CN111730172A - 面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造领域,具体涉及一种面向电弧增材制造的基板‑丝材协同预热装置及方法。包括陶瓷片加热器,热电偶温度传感器,高热电阻丝,螺旋电阻丝,红外温度传感器以及预热控制器;陶瓷片加热器设置在基板下方,基板的一侧设有热电偶温度传感器,陶瓷片加热器内铺设有高热电阻丝;螺旋电阻丝设置在丝材的外周,红外温度传感器用于测量经过螺旋电阻丝加热之后的丝材的温度。本发明对基板进行预热,改善增材第一层的宏观形貌,增强熔敷金属与基板母材金属的冶金结合,减少熔融金属的凝固速率,有利于熔池内气体的逸出;且丝材送丝过程中同步进行预热,在不提高焊机电流的情况下,增大金属熔敷量,降低氧化,改善微观组织的均匀性。

Description

面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域,具体涉及一种面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置及方法。
背景技术
增材制造技术可直接低成本一体化制造复杂构件,成为最具潜力的材料加工技术。针对大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形,基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术成为最合适的方法。
目前,电弧增材制造技术已经较为成熟,但是在成形形貌、应力控制和组织均匀性等方面还存在问题需要解决。对于铝、镁合金等轻合金材料而言这些问题更加突出。一方面,因为铝、镁合金自身散热性能好,增材过程中用于熔化丝材和母材的热量被快速传递到远离熔敷区的位置,另一方面,电弧增材过程中增材件和基板整体温度不均匀也会导致材料出现较大的焊接应力,这就要求基板的厚度不能太薄。对于厚度较大的基板,如果没有提前预热,直接进行轻合金增材,会出现熔敷金属铺展不开的问题。由于增材制造过程是一层一层的堆积起来,如果不解决熔敷金属铺展不开的问题,将对增材构件的最终质量产生影响,严重的甚至导致构件报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置,包括陶瓷片加热器,热电偶温度传感器,高热电阻丝,螺旋电阻丝,红外温度传感器以及预热控制器;
所述陶瓷片加热器设置在基板下方,用于对基板进行加热,所述基板的一侧设有热电偶温度传感器,所述陶瓷片加热器内铺设有高热电阻丝,所述高热电阻丝和热电偶温度传感器均与预热控制器电连接;
所述螺旋电阻丝设置在丝材的外周,用于对穿过螺旋电阻丝的丝材进行加热,所述螺旋电阻丝固定在焊枪支架上,所述焊枪支架上固定有红外温度传感器,所述红外温度传感器用于测量经过螺旋电阻丝加热之后的丝材的温度,所述螺旋电阻丝和红外温度传感器与预热控制器电连接。
进一步的,所述基板为轻合金材料,所述丝材为轻合金材料焊丝。
进一步的,所述基板的厚度≥5mm,外形尺寸长≥100mm×宽≥100mm,所述丝材直径为0.8-1.6mm。
进一步的,所述预热控制器对基板预热温度范围为50-400℃,预热控制器对丝材预热温度范围为100-300℃
进一步的,所述预热控制器包括数显调节仪,电源开关,加热开关和紧急安全开关;所述数显调节仪用于显示和调节预热温度。
进一步的,所述陶瓷片加热器内开有小孔让高热电阻丝穿过,高热电阻丝通过并联的方式与预热控制器电连接。
进一步的,所述高热电阻丝和螺旋电阻丝的材料为Cr20Ni80。
进一步的,所述热电偶温度传感器为PT100温度传感器,温度精度不低于0.2℃;所述红外温度传感器的光谱范围为8~14μm,且无须冷却可耐80℃环境温度。
进一步的,还包括工装夹具,所述工装夹具的材料为导电材料,一端与基板接触,在增材过程中约束基板变形,另一端与工作台接触,工作台与接地装置连接。
一种上述的装置进行预热的方法,包括如下步骤:
步骤(1):在增材开始前,预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置预热的目标温度,打开预热开关,预热开关指向基板预热;
步骤(2):预热指示灯亮后,陶瓷片预热器内高热电阻丝开始升温,热量向基板传递,热电偶温度传感器将温度数据传递到预热控制器,预热温度达到预设温度时会继续升高然后再回落;
步骤(3):在基板预热过程中,出现不可控或设备损坏等情况,紧急安全开关会自动打开,切断电路;
步骤(4):预热控制器上数显调节仪显示的温度为预设温度,并持续1分钟后,基板预热完成,关闭基板预热控制器电源;
