CN111151755A - 基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置和方法，本发明方法是通过计算机将零件的三维模型进行分层，根据获取的截面信息将铺好的金属陶瓷混合粉末逐层焊接直接成型，形成金属基陶瓷复合件。本发明所述装置包括焊接机柜（1）、升降装置（4、5、7、8）、电极装置、铺粉装置、储粉器（2）及焊接基台（6）和粉末回收装置（9）等。电极装置包括电极（14）、导电部件（15）、冷却水装置（16）、气动加压装置（17）、电极实时温度显示器（18）、电极信号输入器及控制器（19）。本发明利用金属及陶瓷粉末的电阻及熔点差异，将电阻焊技术用于制备金属基陶瓷材料，具有设备简单、能量利用率高、低成本、快速成型等特点。

Description

基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置和方法
技术领域
本发明涉及一种基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置和方法，属金属基陶瓷复合件快速成型技术领域。
背景技术
常用的粉末床式金属增材制造技术主要有选择性激光烧结（Selective LaserSintering，SLS）、选择性激光熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）、和电子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）。SLS是用激光照射金属粉末与有机粘结剂的混合物，仅粘结剂熔化将金属粉末粘接在一起，其原型表面粗糙、内部疏松多孔、力学性能差，需要经过高温重熔或渗金属填补空隙等后处理才能使用；也可采用低熔点金属作为粘结剂，低熔点金属熔化或部分熔化把金属材料包覆粘结在一起，可提高零件整体致密度，但是金属粉末的“球化”效应和烧结变形，使形状复杂的金属零件很难精确成形。SLM是将金属粉末在高功率激光扫描下完全熔化后成形，其焊接的金属零件的致密度超过99%，零件尺寸精度很高，表面粗糙度较好，但是SLM设备昂贵，制造速度偏低，工艺参数很复杂。EBM工艺类似于SLM，不同之处是熔化粉末层的能量源为电子束，因此需要专用的设备和真空系统，成本昂贵；焊接零件尺寸有限；在成形过程中产生很强的X射线，可能对实验人员和环境造成潜在伤害。
电阻缝焊是通过将被焊工件置于两个盘状电极之间，电极加压工件并转动，连续或断续送电，从而使被焊工件之间的接触表面产生热量，温度升高，局部熔化接触点后形成一条连续或断续焊缝的方法。通过电阻缝焊进行金属基陶瓷材料增材制造其基本原理将金属及陶瓷粉末铺覆于金属基体上，通过电极通电加压并转动，基体表面及金属粉末发生熔化后包覆未熔化陶瓷颗粒形成焊接层，之后再铺覆粉末，如此循环往复，逐层焊接，直至三维实体零件完成。因此，基于电阻缝焊的金属基陶瓷材料的快速成型技术，可以克服或缓解以上所述缺点，与传统的SLS、SLM和EBM相比，该方法制备的胚体密度高，金属粉末在压力作用下熔化，因此无球化现象；设备成本低，无需真空环境，且生产效率高，成本低，设备简单易行等特点，是一种新型金属基陶瓷复合材料的增材制造方法。
发明内容
本发明的目的是，为了解决目前增材制造技术设备昂贵，成本较高问题，提供一种基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置和方法。
为达成上述目的，本发明实现的技术方案如下，一种基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，包括焊接机柜、升降装置、电极装置、铺粉装置、焊接基台、粉末回收装置和储粉器。所述储粉器、焊接基台和粉末回收装置依次设置在焊接机柜内的下方；电极装置和铺粉装置设置在焊接机柜内储粉器和焊接基台的上方；通过升降装置使储粉器和焊接基台进入工作位置；电极装置在焊接基台上实现金属基陶瓷复合件的快速成型。
所述焊接机柜外壳上的接地端子有效接地，焊接活性材料时可与环境隔绝，处于真空或惰性气体环境中。；
所述升降装置包括储粉器升降装置和焊接基台升降装置；所述储粉器升降装置通过储粉器升降电机驱动储粉器的升降；所述焊接基台升降装置通过焊接基台升降电机驱动焊接基台的升降。
所述电极装置包括电极、导电部件、冷却水装置、气动加压装置、电极实时温度显示器、电极信号输入器及控制器。
所述导电部件为电导率高的金属材料，电极固定在导电部件上，通过导电部件带动电极运动。
所述电极为电导率高且熔点高的材料，且不易与焊接粉末发生反应，包括铜、钨或一些特殊的导电材料；电极尺寸形状根据实际焊接材料自行设计，且在焊接时能多个电极头自由切换。
所述冷却水装置采用铜合金，内部中空，循环冷却水从电极一侧进入，另一个测流出，能对导电部件和电极头进行有效冷却，提高电极寿命，冷却水流量为0-100L/min。
所述气动加压装置安装在电极上，通过气动加压装置控制对电极进行加压，使电极在接触粉末通电时同时加压，粉末不易分散，压力范围为0-1000N。
