CN209918886U - 一种多通道双循环气氛保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道双循环气氛保护系统，属于金属增材制造领域，能够自动调节和维持密封成型腔体内压力范围，进一步降低密封成型腔体内氧含量，而且既可以节约保护气，又可提高气体置换的速度。本实用新型包括多通道气体置换通路，气体循环回路，气体还原通路，抽真空通路和烟尘过滤回路分别与中央控制系统通过电气连接，本实用新型通过预抽真空，多通道进气单通道出气来快速而经济地置换腔体中空气从而减少水氧含量；通过设计气体循环通路进一步降低氧含量；通过设计烟雾除尘回路过滤腔内烟尘和颗粒物；通过设计气体还原回路循环利用氧化剂；通过设计中央控制系统来实现自动补气、实时显示各过程物理量。

Description

一种多通道双循环气氛保护系统

技术领域

本发明属于金属增材制造领域，尤其涉及一种多通道双循环的气氛保护系统。

背景技术

激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是近年来逐渐在近成形与快速制造领域快速发展起来的一门新技术。激光选区熔化采用快速成形的基本原理，即先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过专用软件对该模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入到快速成形设备，设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性的熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。理论上，激光选区熔化采用精细聚焦光斑快速熔化30μm左右置粉末材料，可以直接获得几乎任意形状、具有冶金结合的功能零件；生产过程中，经过材料和工艺优化，其相对密度几乎能达到100％，尺寸精度可达到0.1μm，表面粗糙度可达到Ra 30～50μm。利用SLM工艺可以获取其他传统加工工艺难以制备的高致密度、复杂形状、高性能复合材料工件。

由于金属增材制造中金属材料的高温易氧化性、微细粉末的易燃易爆性，在激光选区熔化打印金属粉末材料中需要进行惰性气体保护，现阶段大多数的设备均采用氩气气氛保护，存在许多不足和需要改进之处，现有的气氛保护系统多采用一进一出式气体通道，初始阶段气体置换效率低，时间长，耗气量大；通过一直输送氩气保护气体的方式让成型腔体中的氧含量最低保持在几十PPM(保护气体标准)，无法进一步降低；打印过程中需要一直进行气体补充置换，增加了打印成本；此外，在打印过程中会出现汽化或飞溅的粉末烟尘，如果不加以过滤净化，会有着火爆炸的风险。

发明内容

本发明提供了一种多通道双循环气氛保护系统，能够自动调节和维持密封成型腔体内压力范围，进一步降低密封成型腔体内氧含量，而且既可以节约保护气，又可提高气体置换的速度。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种多通道双循环气氛保护系统，包括：多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路、密封成型腔体4、中央控制系统27，多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路分别与中央控制系统27通过电气连接，密封成型腔体4顶部安装有氧含量分析仪5、水含量分析仪6、压力传感器7、温度传感器8、灰尘传感器9、过压保护阀10，氧含量分析仪5、水含量分析仪6、压力传感器7、温度传感器 8、灰尘传感器9分别与中央控制系统27相连。

以上所述系统中，中央控制系统27还连接着电磁阀A3、电磁阀B11、水平三通电磁阀15、电磁阀C17、电磁阀D20、电磁阀E22、电磁阀F24；

所述的气体置换通路包括：保护气气瓶1连接减压阀A2一端、减压阀A2 另一端连接电磁阀A3一端，电磁阀A3另一端连接气体管道A29一端，气体管道A29另一端连接进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32一端，进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32另一端分别与密封成型腔体4侧面下部连接，出气管道34一端连接水平三通电磁阀15，另一端连接烟尘过滤器B14，烟尘过滤器B14安装在密封成型腔体4侧面上部，烟尘过滤器B14的安装位置与进气管道的安装位置分别位于密封成型腔体4两侧；

所述的气体循环回路包括：气体管道B35一端连接水平三通电磁阀15，另一端连接吸氧气罐23，吸氧气罐23与气体管道C36一端连接，气体管道C36 另一端连接抽气风扇A16一端，抽气风扇A16另一端与电磁阀C17连接，电磁阀C17分别与进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32连接，抽气风扇A16 和具有人机交互界面的触摸屏显示机28连接；

所述的气体还原通路包括：还原气气瓶26连接减压阀B25一端，减压阀B25 一端连接电磁阀F24，电磁阀F24连接气体管道D37一端，气体管道D37另一端通过吸氧气罐23连接电磁阀E22一端，电磁阀E22另一端连接气体管道E38；

所述的抽真空通路包括：气体管路33一端连接密封成型腔体4，另一端连接电磁阀B11，电磁阀B11连接烟尘过滤器A12，烟尘过滤器A12连接真空泵 13，真空泵13连接到中央控制系统27，气体管路33与烟尘过滤器B14位于同一侧。

