CN112077419A - 一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置及方法，该装置包括直壁侧铜质夹板、内置于铜质夹板的热电偶、开有CO2排气小孔的铜质干冰放置盒，与干冰放置盒连接控制放置盒运动的运动装置、伺服电机、保温外壳、可编程控制器、使装置固定于直壁上的夹紧装置、与热电偶相连的温度采集器及计算机。本发明的方法为使用热电偶实时测温，采用铜板作为热流交换介质，使用干冰作为冷却材料，在增材直壁过程中通过计算机实时比对温度对伺服电机进行控制，实现增材过程中的温度闭环控制。本发明用于电弧增材制造技术领域不仅可以提高直壁的成型效率，还能控制直壁增材过程中的温度范围、提高直壁的成型性能。

Description

一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置及方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，主要涉及一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置及方法。
背景技术
增材制造工艺是基于离散、堆积的思想，按照零件三维模型数据，通过熔化材料进行逐层堆积，制造实体零件的工艺。相比于传统减材制造技术，该工艺可以减少工序、缩短制造周期、节约原材料，是一种新的近净成形制造方法，对于复杂结成型件的制造具有显著的优势。
在电弧增材直壁的成形过程中，直壁前几道的热输入可以通过基板的散热作用快速分散，随着直壁高度的增加，已增材部分散热效率降低，直壁热累积加大，致使直壁在增材至一定高度后冷却时间明显加长，熔覆效率降低；随着累积热量的增加，熔池变大，熔池稳定性降低，影响直壁成型精度；且随着直壁热量的累加，其内部的温度分布更加不均匀，致使直壁产生内部应力及不均匀变形，且直壁内部的组织晶粒在累积热量下长大，这将导致晶粒粗大，影响组织性能。
目前对于电弧增材制造过程中温度控制的相关技术研究较少，专利《减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法》(申请号：201810854401.1)公开了一种利用循环水在增材过程中不断冲刷侧壁来降低增材过程中道间热积累的装置及方法，该方法仅能用于部分在高温下不与水反应的材料，降温速率低，且对高碳钢等在高温下会与水反应的材料并不适用。专利一种电池片焊接温度控制装置(申请号：201610699893.2) 公开了一种使用红外测温探头测温、风扇工作在电池片上下面形成温度对流的方式控温的装置，该装置仅能形成一个较为均匀的温度场，而对焊接的温度累积控制能力较弱，在连续焊接时易造成热累积等问题。专利热处理装置和温度控制方法(申请号： 201810028997.X)公开了一种能够在短时间收敛于规定温度的热处理装置和温度控制方法，该装置及方法的缺点为鼓风机降温效率低下，只能通过长时间的降温来进行大范围的温度控制。
发明内容
基于以上的缺点，本发明的目的是解决直壁在电弧增材过程中因为散热减缓导致的热累积加剧问题，提供一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供的一种主动控制电弧增材制造过程中直壁温度的装置，包括：直壁侧铜质夹板、内置于铜质夹板中的热电偶、开有CO2排气小孔的铜质干冰放置盒，与干冰放置盒连接控制放置盒运动的运动装置、伺服电机、保温外壳、可编程控制器、使装置固定于直壁上的夹紧装置、与热电偶相连的温度采集器及计算机。
为实现上述目的，本发明提供的一种主动控制电弧增材制造直壁温度的方法，具体步骤如下：
S1，在完成一定高度直壁h堆敷后，将降温装置通过夹具夹持于直壁上，其中夹具垂直高度H<h；
S2，热电偶实时采集直壁侧铜质夹板中的温度t，并将采集到的温度信号传输至温度采集盒；
S3，温度采集盒对热电偶采集到的电信号进行滤波、标度转换并传输至计算机；
S4，计算机内部程序将采集温度t与预设温度T1、T2(T1为开始冷却温度，T2为停止冷却温度)进及行比较；
S5，若t>T1，计算机发送信号至可编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构推动铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板发生接触；
S6，干冰放置盒中的干冰升华吸热，干冰升华为CO2通过干冰放置盒后的小孔排出；
S7，若t<T2，计算机发送信号至编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构使铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板分离；
S8，T1<t<T2则计算机继续比较；
S9重复步骤S2-S8至完成增材。
作为优选方式，干冰放置盒与直壁侧铜质夹板的距离δ为30-80mm。
作为优选方式，直壁侧铜质夹板的厚度d为0.5-3mm。
作为优选方式，直壁侧铜质夹板的高度H为10-50mm。
作为优选方式，预设温度T1为300℃-400℃，预设温度T2为100℃-200℃。
作为优选方式，电弧增材制造使用的丝材为高强钢丝材、NiCr不锈钢丝材。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、本发明的可以在直壁增材过程中控制直壁的温度，且相对于水冷提高了降温效率，
并且提高了直壁的成型精度及其内部组织性能。