所述电极信号输入器及控制器包括电极信号输入器、控制器和程序模块；所述程序模块将零件的三维模型进行分层，根据获取的截面信息通过控制器和电极信号输入器向电极发出指令，将铺好的金属陶瓷混合粉末逐层焊接直接成型形成金属基陶瓷复合件。
所述电极实时温度显示器实时显示和监控电极的工作温度，避免超过电极的温度范围。
所述铺粉装置包括刮板，滑块，横梁和直线伺服电机；所述横梁安装在焊接机柜的上方，刮板固定在滑块上，滑块可在横梁上滑动，通过直线伺服电机驱动滑块带动刮板在横梁上往复运动，将储粉器刮至焊接基台；所述刮板为绝缘材料。
所述焊接基台为导电材料并通过导线与电极构成通路，控制器连续或断续给电流输入脉冲、交流或直流电流，电流可实现无级调节。
所述粉末回收放置在焊接平台右侧，刮板将金属粉末刮平并将多余的粉末推入至回收装置中。
所述储粉器具有用于容纳金属陶瓷混合粉末的腔体，在焊接前将所需粉末预置于储粉器中。
所述金属陶瓷混合粉末预先混合均匀，金属或陶瓷粉末为一种或多种的球形粉末，且金属粉末熔点低于陶瓷粉末，根据实际要求设计金属粉末比例及材质。
所述焊接平台升降装置，铺粉装置和电极的信号输入端同时与控制器相连，协调三者动作。
一种基于电阻缝焊技术的金属基陶瓷复合件的快速成型方法，通过计算机程序将零件的三维模型进行分层，根据获取的截面信息将铺好的金属陶瓷混合粉末逐层焊接直接成型形成金属基陶瓷复合件，
所述方法包括以下步骤：
（1）在焊接前先将金属和陶瓷混合粉末倒满储粉器中，储粉器升降台向上运动同时焊接基台向下运动，电极向上移动，刮板向右前进进行铺粉，多余粉末则通过刮板刮走并收集到粉末回收器中。
（2）当刮板向左前进进行复位时，加压装置驱动电极向下移动与粉末接触并同时加压通电，通过计算机控制编辑运动轨迹，与电极接触的金属粉末熔化后包裹未熔陶瓷颗粒形成特定焊接区域；当焊接下一层粉末时，由于已焊接区域电阻比未焊接区域的混合粉末（粉末间存在接触电阻大）低，电流通过已焊接区构成回路，且对已焊接区组织热影响小。
（3）如此往复，然后逐层堆积直接成型形成金属基陶瓷复合件。
（4）待焊接完成，将焊接件从焊接基台取出，剩余粉末回收。
本发明的工作原理如下，本发明基于电阻缝焊增材制造技术制备金属基陶瓷复合件，直接对金属和陶瓷混合粉末通电加压后，产生的电阻热将较低熔点的金属熔化，熔融金属在表面张力作用下包裹陶瓷颗粒形成金属基陶瓷材料。对混合粉末层特定区域进行焊接，由于已焊接区域电阻比未焊接的混合粉末（粉末间存在接触电阻）低，电流通过已焊接区构成回路，且对已焊接区组织热影响小。随后循环往复焊接下一层粉末，直至全部焊接完成。
本发明的有益效果是，本发明属于增材制造快速成型领域，且具有设备简单易操作，设备成本低，效率高，可实现快速成型。
附图说明
图1是本发明焊接电极示意图；图2是本发明基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置的整体结构示意图；图3显示了制备的铁基碳化钨材料扫描电镜图;
图中：1为焊接机柜，2为储粉器，3为金属陶瓷混合粉末，4为储粉器升降装置，5为储粉器升降电机，6为焊接基台，7为焊接基台升降装置，8为焊接基台升降电机，9为粉末回收器，10为刮板，11为滑块，12为横梁，13为直线伺服电机，14为电极，15为导电部件，16为冷却水装置，17为气动加压装置，18为电极实时温度显示器，19为电极信号输入器及控制器。
以下结合附图1-3和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
本实施例基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置中采用的金属粉末采用304不锈钢粉末，粉末为球形，粒径为40~100μm，陶瓷粉末为碳化钨粉末，粒径为10-50μm。
通过电阻缝焊技术制备一块尺寸为50mm×50mm×50mm的铁基碳化钨复合成型件。
本实施例电极如图1所示，电极宽度为10mm,搭接率为50%，电极移动速率为500mm/min, 压力为196N，电流为3kA。
如图2所示，将500g304不锈钢粉末和500g碳化钨粉末混合均匀后倒入储粉器2中，关闭焊接机柜1，启动电极信号输入器及控制器19；储粉器升降装置4通过储粉器升降电机5带动储粉器2向上运动；而同时焊接基台升降装置7通过焊接基台升降电机8驱动下带动焊接基台6向下运动相同距离；电极14在气动加压装置17下驱动向上移动；刮板10固定在滑块11上，伺服电机13驱动滑块11向右前进；滑动11带动刮板10将储粉器2中的金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末刮到焊接基台6上，多余粉末再通过刮板10刮走并收集到粉末回收装置中9。电极14向下运动与混合粉末层接触；通过导电部位15对混合粉末层进行通电；气动加压装置17对电极进行加压，同时开启冷却水装置16和电极实时温度显示器18，实时观察电极温度。
根据计算及程序设定，电极焊接路径为S形，横向焊接50mm后，气动加压装置17驱动电极向上运动并与粉末层脱离，再向右移动5mm，气动加压装置再驱动电极向下运动，与粉末层接触后继续通电加压，再横向移动50mm，如此反复焊接10次，即完成粉末层第一层的焊接，焊接后铁基碳化钨材料扫描电镜图如图3所示。