步骤(5):电弧增材制造开始,接通预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置丝材预热的目标温度,打开预热开关,开关指向丝材预热,增材过程中,送丝和丝材预热同步进行,红外温度传感器将丝材温度数据传递到预热控制柜,丝材实际温度低于目标温度时,螺旋电阻丝内通过的电流将持续增大;
步骤(6):增材结束后,关闭丝材预热控制器。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:
(1)本发明的预热装置,通过设置预热控制器以及和预热控制器连接的螺旋电阻丝和带有高热电阻丝的陶瓷加热片,实现了对基板和丝材的协同加热,改善增材第一层的宏观形貌,增强熔敷金属与基板母材金属的冶金结合,减少熔融金属的凝固速率,有利于熔池内气体的逸出;且在不提高焊机电流的情况下,可以增大金属熔敷量,降低氧化,改善微观组织的均匀性;且预热控制器与陶瓷片通过电线连接,可以在远离增材工作区域的地方调整预热温度。
(2)本发明的预热装置,解决了电弧增材过程中的基板预热问题,改善了散热性良好金属材料的增材宏观成形质量,降低了温度分布不均匀导致的增材应力问题。
(3)本发明的装置外加丝材预热系统,可以在增材过程中增大热输入,提高增材效率,避免了增大焊机电流电压对增材构件组织性能的恶化。
附图说明
图1为本发明的协同预热装置示意图。
图2为本发明的高热电阻丝在陶瓷片加热器内部位置的示意图。
附图标记说明:
1-红外温度传感器;2-丝材;3-螺旋电阻丝;4-预热控制器;5-热电偶温度传感器;6-工作台;7-焊枪;8-增材构件;9-基板;10-陶瓷片加热器;11-工装夹具;12-高热电阻丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种面向电弧增材制造的预热系统进一步描述。
本发明利用如图1所示的系统进行基板和丝材的预热,该系统包括:陶瓷片加热器10、红外温度传感器1、热电偶温度传感器5、高热电阻丝12、预热控制器4、螺旋电阻丝3、以及工装夹具11,所述的预热控制器4包括数显调节仪、电源开关、加热开关和紧急安全开关;所述的陶瓷片加热器10位于工作台6和基板9之间,如图2所示,陶瓷片加热器10内开有小孔让高热电阻丝12穿过,高热电阻丝12通过并联的方式与预热控制器4连接;所述的热电偶温度传感器5放置于基板侧面开好的小孔内,并与预热控制器4连接,小孔的尺寸与热电偶温度传感器5端部测温头的尺寸一致,预热控制器上的数显调节仪可以显示和调节预热温度;所述的螺旋电阻丝3与预热控制器4连接;所述的红外温度传感器1通过夹具固定在机器人末端,并与预热控制器4连接,红外温度传感器1探测经过螺旋电阻丝3预热的焊丝材料的温度。
利用上述系统就行电弧增材制造的预热方法为:(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,对需要的增材工艺参数进行设置;(2)在增材开始前,让预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置预热的目标温度,打开预热开关,预热开关指向基板预热;(3)预热指示灯亮后,陶瓷片预热器内高热电阻丝开始升温,热量向基板传递,热电偶温度传感器将温度数据传递到预热控制器,预热温度达到预设温度时会继续升高然后再回落;(4)在基板预热过程中,出现不可控或设备损坏等情况,紧急安全开关会自动打开,切断电路;(5)预热控制器上数显调节仪显示的温度为预设温度,并持续1分钟后,基板预热完成,关闭基板预热控制器电源;(6)电弧增材制造开始,接通预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置丝材预热的目标温度,打开预热开关,开关指向丝材预热,增材过程中,送丝和丝材预热同步进行,红外温度传感器将丝材温度数据传递到预热控制柜,丝材实际温度低于目标温度时,螺旋电阻丝内通过的电流将持续增大;(7)增材结束后,关闭丝材预热控制器。
实施例1
选择牌号为AZ91镁合金的焊丝,其直径为1.2mm;5mm厚的AZ91D镁合金基板增材直壁为例。其具体步骤为:
(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,对需要的增材工艺参数进行设置;
(2)在增材开始前,让基板预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置基板预热的温度为150℃,打开预热开关;
(3)预热指示灯亮后,陶瓷片预热器内高热电阻丝开始升温,热量向基板传递,基板与陶瓷片之间放置的热电偶温度传感器将温度数据传递到基板预热控制器,预热温度达到150℃时会继续升高然后再回落;
(4)基板预热控制器上数显调节仪显示的温度为150℃,并持续1分钟后,基板预热完成,关闭基板预热控制器电源;