2、本发明相对于水冷，本方法可以用于在一些在高温下与水反应的材料。
附图说明
图1是主动控制电弧增材制造直壁温度系统装置内部结构图。
图2是控温系统图。
图3是采用参数1采用降温装置的直壁打印结果图。
图4是采用参数1采用水冷降温的直壁打印结果图。
图5是采用参数2采用降温装置的直壁打印结果图。
图1中：1为直壁，2为夹紧装置，3为直壁侧铜板，4为热电偶，5为干冰放置盒， 6为保温外壳，7为伺服电机，8为运动装置。
图2中：1为直壁，10为冷却装置，11为可编程控制器，12为温度采集器，13为焊接系统，14为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构及使用方法进行进一步详细说明
本发明一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，包括直壁侧铜质夹板、内置于铜质夹板中的热电偶、开有CO2排气小孔的铜质干冰放置盒，与干冰放置盒连接控制放置盒运动的运动装置、伺服电机、保温外壳、可编程控制器、使装置固定于直壁上的夹紧装置、与热电偶相连的温度采集器及计算机。
具体采用，丝材GTA增材平台：DX200安川机器人及机器人控制柜、焊接电源为Fornius MagicWave 3000型焊机。
预设开始冷却温度T1为300°-400°，在这个温度范围，熔池能够完全铺展且直壁组织不会因为过热而导致晶粒粗大、塌陷等缺陷，预设停止冷却温度T2为100℃-200℃，在这个温度范围，不影响熔池铺展且不会因为急冷而对直壁产生淬硬作用。
在有限空间自然对流换热过程，直壁侧铜质夹板至干冰放置盒之间的空间夹层为气体垂直夹层，把两侧换热用当量表面换热公式e表达，通过夹层的热流密度q为
q＝e(tw1-tw2)
其中tw1、tw2分别为干冰放置盒侧、直壁侧的温度，则直壁侧铜质夹板至干冰放置盒之间空间的换热准则关联式可以用下式表示
Figure RE-GDA0002273185550000041
其中，Nuδ及Grδ的定型尺寸为直壁侧铜质夹板至干冰放置盒水平厚度δ，定性温度为
Figure RE-GDA0002273185550000042
紊流条件下
Figure RE-GDA0002273185550000043
其中2×105<Grδ<2×107，H为直壁侧铜质夹板至干冰放置盒垂直高度。
实施例1
使用的焊丝为1.2mm的高强钢焊丝，堆敷参数为送丝7.4m/min，电流168A，焊接速度40cm/min，打印的直壁长度为120mm，高50mm，打印方式为连续打印；
S1，在完成30mm高度直壁堆敷后，在干冰放置盒中分别均匀放置干冰50g，将冷却装置通过夹具夹持于直壁上；
S2，继续直壁堆敷，热电偶实时采集直壁侧铜质夹板中的温度，并将采集到的温度信号传输至温度采集盒；
S3，温度采集盒对热电偶采集到的电信号进行滤波、标度转换并传输至计算机；
S4，计算机程序中预设T1＝150℃，T2＝300℃，计算机自动运行程序将采集温度t与T1、T2进行比较；
S5，监测到采集温度t高于300℃，计算机发送信号至可编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构推动铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板发生接触；
S6，干冰放置盒中的干冰升华吸热，干冰升华为CO2通过干冰放置盒后的小孔排出；
S7，监测温度下降并低于150℃，计算机发送信号至编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构使铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板分离；
S8，堆敷继续，温度升高，计算机实时对采集温度进行比较；
S9重复步骤S2-S8至完成直壁堆敷。
对比例
采用实施例1的焊接参数，焊丝为1.2mm的高强钢焊丝，堆敷参数为送丝7.4m/min，电流168A，焊接速度40cm/min，打印的直壁长度为120mm，高70mm；不采用本发明所用的冷却装置，采用普通水冷进行冷却，采用连续堆敷，成型的直壁表面如图5所示。
根据堆敷效果图4、5，在堆敷高度达30mm以上后，在相同的堆敷效率下，采用冷却装置的直壁相对于采用同种参数采用普通水冷装置的直壁表面成型精度有较大提高。
实施例2
使用的焊丝为1.2mm的高强钢焊丝，堆敷参数为送丝7.4m/min，电流168A，焊接速度40cm/min，打印的直壁长度为120mm，高70mm，打印方式为连续打印；
S1，在完成30mm高度直壁堆敷后，将冷却装置通过夹具夹持于直壁上，在干冰放置盒中分别均匀放置干冰50g；
S2，继续直壁堆敷，热电偶实时采集直壁侧铜质夹板中的温度，并将采集到的温度信号传输至温度采集盒；
S3，温度采集盒对热电偶采集到的电信号进行滤波、标度转换并传输至计算机；
S4，计算机程序中预设T1＝150℃，T2＝300℃，计算机自动运行程序将采集温度t与T1、T2进行比较；
S5，监测到采集温度t高于300℃，计算机发送信号至可编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构推动铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板发生接触；
S6，干冰放置盒中的干冰升华吸热，干冰升华为CO2通过干冰放置盒后的小孔排出；
