CN113182644B - 一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具及工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具及工艺方法，属于增材制造领域。设计水冷卡具，在解决装卡密封性的前提下让循环冷却水与基板直接接触，迅速带走增材制造过程中产生的大部分热量，降低增材制造过程中构件的最高温度及减小高温区域，从而有效降低每条熔敷道冷却收缩时产生的塑性变形量，进而减小电弧增材制造构件产生的变形。该水冷工艺可以对构件进行快速冷却，解决了在空冷条件下，冷却至所需层间温度时间过长的问题，在减少变形的同时，大大提高制造效率。

Description

一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具及工艺方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体地说，本发明涉及一种电弧增材制造与水冷过程同时进行的工艺方法和卡具，可以有效缓解增材制造过程产生的变形问题，同时提升制造效率。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是20世纪80年代提出的一种新型智能加工技术，该技术采用软件对建好的模型进行离散分层，并通过计算机控制三维层片逐层堆积，最终成形出三维实体，实现了无模具加工。2018年12月工信部工业文化发展中心AM技术研究院新材料研究所成立，标志着我国 AM技术迈入新的阶段。
AM技术是基于离散-堆积原理，利用CAD软件生产三维实体模型，根据每层的二维数据控制激光等热源作用于粉末、液体或丝材，加工出所要求形状和尺寸的薄层，并逐层累积形成实体模型的制造技术。金属AM技术的分类方法有多种，根据原料可分铺粉(粉床)、送粉(同轴、旁轴)和送丝三大类；根据采用的热源分为激光束、电子束和电弧。
电弧增材制造(WAAM)作为电弧熔丝成形工艺中的一种技术，使用电弧能量熔化焊丝，再按照设定的路径逐层堆积成型。WAAM原料设备成本低，打印的工件具有致密度高等优点。但电弧熔丝过程熔池体积大，热输入高，随着打印层数的增加，构件的散热条件变差，导致热量持续累积，变形量大，成型质量难以控制。且WAAM过程构件经历了复杂热循环，温度场分布不均匀，不可避免地会产生变形甚至开裂的风险。在增材制造进行的同时，辅以水冷的方法可以迅速带走增材过程产生的热量，有效缓解WAAM过程变形问题，并大幅提高增材效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种WAAM过程辅以水冷快速降温的工艺方法，提供了一种水冷卡具的方案，防止冷却水溢出或者水蒸气 污染焊缝，改善WAAM过程构件的变形问题，提高电弧增材制造的效率，改善电弧增材制造构件的力学性能。
为达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，在进行电弧增材制造前，对待打印基板进行去氧化物，去除杂质与油污的表面处理，包括但不仅限于机械打磨、有机溶剂清洗等方法。
步骤二，水冷卡具通过水管依次与水泵、水箱连接，并将表面处理后的基板装卡固定在上述水冷卡具上；
步骤三，接通水泵电源进行密封性测试，若存在密封不严的问题，应在密封不严的位置涂上高温防水胶，以保证卡具与基板密封，防止冷却水进入熔池；
步骤四，接通水泵电源，待水流循环稳定后，使用电弧增材制造系统运行相应的工艺参数进行实时水冷的电弧增材制造。
步骤二所述水冷卡具，其特征如图1所示，包括底座(1)、水冷盖板(2)、密封板(3)、压板(4)、T型滑块(5)，具底座(1)上表面中心部位有水槽，优选水槽体积大于450cm3，水槽侧壁设有进水孔与出水孔，目的是为了让冷却水在水槽内充分循环；