所述的烟尘过滤回路包括气体管道F39一端连接密封成型腔体4，另一端连接干燥器18一端，干燥器18另一端连接抽气风扇B19一端，抽气风扇B19另一端连接电磁阀D20一端，电磁阀D20另一端连接烟尘过滤器C21，烟尘过滤器C21另一端连接气体管道G40一端，气体管道G40另一端连接密封成型腔体 4，抽气风扇B19和具有人机交互界面的触摸屏显示机28连接。

保护气气瓶1中的保护气为惰性气体，优选氩气。

还原气气瓶26中的还原气为氢气和氩气的混合气。

烟尘过滤器A12、烟尘过滤器B14中的滤芯为具有物理吸附过滤功能的滤芯。

干燥器18中的干燥剂为硅胶干燥剂。

过压保护阀10的设定阈值为10mbar。

水平三通电磁阀15由机械结构控制其中两路通断，需进行水平安装，还接到中央控制系统27由其控制另两路通断。

有益效果：本发明提供了一种多通道双循环气氛保护系统，与现有技术比较有以下优点：

1、气体置换的快速性：先由减压阀控制保护气出口压力，从容器多个不同方位进去，形成一个快速流动流场将密封成型腔体内部的空气推压至出气口排出，此方法可快速地将腔体内水氧含量降到200-500ppm以下；

2、节约保护气体：在气体置换之前，先开启抽真空通路将密封成型腔体抽至30％-50％真空度，然后再进行通保护气进行气体置换，既可节约30％-50％的保护气，又可提高气体置换的速度；

3、可以自动调节和维持密封成型腔体内压力范围：压力传感器将腔体内压力精确地反馈至中央控制系统，中央控制系统根据预置的程序控制气体置换回路上电磁阀的通断和抽真空回路的上电磁阀的通断，通过保护气对内补气，通过真空泵对内抽气，以此达到保证腔内压力范围；

4、进一步降低密封成型腔体内氧含量：通过开启气体循环回路上的电磁阀和抽气风扇，将腔体内的气体抽入吸氧气罐，所剩残余的氧气与气罐中的氧化剂进行反应而被消耗，保护气体不与之反应，重新通过气体管道进入密封金属腔体，可将腔体内氧含量减少到10ppm以内；

5、有效降低腔体内粉尘和烟雾含量，同时进一步降低水含量：灰尘传感器可实时探测密封成型气体内灰尘浓度反馈至中央控制系统，中央控制系统根据预置程序开启烟尘过滤回路上电磁阀和抽气风扇，将腔体内夹杂着粉末灰尘的混合气经过过滤器和吸水器吹尘和吸水，经过此步骤可将烟尘含量和水含量降至 10ppm以下；

6、各个过程参数的实时显示和报警情况的存储可追溯性：该中央控制系统由中央处理器、存储器以及可外围PLC电路组成，可实现对各个传感器读取模拟量的读取和存储以及控制各个电磁阀、抽气风扇、真空泵通断的顺序操作；触摸显示屏上为人机界面，人机交互更简单、快捷。

附图说明

图1为本发明的激光选区熔化多通道双循环气氛保护系统的结构示意图。

图中，1为保护气气瓶，2为减压阀A，3为电磁阀A，4为密封成型腔体， 5为氧含量分析仪，6为水含量分析仪，7为压力传感器，8为温度传感器，9为灰尘传感器，10为过压保护阀，11为电磁阀B，12为烟尘过滤器A，13为真空泵，14为烟尘过滤器B，15为水平三通电磁阀，16为抽气风扇A，17为电磁阀 C，18为干燥器，19为抽气风扇B，20为电磁阀D，21为烟尘过滤器C，22为电磁阀E，23为吸氧气罐，24为电磁阀F，25为减压阀B，26为还原气气瓶， 27为中央控制系统，28为触摸屏显示器，29为气体管道A，30为进气管道A， 31为进气管道B，32为进气管道C，33为气体管路，34出气管道，35为气体管道B，36为气体管道C，37为气体管道D，38为气体管道E，39为气体管道F， 40为气路管道G。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种多通道双循环气氛保护系统，包括：多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路、密封成型腔体 4、中央控制系统27，多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路分别与中央控制系统27通过电气连接，密封成型腔体 4顶部安装有氧含量分析仪5、水含量分析仪6、压力传感器7、温度传感器8、灰尘传感器9、过压保护阀10，氧含量分析仪5、水含量分析仪6、压力传感器 7、温度传感器8、灰尘传感器9分别与中央控制系统27相连。

