磨材料之后添加一层耐高温绝热材料；控制系统包括垂直方向以及水平方向移动的导轨、伺服电机以及双轴协同运动控制柜，该控制柜可以精确的通过控制伺服电机的转动从而来控制模块的水平以及垂直方向的运动。
实施例1
此高氮钢增材制造控型控性方法包括以下步骤：
第一步：开启焊接机器人，接通CMT焊接电源；
第二步：调整焊接速度、送丝速度、增材模式、电弧状态、焊枪高度等相关参数；
第三步：规划设计好增材制造路径；
第四步：打开双轴协同运动控制柜13，根据增材制造路径，设计模块运动路径；增材路径每次到达增材件7边缘两侧时，模块6同时也在此位置；每一层增材过程中，模块6的表面高度高于增材件7表面约3mm，每增材一层结束后，模块6的表面基本于增材件7持平，在进行下一层增材时，提高模块高度约3mm。
此方法在增材制造过程中，增材件7双侧边缘熔滴不会顺着增材件侧壁流下，水冷铜成型模块6将会将其阻挡，并且铜块温度过低熔滴强制冷却成形，防止随着增材层数的增高，增材件7双侧边缘出现塌陷现象。并且在增材前模块高度高于增材件表面约3mm，大致与每一层的沉积高度相当，因此不会影响下一层的沉积以及电弧稳定性。
实施例2
此高氮钢增材制造控型控性方法操作步骤与实施例1相同。
此方法在增材制造过程中，每一层中每一道可以连续不间断增材，因为铜块连接的导轨都为金属材料，具有导电性，电弧接触铜块不会熄弧，并且由于铜块温度过低，铜块不会熔化，因此可继续进行下一道增材，此方法可以避免每一道增材起弧和熄弧过程，避免造成过多弧坑，影响成型，有效的防止熄弧点的塌陷现象。
实施例3
此高氮钢增材制造控型控性方法操作步骤与实施例1相同。
此方法在增材制造过程中，温度传感器16随时监控铜块和增材件侧壁温度，通过调节铜块中循环冷却水的流速以及通入气孔18中保护气的流速来控制铜块的温度，以此可以控制增材件7侧壁成形时的温度。根据不同增材件性能要求，可以在一定范围内改变侧壁成形温度得到不同的显微组织。
实施例4
此高氮钢增材制造控型控性方法操作步骤与实施例1相同。
此方法在增材制造过程中，可以有效的利用保护气保护增材件7两侧边缘熔滴成型不受氧化，使增材件7边缘两侧结构性能不受氧化影响。模块6未存在时，如图4所示，右侧保护气将进行螺旋状运动，因为保护气受热，本身内能增加，分子运动加剧，导致体积膨胀，密度下降，且因为碰到增材件7动能消除，因而向上运动，此时温度下降密度恢复正常，气体下降又遇到刚吹出的保护气获得热能，从而再次上升，因此右侧保护气呈螺旋状运动，因此使得末端增材部位不受保护气影响从而受到部分氧化。而左侧保护气因一直接触增材件7，散热快，所以不受影响，气体顺着增材件运动。
同时在进行增材时，保护气同时通入四排进气孔18中，从出气孔17中溢出，这样与铜块接触的增材件7侧壁均受到保护气保护，能够更加有效的保护增材件7侧壁成形时不被氧化。

Claims (9)

1.一种高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：包括丝盘(1)、送丝装置(2)、送丝压轮(3)组成的送丝装置，焊枪(4)、导电嘴(5)组成的前端CMT焊枪装置，所述送丝装置及前端CMT焊枪装置均与焊接机器人相连，设置了高温耐磨材料(14)和耐高温绝热材料(15)的水冷铜成形模块(6)，且贯穿的设置有冷却循环水通孔(8)，并具有温度传感器(16)，在高温耐磨材料(14)中还开有4排保护气气孔(18)，每排保护气气孔(18)的外侧开有10个出气孔(17)，所述水冷铜成形模块(6)与外部的冷却循环水系统相连，此外还设置可垂直移动导轨(9)、可水平移动导轨(10)、伺服电机(12)、双轴协同运动控制柜(13)组成的用于控制水冷铜成形模块(6)的控制系统，该装置还设有承载增材件(7)的增材基板(11)。
2.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述的水冷铜成形模块(6)、可垂直移动导轨(9)、可水平移动导轨(10)、伺服电机(12)均设有两个，在增材件(7)两侧对称设置。
3.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述的水冷铜成形模块(6)材料为纯铜。
4.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述的水冷铜成形模块(6)整体为一长方体结构，中间有通孔，一侧侧面为阶梯状，该侧面靠近增材件(7)设置；其截面形状整体为正方形，在长方体结构其中右下侧缺有一长度小于正方形，宽度约为10mm的长方形体小块，缺失的位置处用于设置保护气气孔(18)。
5.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述的水冷铜成形模块(6)接触增材件两侧的部位用于添加一层高温耐磨材料(14)以及一层耐高温绝热材料(15)；在高温耐磨材料(14)上还开有4排直径为4mm保护气气孔(18)，每排气孔旁侧开有10个直径为2mm的出气孔(17)。
6.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述水冷铜成形模块(6)中间的贯穿设置一根冷却循环水管，通过冷却循环水不断降低铜块的温度。
7.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：所述水冷铜成形模块(6)中安装有一长方形温度传感器(16)，可同时监控铜块内部温度，及增材面表面温度。
8.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：双轴协同运动控制柜(13)同时控制增材件(7)两侧的伺服电机(12)。
9.根据权利要求1所述的高氮钢增材制造控型控性装置，其特征在于：双轴协同运动控制柜(13)分别控制增材件(7)双侧的垂直移动导轨(9)、可水平移动导轨(10)的运动。
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