底座(1)的上部为水冷盖板(2)，水冷盖板(2)上表面中心部位加工出凹槽(14)用于放置基板(6)，凹槽底部有通水孔(15)让循环水与基板直接接触；水冷盖板上表面凹槽(14)的旁边上表面加工长条状T型槽(16)用于匹配放置T型滑块(5)，T型滑块(5)与密封板(3)采用螺栓固定连接；T型滑块(5) 的上端设有螺栓孔，密封板(3)上设有螺栓孔，T型滑块(5)上的螺栓孔与密封板(3)上的栓孔采用螺栓固定连接。
水冷盖板(2)的上部为密封板(3)，密封板(3)为中间为通孔的环形板，中间的通孔的形状和结构与水冷盖板(2)的凹槽(14)相匹配，用于将基板(6) 卡住并进行密封；
密封板(3)的上部为压板(4)用于对基板的固定，使用机械紧固的方法减小基板的变形。压板(4)为两块条状板。
底座(1)与水冷盖板(2)之间使用高温防水胶进行密封，且卡具的底座(1)、水冷盖板(2)、密封板(3)、压板(4)在上下的对应相同的位置加工通孔，使用螺栓、螺柱进行连接、固定。
凹槽(14)、密封板(3)的通孔两者的线状和结构均与基板(6)相匹配，使得基板(6)完整密封的位于上述的凹槽(14)、密封板(3)的通孔中，凹槽 (14)的深度加上密封板(3)的厚度等于基板(6)的厚度，压板(4)用于将基板(6)卡在密封板(3)的通孔中。
步骤二所述水箱，其特征在于，为恒温水箱，可保持循环水在一定温度范围内为设定温度。
步骤二所述水泵，其特征在于，为变频漩涡式自吸电泵，吸水压力为 0.1kg-2.5kg，可根据需要调整水流量为4L/min-20L/min。
本发明包括以下有益效果：
1、采用WAAM过程同时辅以水冷的工艺方法，可以迅速降低构件的温度，减少增材制造过程中的热量积累，达到在减少变形的同时大幅提高增材效率的目的。
2、本发明可以通过调节水泵的功率实现对水流量的控制，调节水箱的保温温度实现对冷却水温度的控制，实现对不同打印结构、冷却要求、打印尺寸构件的变形调控，实现高效的电弧增材制造过程。
附图说明
图1为本发明中所用到的水冷卡具示意图；
其中(1)-底座，(2)-水冷盖板，(3)-密封板，(4)-压板，(5)T型滑块， (6)-基板；(14)-凹槽；(15)-通水孔；(16)-T型槽。
图2为本发明中所用到的冷却系统装配示意图；
其中(7)-变频漩涡式自吸电泵，(8)-水冷卡具与基板装卡，(9)-恒温水箱，(10)-水泵抽水管，(11)-卡具进水管，(12)-卡具出水管，图中箭头表示循环水流动方向。
图3为增材制造结束后基板的变形示意图，其中(13)-增材制造沉积构件。
图4为空冷条件下与水冷条件下基板的挠曲变形比较；
图5的(a)、(b)分别为要求层间冷却温度低于50℃时，空冷条件与水冷条件打印相同尺寸的薄壁结构的温度循环曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：本实施例是对H13焊丝在Q345基板上进行电弧增材制造的同时进行水冷的工艺方法，它是按照以下步骤进行的：
一、在进行电弧增材制造之前使用角磨机对8mm厚度的Q345基板进行机械打磨，后使用酒精对打磨表面进行清洗，去除杂质与油污；
二、将基板装卡在水冷卡具上，基板边缘使用高温防水胶进行密封，接通水泵电源调节水泵吸水压力为1.5kg，直至水流循环稳定在14L/min；
三、设置CMT焊接工艺参数：送丝速度2.5m/min，焊接电流84A，焊接电压11V，弧长修正系数15％，保护气体为97.5％Ar+2.5％CO2，保护气体流量为 15L/min，焊枪喷嘴与基板夹角90°。
四、使用ABB机器人运行上述工艺参数，焊接速度0.2m/min，层间抬升高度1.5mm，单道长度120mm位于基板中心位置，共打印单道12层。
本实施例中基板产生的变形如图4所示。
对比例1
本对比例在空冷条件下进行电弧增材制造，它是按照以下步骤进行的：
一、在进行电弧增材制造之前使用角磨机对8mm厚度的Q345基板进行机械打磨后，使用酒精对打磨表面进行清洗，去除杂质与油污后装卡在传统焊接卡具上；
