CN112935642A - 一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧增材制造过程压缩冷空气的主动冷却装置及方法，所述装置由电弧增材制造部分、压缩冷却部分和测控部分组成，该装置能将冷空气冷却压缩，并在电弧增材制造过程中通过特定喷嘴喷出，达到快速冷却的作用，从而减少加工过程中的热积累效应，提高加工效率和成形精度。该发明所述方法包括以下步骤：步骤一：跟据成型零件形状设置空冷装置的姿态变更规则；步骤二：打开装置电源，设置电弧增材制造堆积路径；步骤三：打开气阀、压缩冷却装置以及测控系统；步骤四：开始堆积零件，各个部分按照预先设置规则进行高效堆积。

Description

一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统

技术领域

本发明专利包含一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，能够在电弧增材制造过程中对零件进行快速有效的冷却。

背景技术

电弧增材制造技术是一种基于堆焊原理发展起来的技术。该技术以电弧为热源，将金属快速熔化并逐层熔覆在基板表面，从而实现金属的快速堆积成形。电弧增材制造整个过程无需模具，且热输入量大，熔覆速度快，具有较高的材料利用率和低成本的优点。

“控形”是电弧增材制造的核心问题之一，电弧增材制造过程中的大的热输入也带来了严重的热积累效应，很大程度上影响了零件的成形性能和精度。在实际的生产过程中，最常用的缓解热累积效应的方法主要基于以下两种思路：一种是通过降低电弧本身的热输入量来缓解热积累效应，常见的方法是CMT(冷金属过渡)技术、调节合适的参数配置等；另一种则是增加热交换的时间从而达到散热的目的，常用的方法就是增加层间冷却。以上两条常见的思路易于实现且能够有效的增加成形精度，但明显的降低了成形的效率。而相较于以上两条思路，还有一种思路实现相对复杂，但在效果上却有更大的优势——引入冷却介质。我们可以通过特定的设计，让冷却介质在不影响成型过程和电弧稳定性的情况下加速热对流或将热对流变为热传导的形式，加速热量的散失，从而达到在不降低效率的情况下有效控制热输入量，提高成型精度。本发明则是基于第三种思路来灵活有效控制电弧增材制造零件精度的。

发明内容

电弧增材制造过程中的热积累效应会严重影响零件的精度，甚至导致零件无法成形。本发明提出了一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，通过合理的装置结构和参数实现电弧增材制造高效、高精度的成形。

本辅助系统分为堆焊系统、测控系统和冷却系统三个部分，为实现以上的目的，本发明设计的冷却装置技术特征包括如下：

(1)本发明的创新特点在于特定的喷嘴设计，能有效地降低冷却气流对电弧稳定性的影响；特定的机械臂组合能实现多位置，多姿态的调整；适用的姿态调整策略结合测控系统的实时监测与控制，能灵活、高效的解决电弧增材制造过程中的热积累问题。

(2)冷却系统由变位装置、喷嘴、气瓶和压缩冷却装置组成，其中变位装置由若干零件组成，固定在焊枪上侧，整体随焊枪移动。变位装置均在一个平面内，零件由4-5个关节连接，每个关节都可受到测控系统的控制，其中有一个关节转动会调节整个变位装置平面与焊枪的夹角，其余关节则是控制调整变位装置所在平面的姿态。

(3)测控系统主要由计算机控制系统、数据采集卡以及数个水平仪和距离传感组成。其中喷嘴上置有的水平仪和距离感应器分别负责收集喷嘴的倾斜角度以及与基板和零件的距离数据，这些数据配合其它部位的传感器，就能精确的获得喷嘴的位置与姿态，并通过计算机控制系统根据工作需求发出应对指令，精准的冷却需要的位置。

基于上述装置的功能，需通过如下技术步骤实现：

步骤一：定义冷却装置姿态的调整规则。为保证冷却气流不会影响电弧稳定性，同时又尽可能的提高局部冷却效果，冷却气喷嘴与基板和堆积件的距离与夹角须保持在特定范围，并会随着堆积过程中条件的改变做出调整。对于简单的薄壁零件堆积，喷嘴与基板距离小于一定值时，喷嘴与基板的夹角应介于45°与90°之间，随着堆积高度的增加，喷嘴与基板的夹角应逐渐减小，而距离增加，直至喷嘴最准堆积件和基板的连接处，此时喷嘴与基板和堆积件都成45°，随着对及高度继续增持加，喷嘴将对准堆焊零件壁冷却，并与堆焊件呈现一定角度，此时角度介于45°与90°之间变化。