待一面层焊接结束后，使用电机和升降器向下移动焊接基台，随后进行新一层的粉末铺设和焊接，循环往复增加新一层的焊接，直至全部焊接完成。

Claims (10)

1.一种基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述装置包括焊接机柜、升降装置、电极装置、铺粉装置、焊接基台、粉末回收装置和储粉器；所述储粉器、焊接基台和粉末回收装置依次设置在焊接机柜内的下方；电极装置和铺粉装置设置在焊接机柜内储粉器和焊接基台的上方；通过升降装置使储粉器和焊接基台进入工作位置；电极装置在焊接基台上实现金属基陶瓷复合件的快速成型。
2.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述焊接机柜外壳上的接地端子有效接地，焊接活性材料时与环境隔绝，处于真空或惰性气体环境中。
3.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述电极装置包括电极、导电部件、冷却水装置、气动加压装置、电极实时温度显示器、电极信号输入器及控制器；
所述导电部件为电导率高的金属材料，电极固定在导电部件上，通过导电部件带动电极运动；
所述电极为电导率高且熔点高的材料，且不易与焊接粉末发生反应，包括铜、钨或一些特殊的导电材料；电极尺寸形状根据实际焊接材料自行设计，且在焊接时能多个电极头自由切换；
所述冷却水装置采用铜合金，内部中空，循环冷却水从电极一侧进入，另一个测流出，能对导电部件和电极头进行有效冷却，提高电极寿命，冷却水流量为0-100L/min；
所述气动加压装置安装在电极上，通过气动加压装置控制对电极进行加压，使电极在接触粉末通电时同时加压，粉末不易分散，压力范围为0-1000N；
所述电极信号输入器及控制器包括电极信号输入器、控制器和程序模块；所述程序模块将零件的三维模型进行分层，根据获取的截面信息通过控制器和电极信号输入器向电极发出指令，将铺好的金属陶瓷混合粉末逐层焊接直接成型形成金属基陶瓷复合件；
所述电极实时温度显示器实时显示和监控电极的工作温度，避免超过电极的温度范围。
4.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述铺粉装置包括刮板，滑块，横梁和直线伺服电机；所述横梁安装在焊接机柜的上方，刮板固定在滑块上，滑块在横梁上滑动，通过直线伺服电机驱动滑块带动刮板在横梁上往复运动，将储粉器刮至焊接基台；所述刮板为绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述焊接基台为导电材料，焊接基台通过导线与电极构成通路，控制器连续或断续给电流输入脉冲、交流或直流电流，电流实现无级调节。
6.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述粉末回收器放置在焊接平台右侧，刮板将金属粉末刮平并将多余的粉末推入至粉末回收装置中。
7.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，所述储粉器具有用于容纳金属陶瓷混合粉末的腔体，在焊接前将所需粉末预置于储粉器中；
所述金属陶瓷粉末预先混合均匀，金属或陶瓷粉末为一种或多种的球形粉末，且金属粉末熔点低于陶瓷粉末。
8.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置其特征在于，所述升降装置包括储粉器升降装置和焊接基台升降装置；所述储粉器升降装置通过储粉器升降电机驱动储粉器的升降；所述焊接基台升降装置通过焊接基台升降电机驱动焊接基台的升降。
9.根据权利要求1所述的基于电阻缝焊的金属基陶瓷复合件的快速成型装置，其特征在于，焊接基台升降装置，铺粉装置和电极的信号输入端同时与电极信号输入器及控制器相连，协调三者动作。
10.通过如权利要求1~9所述金属基陶瓷复合件的快速成型装置实现快速成型的方法，其特征在于，所述方法通过计算机程序将零件的三维模型进行分层，根据获取的截面信息将铺好的金属陶瓷混合粉末逐层焊接直接成型形成金属基陶瓷复合件，所述方法包括以下步骤：
（1）在焊接前先将金属和陶瓷混合粉末倒满储粉器中，储粉器升降装置向上运动，同时焊接基台向下运动，电极向上移动，刮板向右前进进行铺粉，多余粉末则通过刮板刮走并收集到粉末回收装置中；
（2）当刮板向左前进进行复位时，气动加压装置驱动电极向下移动与金属和陶瓷混合粉末接触并同时加压通电，通过计算机控制编辑运动轨迹，与电极接触的金属粉末熔化后，包裹未熔陶瓷颗粒形成特定已焊接区域；当焊接下一层粉末时，由于已焊接区域的电阻比未焊接区域的混合粉末的电阻低，电流通过已焊接区域构成回路，且对已焊接区域组织热影响小；
（3）如此往复，逐层焊接直接成型形成金属基陶瓷复合件；
（4）待全部焊接完成，将成型件从焊接基台取出，剩余粉末回收。
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