CN217433052U - 一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，包括设置在工作台上的保护箱，保护箱的顶部设有竖向贯通的让位槽口，保护箱的内部设有由升降组件驱动升降的固定板，固定板的顶部设有基板；保护箱的内侧壁设有试样检测单元、温度检测单元及气体释放单元，当沉积试样的高度低于试样检测单元的水平检测高度时，控制单元控制升降组件停止移动、气体释放单元往保护箱内部释放冷却气体；温度检测单元用于检测沉积试样的表面温度，且当沉积试样的表面温度低于设定的温度值时，控制单元控制气体释放单元停止工作。本实用新型设计合理，既能快速降低沉积试样内部的温度，有效的降低沉积试样的热输入量，缓解沉积层与沉积层之间的热积累问题。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置。
背景技术：
增材制造技术是一种自下而上逐层增材直至增材最终沉积试样的制造零件工艺技术。根据热源的不同，增材制造技术主要有3种：激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。与激光增材制造技术和电子束增材制造技术相比，电弧增材制造技术具有材料利用率高、设备成本费用低、生产效率高等显著优势，因此电弧增材制造技术应用相对广泛，如航天航空、国防军工等领域。此外，电弧增材制造技术可用于制备各种类型的金属材料，如钛合金、铝合金、高温合金等合金材料。
在电弧增材制造零件的过程中，随着沉积层数的增多，沉积试样的散热条件变差，试样内部的热量会逐渐积累，导致出现严重的热积累情况。一方面，严重的热积累会使熔池长时间保持液态而导致熔池的流动性增强，出现流淌现象，最终导致成形外观恶化，成形质量降低，甚至可能无法成形出最终理想的沉积试样。另一方面，严重的热积累会使沉积试样内部的微观组织中的晶粒在凝固过程中过度长大，形成粗大的柱状晶粒，最终导致沉积试样的力学性能降低。因此，改善电弧增材制造过程中沉积试样的热积累情况是保证电弧增材沉积试样成形外观与组织性能的前提条件。
目前，针对改善沉积试样热积累情况的方法有很多：一是降低成形电流与电压；二是增加层间冷却时间；三是增加水循环冷却装置；四是增加气体冷却装置。前两种方法的优点是适应性强、装置复杂性低、可操作性强，但是也存在明显的缺点，即冷却时间长、生产效率低；后两种方法的优点是冷却时间短、生产效率高，但是也存在一定的缺点，即自动化程度低、控制程度低。
实用新型内容：
本实用新型针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，设计合理，既能快速降低沉积试样内部的温度，又能将沉积试样的温度自动调整到所设定的温度。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，包括设置在工作台上的保护箱，所述保护箱的顶部设有竖向贯通的让位槽口，保护箱的内部设有由升降组件驱动升降的固定板，所述固定板的顶部设有用于穿过让位槽口的基板；所述保护箱的内侧壁从上往下依次设有试样检测单元、温度检测单元以及气体释放单元，所述试样检测单元、温度检测单元、气体释放单元以及升降组件分别与控制单元相连接，当沉积试样的高度低于试样检测单元的水平检测高度时，控制单元控制升降组件停止移动、气体释放单元往保护箱内部释放冷却气体；所述温度检测单元用于检测沉积试样的表面温度，且当沉积试样的表面温度低于设定的温度值时，控制单元控制气体释放单元停止工作。
进一步的，所述保护箱的顶部内表面设有与控制单元相连接的压力检测单元，所述压力检测单元用于检测固定板与保护箱之间的压力值，当固定板与保护箱产生的压力值大于压力检测单元设定的压力值时，控制单元控制升降组件停止向上移动。
进一步的，所述控制单元包括升降控制单元和气体流量控制单元，所述升降控制单元分别与升降组件、试样检测单元以及压力检测单元相连接；所述气体流量控制单元分别与温度检测单元和气体释放单元相连接。
进一步的，还包括焊接电源、送丝系统以及装置电源，所述焊接电源的负极与工作台相连接，焊接电源的正极与送丝系统相连接；所述送丝系统与升降控制单元和气体流量控制单元相连接；所述装置电源与升降控制单元、气体流量控制单元以及压力检测单元相连接。
进一步的，还包括与送丝系统相连接的焊枪，所述焊枪设于基板的上方，焊枪与基板的夹角为90°。
进一步的，所述基板通过夹具固定在固定板的顶面。
进一步的，所述升降组件为剪叉式升降机。