步骤二：完成设备的初始化。将打磨后的基板放置于工装台上固定，启动焊机电源，打开堆积系统、冷却系统和测控系统的电源开关。将焊枪回归至初始位置，调整冷却装置姿态使水平仪归零，然后将焊枪移至基板表面，使测距仪与基板距离为10.5-11mm。随后调整喷嘴与基板距离至2-3mm，与焊丝距离6-8mm，始终保持喷嘴上的水平仪为0。打开保护气阀门，调节保护气流量15-20L/min，随后打开冷却气阀门，调节气体流量30-40L/min。

步骤三：开始逐层堆积。对于简单薄壁件，堆积第一层开始时，冷却装置保持与焊枪的相对位置不变，随后每上升一层，高度增加h mm，两侧喷嘴分别向内旋转9*h°，当零件高度达到11mm左右时，喷嘴上的水平仪在90°左右，在同一层堆积时，喷嘴会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°；对于复杂的密堆积件，同一层堆积时，两侧喷嘴会相对焊枪上移一个层高h mm，并会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°，此外，喷嘴不会做出分别向内旋转的行为。

步骤四：堆积完成后，计算机控制系统将继续控制冷却装置在堆积层上来回移动，直至装置完全冷却后，控制系统重置焊枪与冷却装置的姿态，关闭电源，取出零件。

为尽可能降低冷却气流对电弧的影响，喷嘴出气孔直径、喷嘴与基板，零件的距离和角度范围都应在特定的范围内。作为优选参数，喷嘴出气孔直径应在6-8mm，形状为特殊形状(见附图3)；喷嘴轴向与基板和熔覆件的夹角需按实际情况严格控制，在冷却气吹向基板时，喷嘴与基板夹角应介于45°-90°，当冷气由吹向基板，夹角过大会使电弧气体受到冷却气干扰，造成气流的紊乱，而夹角过小则会降低冷却效果，降低了冷却效率；除此之外，喷嘴与基板和焊枪轴的直线距离应介于6-8mm，距离过短亦会使电弧气体受到冷却气干扰，造成气流的紊乱，而距离过大则难以对高温区域进行冷却，降低冷却效率。

附图1为本发明(由堆积系统、冷却系统和测控系统三个部分组成)简图。堆积系统的电弧增材制造电源连接焊枪，在测控系统的指令下堆积工装台上的零件，承担直接成形零件的任务；冷却系统的气体经气瓶输出，经由冷却压缩装置后进入气体喷嘴喷出，喷嘴装配在变位装置上，由测控系统发出指令对工件进行冷却；测控系统是连接另外两个部分的重要组成，变位装置上装备的水平仪和距离传感器收集必要信息经数据采集卡处理传入计算机控制系统，计算机控制系统读取信息并发出指令，自动控制变位装置的运动。

有益效果

本发明涉及的主动压缩冷空气冷却装置与方法，具有以下优点：

(1)通过压缩冷空气局部冷却的方式散热，有效地减缓了电弧增材制造过程中的热积累效应，成型相同零件的层间冷却时间大幅降低，提高了成型效率。

(2)对零件的散热条件进行了改善，压缩气体的引入会加快工件表面的热对流，晶粒不宜过热而粗大，细化了组织。

(3)通过传感器对焊枪和冷却系统姿态进行自动控制，操作简单，成本低廉，普适性强。

附图说明

图1一种灵活可调电弧增材制造空冷装置示意图

图2初始化位置示意图

图3喷嘴出气孔形状图

具体实施方案

下面结合附图详细说明：

如附图1所示，本装置包括堆积系统、冷却系统和测控系统三个部分。

堆积系统包括电弧增材制造电源(3)，工装台(4)，焊枪(5)，夹具(6)，堆积件(9)，基板(10)，工装台与焊枪分别于电源两极相连，基板(10)通过夹具固定于工装台上，基板上方为堆积件(9)、焊枪、变位装置(11)和气体喷嘴(12)。