二、设置CMT焊接工艺参数：送丝速度2.5m/min，焊接电流84A，焊接电压11V，弧长修正系数15％，保护气体为97.5％Ar+2.5％CO2，保护气体流量为 15L/min，焊枪喷嘴与基板夹角90°。
三、使用ABB机器人运行上述工艺参数，焊接速度0.2m/min，层间抬升高度1.5mm，单道长度120mm位于基板中心位置，共打印单道12层。
本对比例中基板产生的变形如图4所示。
从图4对比可以看出，两种工艺方法下基板的最大变形分别为4.54mm和 1.42mm。
从图5(a)、(b)对比可知，若层间冷却至50℃后再进行下一层打印，空冷条件下进行WAAM所需时间约4000s，而WAAM过程辅以水冷的工艺方法下仅需 700s，增材制造的时间缩短了83％。因此，可见在相同的工艺参数下，与空冷条件下的WAAM相比，在WAAM进行的同时辅以水冷的工艺方法可以有效减小基板产生的热变形。
采用实施例1中的水冷工艺方法可以大大提高增材制造的效率，并有效缓解增材制造过程中产生的热变形。

Claims (4)

1.一种缓解电弧增材制造构件变形的卡具，其特征在于，包括底座(1)、水冷盖板(2)、密封板(3)、压板(4)、T型滑块(5)，具底座(1)上表面中心部位有水槽，水槽体积大于450cm3，水槽侧壁设有进水孔与出水孔，目的是为了让冷却水在水槽内充分循环；
底座(1)的上部为水冷盖板(2)，水冷盖板(2)上表面中心部位加工出凹槽(14)用于放置基板(6)，凹槽底部有通水孔(15)让循环水与基板直接接触；水冷盖板上表面凹槽(14)的旁边上表面加工长条状T型槽(16)用于匹配放置T型滑块(5)，T型滑块(5)与密封板(3)采用螺栓固定连接；T型滑块(5)的上端设有螺栓孔，密封板(3)上设有螺栓孔，T型滑块(5)上的螺栓孔与密封板(3)上的栓孔采用螺栓固定连接；
水冷盖板(2)的上部为密封板(3)，密封板(3)为中间为通孔的环形板，中间的通孔的形状和结构与水冷盖板(2)的凹槽(14)相匹配，用于将基板(6)卡住并进行密封；
密封板(3)的上部为压板(4)用于对基板的固定，使用机械紧固的方法减小基板的变形；压板(4)为两块条状板；
底座(1)与水冷盖板(2)之间使用高温防水胶进行密封，且卡具的底座(1)、水冷盖板(2)、密封板(3)、压板(4)在上下的对应相同的位置加工通孔，使用螺栓、螺柱进行连接、固定；
凹槽(14)、密封板(3)的通孔两者的线状和结构均与基板(6)相匹配，使得基板(6)完整密封的位于上述的凹槽(14)、密封板(3)的通孔中，凹槽(14)的深度加上密封板(3)的厚度等于基板(6)的厚度，压板(4)用于将基板(6)卡在密封板(3)的通孔中。
2.采用权利要求1所述的卡具进行缓解电弧增材制造构件变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在进行电弧增材制造前，对待打印基板进行去氧化物，去除杂质与油污的表面处理；
步骤二，卡具通过水管依次与水泵、水箱连接，并将表面处理后的基板装卡固定在上述卡具上；
步骤三，接通水泵电源进行密封性测试，若存在密封不严的问题，应在密封不严的位置涂上高温防水胶，以保证卡具与基板密封，防止冷却水进入熔池；
步骤四，接通水泵电源，待水流循环稳定后，使用电弧增材制造系统运行相应的工艺参数进行实时水冷的电弧增材制造。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二所述水箱为恒温水箱，可保持循环水在一定温度范围内为设定温度。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二所述水泵为变频漩涡式自吸电泵，吸水压力为0.1kg-2.5kg，可根据需要调整水流量为4L/min-20L/min。
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