与现有技术相比，本实用新型具有以下效果：本实用新型设计合理，既能快速降低沉积试样内部的温度，有效的降低沉积试样的热输入量，缓解沉积层与沉积层之间的热积累问题，同时在保证沉积过程的沉积效率的前提下，对沉积试样成形外观出现流淌现象有明显的改善作用，又能将沉积试样的温度自动调整到所设定的温度，实现沉积试样温度的定量控制。
附图说明：
图1是本实用新型实施例的构造示意图。
图中：
1-焊接电源；2-送丝系统；3-焊丝；4-沉积试样；5-基板；6-夹具；7-工作台；8-固定板；9-保护箱；10-升降组件；11-试样检测单元；12-温度检测单元；13-气体释放单元；14-升降控制单元；15-气体流量控制单元；16-装置电源；17-焊枪；18-压力检测单元；19-让位槽口。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
如图1所示，本实用新型一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，包括工作台7、设置在工作台7上的保护箱9，所述保护箱9的顶部设有竖向贯通的让位槽口19，保护箱9的内部设有由升降组件10驱动升降的固定板8，固定板的尺寸大于让位槽口的尺寸，所述固定板8的顶部设有用于穿过让位槽口19的基板5，沉积试样设置在基板顶面；所述保护箱9的内侧壁从上往下依次设有试样检测单元11、温度检测单元12以及气体释放单元13，试样检测单元用于检测沉积试样的水平高度，温度检测单元用于检测基板上沉积试样的表面温度，气体释放单元用于朝保护箱体内释放冷却气体，实现冷却；所述试样检测单元11、温度检测单12元、气体释放单元13以及升降组件10分别与控制单元相连接，当沉积试样4的高度低于试样检测单元11的水平检测高度时，控制单元控制升降组件10停止向下移动、同时气体释放单元13往保护箱9内部释放冷却气体，对沉积试样进行冷却；所述温度检测单元12用于检测沉积试样4的表面温度，且当沉积试样4的表面温度低于设定的温度值T时，控制单元控制气体释放单元停止工作。
本实施例中，所述保护箱9的顶部内表面设有与控制单元相连接的压力检测单元18，所述压力检测单元18用于检测固定板8与保护箱9之间的压力值，当固定板8与保护箱9产生的压力值大于压力检测单元设定的压力值F时，控制单元控制升降组件停止向上移动。
本实施例中，所述控制单元包括升降控制单元14和气体流量控制单元15，所述升降控制单元14分别与升降组件10、试样检测单元11以及压力检测单元18相连接；所述气体流量控制单元15分别与温度检测单元12和气体释放单元13相连接。应说明的是，升降控制单元和气体流量控制单元可采用单片机或PLC。
本实施例中，所述温度检测单元为现有产品，用于实现温度检测，例如可采用非接触式温度传感器。而试样检测单元为现有的非接触式感应传感器，例如光电传感器、红外传感器等等。而压力检测单元可为现有的压力传感器。应说明的是，温度检测单元、试样检测单元以及压力检测单元均可直接采用现有产品，此处不再对其结构、具体工作原理、安装结构做过多重复赘述。
本实施例中，所述气体释放单元13包括固定在保护箱体侧壁的环形状气体输送管，气体输送管经管道与冷却气体供给源相连接，气体输送管的内侧壁环形均布有多个出气孔，气体输送管的进气端设有电动控制阀门，该电动控制阀门与气体流量控制单元相连接，气体流量控制单元控制该电动阀门通断，进而实现冷却气体的流量控制。
本实施例中，还包括焊接电源1、送丝系统2以及装置电源16，所述焊接电源1的负极与工作台7相连接，焊接电源1的正极与送丝系统2相连接；所述送丝系统2与升降控制单元14和气体流量控制单元15相连接；所述装置电源16与升降控制单元14、气体流量控制单元15以及压力检测单元18相连接，以提供电源。
本实施例中，还包括与送丝系统2相连接的焊枪17，所述焊枪17设于基板5的上方，焊枪与基板的夹角为90°，焊枪17的端部与基板5的垂直间距为d。优选的，焊枪17的端部与基板5的垂直间距d为10-15mm。
本实施例中，所述基板5通过夹具固定在固定板8的顶面，基板5为45钢材质。
本实施例中，所述升降组件10为现有的剪叉式升降机，剪叉式升降机安装在保护箱的内部。
具体实施过程：
步骤一：将升降组件10、试验检测单元11、温度检测单元12、气体释放单元13、压力检测单元18安装在保护箱9内部；将保护箱9安装在工作台7上方；将固定板8安装在升降组件10上方，将打磨处理后的基板5放置在固定板8上方并使用夹具6进行固定；将焊接电源1的负极与工作台7进行连接，将焊接电源1的正极与送丝系统2进行连接；焊枪17与基板5的夹角为90°，焊枪17的端部与基板5的垂直间距为d；
步骤二：将升降控制单元14与保护箱9内部的升降组件10和试样检测单元11进行连接，将气体流量控制单元15与保护箱9内部的温度检测单元12和气体释放单元13进行连接；将装置电源16与升降控制单元14、气体流量控制单元15和压力检测单元18进行连接；将送丝系统2与升降控制单元14和气体流量控制单元15进行连接；