空冷系统包括变位装置、气体喷嘴、气体冷却压缩装置(13)、气瓶(14)。气体压缩装置一端连接着气瓶，另一端连接着气体喷嘴，气体从气瓶流出，经气体冷却压缩装置冷却压缩后送如气体喷嘴。

测控系统是连接另外两个部分的重要组成，变位装置上装备的水平仪(8)和距离传感器(7)收集必要信息经数据采集卡(1)处理传入计算机控制系统(2)，计算机控制系统读取信息并发出指令，自动控制变位装置的运动。

基于上述装置的功能，进行电弧增材制造过程主动冷却控制：

步骤一：定义冷却装置姿态的调整规则。为保证冷却气流不会影响电弧稳定性，同时又尽可能的提高局部冷却效果，冷却气喷嘴与基板和堆积件的距离与夹角须保持在特定范围，并会随着堆积过程中条件的改变做出调整。对于简单的薄壁零件堆积，喷嘴与基板距离小于一定值时，喷嘴与基板的夹角应介于45°与90°之间，随着堆积高度的增加，喷嘴与基板的夹角应逐渐减小，而距离增加，直至喷嘴最准堆积件和基板的连接处，此时喷嘴与基板和堆积件都成45°，随着对及高度继续增持加，喷嘴将对准堆焊零件壁冷却，并与堆焊件呈现一定角度，此时角度介于45°与90°之间变化。

步骤二：完成设备的初始化，薄壁零件初始化姿态如附图2所示。将打磨后的基板放置于工装台上固定，启动焊机电源，打开堆积系统、冷却系统和测控系统的电源开关。将焊枪回归至初始位置，调整冷却装置姿态使水平仪归零，然后将焊枪移至基板表面，使测距仪与基板距离为10.5-11mm。随后调整喷嘴与基板距离至2-3mm，与焊丝距离6-8mm，始终保持喷嘴上的水平仪为0。打开保护气阀门，调节保护气流量15-20L/min，随后打开冷却气阀门，调节气体流量30-40L/min。

步骤三：开始逐层堆积。对于简单薄壁件，堆积第一层开始时，冷却装置保持与焊枪的相对位置不变，随后每上升一层，高度增加h mm，两侧喷嘴分别向内旋转9*h°，当零件高度达到11mm左右时，喷嘴上的水平仪在90°左右，在同一层堆积时，喷嘴会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°；对于复杂的密堆积件，同一层堆积时，两侧喷嘴会相对焊枪上移一个层高h mm，并会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°，此外，喷嘴不会做出分别向内旋转的行为。为降低冷却气流对电弧的影响，喷嘴出气孔形状为特殊形状，见附图3。

步骤四：堆积完成后，计算机控制系统将继续控制冷却装置在堆积层上来回移动，直至装置完全冷却后，控制系统重置焊枪与冷却装置的姿态，关闭电源，取出零件。

Claims (8)

1.一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，其特征在于利用特殊的机械结构组合装置，结合配套的姿态调整策略，在测控系统的实时监测与控制下灵活、高效的解决电弧增材制造过程中的热积累问题。

2.如权利要求1所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，其特征包括如下：

(1)本冷却装置分为堆焊系统、测控系统和冷却系统三个部分，其创新特点在于特定的喷嘴设计，能有效地降低冷却气流对电弧稳定性的影响；特定的机械臂组合能实现多位置，多姿态的调整；适用的姿态调整策略结合测控系统的实时监测与控制，能灵活、高效的解决电弧增材制造过程中的热积累问题。

(2)冷却系统由变位装置、喷嘴、气瓶和压缩冷却装置组成，其中变位装置由若干零件组成，固定在焊枪上侧，整体随焊枪移动。变位装置均在一个平面内，零件由4-5个关节连接，每个关节都可受到测控系统的控制，其中有一个关节转动会调节整个变位装置平面与焊枪的夹角，其余关节则是控制调整变位装置所在平面的姿态。