以上所述系统中，中央控制系统27还连接着电磁阀A3、电磁阀B11、水平三通电磁阀15、电磁阀C17、电磁阀D20、电磁阀E22、电磁阀F24；

所述的气体置换通路包括：保护气气瓶1连接减压阀A2一端、减压阀A2 另一端连接电磁阀A3一端，电磁阀A3另一端连接气体管道A29一端，气体管道A29另一端连接进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32一端，进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32另一端分别与密封成型腔体4侧面下部连接，出气管道34一端连接水平三通电磁阀15，另一端连接烟尘过滤器B14，烟尘过滤器B14安装在密封成型腔体4侧面上部，烟尘过滤器B14的安装位置与进气管道的安装位置分别位于密封成型腔体4两侧；

所述的气体循环回路包括：气体管道B35一端连接水平三通电磁阀15，另一端连接吸氧气罐23，吸氧气罐23与气体管道C36一端连接，气体管道C36 另一端连接抽气风扇A16一端，抽气风扇A16另一端与电磁阀C17连接，电磁阀C17分别与进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32连接，抽气风扇A16 和具有人机交互界面的触摸屏显示机28连接；

所述的气体还原通路包括：还原气气瓶26连接减压阀B25一端，减压阀B25 一端连接电磁阀F24，电磁阀F24连接气体管道D37一端，气体管道D37另一端通过吸氧气罐23连接电磁阀E22一端，电磁阀E22另一端连接气体管道E38；

所述的抽真空通路包括：气体管路33一端连接密封成型腔体4，另一端连接电磁阀B11，电磁阀B11连接烟尘过滤器A12，烟尘过滤器A12连接真空泵 13，真空泵13连接到中央控制系统27，气体管路33与烟尘过滤器B14位于同一侧。

所述的烟尘过滤回路包括气体管道F39一端连接密封成型腔体4，另一端连接干燥器18一端，干燥器18另一端连接抽气风扇B19一端，抽气风扇B19另一端连接电磁阀D20一端，电磁阀D20另一端连接烟尘过滤器C21，烟尘过滤器C21另一端连接气体管道G40一端，气体管道G40另一端连接密封成型腔体 4，抽气风扇B19和具有人机交互界面的触摸屏显示机28连接。

保护气气瓶1中的保护气为惰性气体，优选氩气。

还原气气瓶26中的还原气为氢气和氩气的混合气。

烟尘过滤器A12、烟尘过滤器B14中的滤芯为具有物理吸附过滤功能的滤芯。

干燥器18中的干燥剂为硅胶干燥剂。

过压保护阀10的设定阈值为10mbar。

水平三通电磁阀15由机械结构控制其中两路通断，需进行水平安装，还接到中央控制系统27由其控制另两路通断。

关闭密封成型腔体4上视窗门，在触摸显示屏28上开启抽真空功能，中央控制系统27接收到指令关闭所有电磁阀和风扇，只打开电磁阀B11和真空泵13，真空泵13对密封成型腔4进行抽真空，当真空度达到30％-50％，关闭抽真空功能，电磁阀B11和真空泵13关闭；此后，在触摸显示屏28上开启气体置换功能，中央控制系统27接收到指令，开启电磁阀A3和水平三通电磁阀15的a、b 两通(a、c两通关闭)，手动调节减压阀A2副表压力，使保护气出气压力为100MPa，保护气经由气体管道A29、进气管道A30、进气管道B31、进气管道C32进入密封成型腔体4，推压腔体内空气经过烟尘过滤器B14、出气管道34、水平三通电磁阀15排出，当氧含量达到200-500ppm以下，关闭气体置换功能，电磁阀A3 和水平三通电磁阀15关闭；此后，对氧含量要求不高的金属粉末即可开始打印，此时需要开启烟尘过滤功能，中央控制系统接收到指令，开启电磁阀D20和抽气风扇B19，通过腔体内部的管路设计，抽气风扇B19在铺好的金属粉末上方和振镜出光口下方形成流动气场，不断的将打印过程中产生的含有金属烟雾、飞溅等颗粒物的气体抽出，经过烟尘过滤器C21吸附过滤，干燥器18吸水干燥，再通入腔体内形成除尘内循环气路；在此过程中，由于密封成型腔体5的密封性不足会导致保护气外泄，因此需要不断对其进行补气已维持压力范围，中央控制系统可以根据预设的程序自动开启电磁阀A3、电磁阀B11和真空泵13，腔内压力小于预设范围，进行补气，腔内压力大于预设范围，进行抽气。