步骤三：建立沉积试样的三维模型。
步骤四：根据沉积试样的三维模型，确定焊枪17的初始位置、沉积路径和结束位置；
步骤五：设置电弧熔丝增材制造过程的工艺参数。工艺参数包括：焊接速度为v1、送丝速度为v2、保护气体流量为L，选择所需填充的焊丝3；
步骤六：将焊枪17移动至沉积路径的初始位置，并预先释放保护气体；
步骤七：将焊枪17沿着设定好的沉积路径进行增材，直至焊枪17移动至沉积路径的结束位置；
步骤八：当焊枪17移动至沉积路径的结束位置时，触发与送丝系统2相连接的升降控制单元14，与升降控制单元14相连接的升降组件10将固定板8上方的基板5和沉积试样4停止向下移动；当沉积试样4的高度低于试样检测单元11的水平检测高度时，与升降控制单元14相连接的升降组件10停止移动，升降控制单元14终止，并触发气体流量控制单元15；与气体流量控制单元15相连接的温度检测单元12和气体释放单元13启动；气体释放单元13释放冷却气体，温度检测单元12对沉积试样4的表面温度进行检测。当沉积试样4的表面温度低于温度检测单元12设定的温度值T时，气体释放单元13停止释放冷却气体，并触发升降控制单元14；与升降控制单元14相连接的升降组件10将固定板8上方的基板5和沉积试样4向上移动；当固定板8与保护箱9产生的压力值大于压力检测单元18设定的压力值F时，与升降控制单元14相连接的升降组件10停止向上移动；
步骤九：使焊枪移动至下一沉积路径的初始位置；
步骤十：反复执行步骤四～九，直至完成整个沉积试样的增材。
步骤一中所述焊枪17的端部与基板5的垂直间距d为10-15mm；步骤一中所述基板5为45钢。
步骤五中所述焊接速度v1为4-8mm/s、送丝速度v2为4-8m/min、保护气体流量L为15-20L/min；步骤五中所述焊丝3为GH4169高温合金。步骤六中所述保护气体为氩气。步骤八中所述温度值T为50-70℃。步骤八中所述压力值F为5-20N。
本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：包括设置在工作台上的保护箱，所述保护箱的顶部设有竖向贯通的让位槽口，保护箱的内部设有由升降组件驱动升降的固定板，所述固定板的顶部设有用于穿过让位槽口的基板；所述保护箱的内侧壁从上往下依次设有试样检测单元、温度检测单元以及气体释放单元，所述试样检测单元、温度检测单元、气体释放单元以及升降组件分别与控制单元相连接，当沉积试样的高度低于试样检测单元的水平检测高度时，控制单元控制升降组件停止移动、气体释放单元往保护箱内部释放冷却气体；所述温度检测单元用于检测沉积试样的表面温度，且当沉积试样的表面温度低于设定的温度值时，控制单元控制气体释放单元停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：所述保护箱的顶部内表面设有与控制单元相连接的压力检测单元，所述压力检测单元用于检测固定板与保护箱之间的压力值，当固定板与保护箱产生的压力值大于压力检测单元设定的压力值时，控制单元控制升降组件停止向上移动。
3.根据权利要求2所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：所述控制单元包括升降控制单元和气体流量控制单元，所述升降控制单元分别与升降组件、试样检测单元以及压力检测单元相连接；所述气体流量控制单元分别与温度检测单元和气体释放单元相连接。
4.根据权利要求3所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：还包括焊接电源、送丝系统以及装置电源，所述焊接电源的负极与工作台相连接，焊接电源的正极与送丝系统相连接；所述送丝系统与升降控制单元和气体流量控制单元相连接；所述装置电源与升降控制单元、气体流量控制单元以及压力检测单元相连接。
5.根据权利要求4所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：还包括与送丝系统相连接的焊枪，所述焊枪设于基板的上方，焊枪与基板的夹角为90°。
6.根据权利要求1所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：所述基板通过夹具固定在固定板的顶面。
7.根据权利要求1所述的一种辅助电弧增材沉积试样的智能冷却装置，其特征在于：所述升降组件为剪叉式升降机。
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