(3)测控系统主要由计算机控制系统、数据采集卡以及数个水平仪和距离传感组成。其中喷嘴上置有的水平仪和距离感应器分别负责收集喷嘴的倾斜角度以及与基板和零件的距离数据，这些数据配合其它部位的传感器，就能精确的获得喷嘴的位置与姿态，并通过计算机控制系统根据工作需求发出应对指令，精准的冷却需要的位置。

3.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，其特征在于(2)所述的变位装置不受其描述限制，附图1中的变位装置为简化图。

4.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统，其特征在于(3)所述的喷嘴出气孔直径应在6-8mm，形状为特殊形状(见附图3)。

5.如权利要求1所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统控温方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现：

步骤一：定义冷却装置姿态的调整规则。为保证冷却气流不会影响电弧稳定性，同时又尽可能的提高局部冷却效果，冷却气喷嘴与基板和堆积件的距离与夹角须保持在特定范围，并会随着堆积过程中条件的改变做出调整。对于简单的薄壁零件堆积，喷嘴与基板距离小于一定值时，喷嘴与基板的夹角应介于45°与90°之间，随着堆积高度的增加，喷嘴与基板的夹角应逐渐减小，而距离增加，直至喷嘴最准堆积件和基板的连接处，此时喷嘴与基板和堆积件都成45°，随着对及高度继续增持加，喷嘴将对准堆焊零件壁冷却，并与堆焊件呈现一定角度，此时角度介于45°与90°之间变化。

步骤二：完成设备的初始化。将打磨后的基板放置于工装台上固定，启动焊机电源，打开堆积系统、冷却系统和测控系统的电源开关。将焊枪回归至初始位置，调整冷却装置姿态使水平仪归零，然后将焊枪移至基板表面，使测距仪与基板距离为10.5-11mm。随后调整喷嘴与基板距离至2-3mm，与焊丝距离6-8mm，始终保持喷嘴上的水平仪为0。打开保护气阀门，调节保护气流量15-20L/min，随后打开冷却气阀门，调节气体流量30-40L/min。

步骤三：开始逐层堆积。对于简单薄壁件，堆积第一层开始时，冷却装置保持与焊枪的相对位置不变，随后每上升一层，高度增加h mm，两侧喷嘴分别向内旋转9*h°，当零件高度达到11mm左右时，喷嘴上的水平仪在90°左右，在同一层堆积时，喷嘴会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°；对于复杂的密堆积件，同一层堆积时，两侧喷嘴会相对焊枪上移一个层高h mm，并会缓慢向焊缝前进的反方向倾斜，直至与焊枪轴的夹角呈12°，在一条路径将结束时，这个夹角会迅速复原至0°，此外，喷嘴不会做出分别向内旋转的行为。

步骤四：堆积完成后，计算机控制系统将继续控制冷却装置在堆积层上来回移动，直至装置完全冷却后，控制系统重置焊枪与冷却装置的姿态，关闭电源，取出零件。

为尽可能降低冷却气流对电弧的影响，喷嘴出气孔直径、喷嘴与基板，零件的距离和角度范围都应在特定的范围内。作为优选参数，喷嘴出气孔直径应在6-8mm，形状为特殊形状(见附图)；喷嘴轴向与基板和熔覆件的夹角均应介于45°-90°之间，夹角过大会使电弧气体受到冷却气干扰，造成气流的紊乱，而夹角过小则会降低冷却效果，降低了冷却效率；除此之外，喷嘴与基板和焊枪轴的直线距离应介于6-8mm，距离过短亦会使电弧气体受到冷却气干扰，造成气流的紊乱，而距离过大则难以对高温区域进行冷却，降低冷却效率。

6.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统及方法，其特征在于：在步骤一中，喷嘴与基板和堆积件的角度范围须根据具体零件而定，上述角度范围仅为简单薄壁件参数设置提供参考。

7.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统及方法，其特征在于：在步骤三中，所设定的初始位置测距仪与基板距离为10.5-11mm；喷嘴与基板距离至2-3mm，与焊丝距离6-8mm；保护气流量15-20L/min；冷却气气体流量30-40L/min。

8.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材制造的主动冷却系统及方法，其特征在于在步骤三中，水平仪与喷嘴轴线夹角为90°。

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