(5)电弧增材制造开始,让丝材预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置丝材预热的电流为120℃,打开预热开关,增材过程中,送丝和丝材预热同步进行,红外温度传感器将丝材实际温度传递到预热控制柜,当丝材实际温度低于120℃时,螺旋电阻丝内通过的加热电流将持续增大;
(6)增材结束后,关闭丝材预热控制器。

Claims (10)

1.一种面向电弧增材制造的基板-丝材协同预热装置,其特征在于,包括陶瓷片加热器(10),热电偶温度传感器(5),高热电阻丝(12),螺旋电阻丝(3),红外温度传感器(1)以及预热控制器(4);
所述陶瓷片加热器(10)设置在基板(9)下方,用于对基板(9)进行加热,所述基板(9)的一侧设有热电偶温度传感器(5),所述陶瓷片加热器(10)内铺设有高热电阻丝(12),所述高热电阻丝(12)和热电偶温度传感器(5)均与预热控制器(4)电连接;
所述螺旋电阻丝(3)设置在丝材(2)的外周,用于对穿过螺旋电阻丝(3)的丝材(2)进行加热,所述螺旋电阻丝(3)固定在焊枪支架上,所述焊枪支架上固定有红外温度传感器(1),所述红外温度传感器(1)用于测量经过螺旋电阻丝(3)加热之后的丝材(2)的温度,所述螺旋电阻丝(3)和红外温度传感器(1)与预热控制器(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述基板(9)为轻合金材料,所述丝材(2)为轻合金材料焊丝。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述基板(9)的厚度≥5mm,外形尺寸长≥100mm×宽≥100mm,所述丝材(2)直径为0.8-1.6mm。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述预热控制器(4)对基板(9)预热温度范围为50-400℃,预热控制器(4)对丝材(2)预热温度范围为100-300℃。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述预热控制器(4)包括数显调节仪,电源开关,加热开关和紧急安全开关;所述数显调节仪用于显示和调节预热温度。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述陶瓷片加热器(10)内开有小孔让高热电阻丝(12)穿过,高热电阻丝(12)通过并联的方式与预热控制器(4)电连接。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述高热电阻丝(12)和螺旋电阻丝(3)的材料为Cr20Ni80。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述热电偶温度传感器(5) 为PT100温度传感器,温度精度不低于0.2℃;所述红外温度传感器(1)的光谱范围为8~14μm,且无须冷却可耐80℃环境温度。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括工装夹具(11),所述工装夹具(11)的材料为导电材料,一端与基板(9)接触,在增材过程中约束基板(9)变形,另一端与工作台接触,工作台与接地装置连接。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的装置进行预热的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤(1):在增材开始前,预热控制器(4)接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置预热的目标温度,打开预热开关,预热开关指向基板预热;
步骤(2):预热指示灯亮后,陶瓷片预热器(10)内高热电阻丝(12)开始升温,热量向基板传递,热电偶温度传感器(5)将温度数据传递到预热控制器(4),预热温度达到预设温度时会继续升高然后再回落;
步骤(3):在基板预热过程中,出现不可控或设备损坏等情况,紧急安全开关会自动打开,切断电路;
步骤(4):预热控制器(4)上数显调节仪显示的温度为预设温度,并持续1分钟后,基板预热完成,关闭基板预热控制器电源;
步骤(5):电弧增材制造开始,接通预热控制器接通电源,电源指示灯亮后,通过数显调节仪设置丝材预热的目标温度,打开预热开关,开关指向丝材预热,增材过程中,送丝和丝材预热同步进行,红外温度传感器将丝材温度数据传递到预热控制柜,丝材实际温度低于目标温度时,螺旋电阻丝内通过的电流将持续增大;
步骤(6):增材结束后,关闭丝材预热控制器(4)。
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