S7，监测温度下降并低于150℃，计算机发送信号至编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构使铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板分离；
S8，堆敷继续，温度升高，计算机实时对采集温度进行比较；
S9重复步骤S2-S8至完成直壁堆敷。
根据堆敷效果图5，可观测在30mm以上夹持冷却装置后，在相同的干冰放置量下，较小的熔覆量及热输入直壁的成型精度相对于较大熔覆量及热输入直壁得到了提高。
干冰在常温下能将周围的空气冷却至-78.5℃，而在这个温度下干冰的升华热为573g/J，假设直壁长度L且直壁侧夹板完全夹于直壁上，夹板高度H，假设在一侧的干冰放置盒中置入同等面积，厚度S均匀放置的干冰(干冰在-78.5℃下的密度为 1560kg/m3)，那么根据升华热公式，可以计算出干冰升华吸取总热量q为：
q＝Q*m＝1560QHSL
其中Q为干冰升华热，m为干冰质量。
再加上两侧同时降温，以及热量在铜中传递消耗70％，可知可带走的总热量约为1.25×106HSL J，而同等接触面积的循环水冷，忽略换热过程中的热损失及相变，则
Ф＝qmC(t2-t1)
其中qm为质量流量(kg/S)，C为水在进出平均温度下的比热容(J/kg*k)，t1，t2分别为水进出直壁区域的温度。水在25℃的比热容为4.2*103J/kg℃，假设水的换热效率为70％，流进/流出温度差为Δt，要消耗同等热量，水的流量必须维持在
Figure RE-GDA0002273185550000061
而在这个直壁面积下直壁与水的有效接触面积难以到。也就是说本发明具有相比传统水冷在相同有效冷却面积下更高的冷却效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所著的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，其特征在于，包括：热电偶、铜质干冰放置盒、保温外壳、夹紧装置、运动装置；其中，热电偶、铜质干冰放置盒、保温外壳构成降温部，所述的直壁侧铜质夹板与直壁侧表面平行，与直壁直接接触；所述的热电偶，内置于直壁侧铜质夹板内部；所述的保温外壳与直壁侧铜质夹板连接，构成完整盒体，铜质干冰放置盒被保温外壳包裹，并与直壁侧铜质夹板之间距离为δ，所述的铜质干冰放置盒开有CO2排气孔并连接运动装置；所述的夹紧装置用于夹紧降温部，与直壁侧铜质夹板方向垂直；所述的运动装置，连接伺服电机及铜质干冰放置盒；
该装置还设有控制部，包括温度采集器、可编程控制器，，计算机；温度采集器连接热电偶及计算机，所述的可编程控制器与伺服电机及计算机连接。
2.根据权利要求1所述的主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，其特征在于，所述的保温外壳材料为高容度挤塑板。
3.根据权利要求1所述的主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，其特征在于：所述的伺服电机为交流伺服电机，所述的运动装置为丝杆加导轨。
4.根据权利要求1所述的主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，其特征在于，干冰放置盒与直壁侧铜质夹板的距离δ的长度约为30-80mm。
5.根据权利要求1所述的主动控制电弧增材制造直壁温度的装置，其特征在于直壁侧铜质夹板的厚度d为0.5-3mm；直壁侧铜质夹板的高度H为10-50mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的主动控制电弧增材制造直壁温度装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在完成高度h直壁堆敷后，将降温部通过夹具夹持于直壁上，其中夹具垂直高度H<h；
S2，热电偶实时采集直壁侧铜质夹板中的温度t，并将采集到的温度信号传输至温度采集盒；
S3，温度采集盒对热电偶采集到的电信号进行滤波、标度转换并传输至计算机；
S4，计算机内部程序将采集温度t与预设温度T1、T2，T1为开始冷却温度，T2为停止冷却温度，进及行比较；
S5，若t>T1，计算机发送信号至可编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构推动铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板发生接触；
S6，干冰放置盒中的干冰升华吸热，干冰升华为CO2通过干冰放置盒后的小孔排出；
S7，若t<T2，计算机发送信号至编程控制器，控制伺服电机启动，根据编好的程序，伺服电机通过运动机构使铜质干冰放置盒与直壁侧铜质夹板分离；
S8，T1<t<T2则计算机继续比较；
S9重复步骤S2-S8至完成增材。
7.根据权利要求6所述的主动控制电弧增材制造直壁温度装置的方法，其特征在于，干冰放置盒中加入的干冰量m的质量范围为
m＝ρ·H·S·L
其中，ρ为干冰在-78.5℃下的密度为1560kg/m3，H为干冰放置盒高度，S为宽度，L为长度。
8.根据权利要求6所述的主动控制电弧增材制造直壁温度装置的方法，其特征在于，预设温度T1为300℃-400℃，预设温度T2为100℃-200℃。
9.根据权利要求6所述的主动控制电弧增材制造直壁温度装置的方法，其特征在于，电弧增材制造使用的丝材为高强钢丝材、NiCr不锈钢丝材。
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