当对氧含量要求较高，在气体置换功能之后，需要进行气体循环功能：在触摸显示屏28上选择气体循环功能，中央控制系统27接收到指令后，关闭其他电磁阀和抽气风扇，只开启电磁阀C17、水平三通电磁阀15的a、c两通(a、b 两通关闭)和抽气风扇A16，腔体内气体经由烟尘过滤器B14、气路管道34、水平三通电磁阀15a、c口，进入吸氧气罐23，氧气与其中的氧化剂进行反应吸收，剩余保护气体经过气体管道C36、电磁阀C17和进气管道A30、进气管道 B31、进气管道C32进入密封成型腔体4，完成气体循环，将氧含量进一步减小。

当系统运行一段时间后，需要对吸氧气罐23中的氧化剂进行还原：在触摸显示屏28上选择气体还原功能，中央控制系统27接收到指令后，关闭气体电磁阀和抽气风扇，打开电磁阀E22、电磁阀F24，手动调节减压阀B25副表压力，使还原气出口压力为5MPa，让还原气进入吸氧气罐23与氧化剂发生反应，将其还原，反应产物经由电磁阀E22和气体管道E38排出。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，包括：多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路、密封成型腔体(4)、中央控制系统(27)，多通道气体置换通路、气体循环回路、气体还原通路、抽真空通路、烟尘过滤回路分别与中央控制系统(27)通过电气连接，密封成型腔体(4)顶部安装有氧含量分析仪(5)、水含量分析仪(6)、压力传感器(7)、温度传感器(8)、灰尘传感器(9)、过压保护阀(10)，氧含量分析仪(5)、水含量分析仪(6)、压力传感器(7)、温度传感器(8)、灰尘传感器(9)分别与中央控制系统(27)相连。

2.根据权利要求1所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，所述的气体置换通路包括：保护气气瓶(1)连接减压阀A(2)一端，减压阀A(2)另一端连接电磁阀A(3)一端，电磁阀A(3)另一端连接气体管道A(29)一端，气体管道A(29)另一端连接进气管道A(30)、进气管道B(31)、进气管道C(32)一端，进气管道A(30)、进气管道B(31)、进气管道C(32)另一端分别与密封成型腔体(4)侧面下部连接，出气管道(34)一端连接水平三通电磁阀(15)，另一端连接烟尘过滤器B(14)，烟尘过滤器B(14)安装在密封成型腔体(4)侧面上部，烟尘过滤器B(14)的安装位置与进气管道的安装位置分别位于密封成型腔体(4)两侧。

3.根据权利要求1所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，所述的气体循环回路包括：气体管道B(35)一端连接水平三通电磁阀(15)，另一端连接吸氧气罐(23)，吸氧气罐(23)与气体管道C(36)一端连接，气体管道C(36)另一端连接抽气风扇A(16)一端，抽气风扇A(16)另一端与电磁阀C(17)连接，电磁阀C(17)分别与进气管道A(30)、进气管道B(31)、进气管道C(32)连接。

4.根据权利要求1所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，所述的气体还原通路包括：还原气气瓶(26)连接减压阀B(25)一端，减压阀B(25)一端连接电磁阀F(24)，电磁阀F(24)连接气体管道D(37)一端，气体管道D(37)另一端通过吸氧气罐(23)连接电磁阀E(22)一端，电磁阀E(22)另一端连接气体管道E(38)。

5.根据权利要求1所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，所述的抽真空通路包括：气体管路(33)一端连接密封成型腔体(4)，另一端连接电磁阀B(11)，电磁阀B(11)连接烟尘过滤器A(12)，烟尘过滤器A(12)连接真空泵(13)，真空泵(13)连接到中央控制系统(27)，气体管路(33)与烟尘过滤器B(14)位于同一侧。

6.根据权利要求1所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，所述的烟尘过滤回路包括气体管道F(39)一端连接密封成型腔体(4)，另一端连接干燥器(18)一端，干燥器(18)另一端连接抽气风扇B(19)一端，抽气风扇B(19)另一端连接电磁阀D(20)一端，电磁阀D(20)另一端连接烟尘过滤器C(21)，烟尘过滤器C(21)另一端连接气体管道G(40)一端，气体管道G(40)另一端连接密封成型腔体(4)。

7.根据权利要求2所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，保护气气瓶(1)中的保护气为惰性气体；水平三通电磁阀(15)由机械结构控制其中两路通断，水平安装，水平三通电磁阀(15)接到中央控制系统(27)控制另两路通断。

8.根据权利要求4所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，还原气气瓶(26)中的还原气为氢气和氩气的混合气。

9.根据权利要求2或5所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，烟尘过滤器A(12)和烟尘过滤器B(14)中的滤芯为具有物理吸附过滤功能的滤芯。

10.根据权利要求6所述的多通道双循环气氛保护系统，其特征在于，干燥器(18)中的干燥剂为硅胶干燥剂。

Images