CN110524092A - 非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置及方法 - Google Patents

非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制方法及装置，该装置包括温度采集控制装置、热丝电源和焊接电源，其中，温度采集控制装置包括红外温度传感器、热丝温度采集仪、热丝温度控制仪和显示器。红外温度传感器固定在非熔化极焊枪上，并将红外温度传感器通过热丝温度采集仪与显示器连接，且热丝温度控制仪与显示器均和热丝电源相连；将热丝温度控制仪将预设温度T0和采集温度T1的差值ΔT′与显示器中预设差值ΔT进行对比，及时调整热丝电源的加热电流，使丝材的加热温度稳定在预设温度；本发明能实现等离子弧热丝增材制造过程中丝材温度稳定的检测与控制，有效提高堆敷过程的稳定性以及增材构件的成型尺寸精度和质量。

Description

非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置及方法
技术领域
本发明属于丝材电弧增材制造领域，具体涉及一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置及方法。
背景技术
丝材电弧增材制造技术的原型可以追溯到20世纪初，美国人首次将电弧作为热源，以金属熔滴逐层沉积的方法，制造出“3D打印”的金属沉积件，但并未引起过多的关注。直至20世纪末，在资源节约和高效制造的背景下，由于该技术具有成形好、效率高、成本低等优点，越来越多的学者相继专注于其基础研究和应用开发。
与传统的丝材电弧增材制造技术相比，非熔化极电弧热丝增材制造技术具有更高的堆敷效率，线能量相同时，单位时间能够熔化更多的添加丝材。影响热丝增材制造过程稳定性的工艺参数包括焊接电流、堆敷速度、送丝速度、丝材温度等，其中，丝材温度的影响最大，丝材温度的改变不仅直接影响堆敷过程的稳定性，还会影响成型构件的组织性能均匀性和成形质量。因此，实时监测丝材的加热温度使其保持稳定是提高堆敷过程稳定性的有效方法。
目前，现有技术对非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测的研究较少。中国专利(申请号200910071997.9)公开了一种预热焊丝的温控电阻套，通过电阻热、高频感应、辅助电弧对低电阻率焊丝加热，能够将丝材温度控制在一定范围，但是其结构复杂，温度监测范围小，不适于等离子弧增材制造。文献《铝合金高频感应热丝TIG焊接方法》(范成磊,梁迎春,杨春利,等.铝合金高频感应热丝TIG焊接方法[J].焊接学报,2006,27(7):49-52.)采用热电偶对丝材温度进行检测，由于丝材的不断送进，导致热电偶与丝材接触稳定性较差，使测得的焊丝温度误差大、精度低。
发明内容
本发明目的在于提供一种非非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置及方法。
为实现上述本发明目的，采取的技术方案为：
一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，包括：温度采集控制装置、热丝电源和焊接电源。其中，温度采集控制装置包括固定在非熔化极焊枪上的红外温度传感器，以及和显示器相连的热丝温度采集仪和热丝温度控制仪。所述的热丝温度采集仪能将红外温度传感器采集的温度信号进行转换并显示在显示器上，记为T1，其与预设温度T0的差值为ΔT′，当ΔT′高于或低于预设温度变化ΔT时，热丝温度控制仪调节热丝电源的热丝电流，使热丝温度稳定在预设温度。
基于上述非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，提供一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测方法，具体步骤控制为：
1)堆敷试验开始前，设置丝材预设温度T0和温度变化范围ΔT，调节夹具I使红外温度传感器发射的激光束避开非熔化极电弧，将采集点定位于丝材上；
2)焊枪到达指定位置并引弧，焊接电源发送信号给送丝机，送丝机开始送丝，同时热丝电源开始供电，丝材开始加热；
3)红外温度传感器获取丝材采集点的温度信号，经过温度采集仪，然后传递到显示器，显示采集的温度数值T1和温度的变化曲线；
4)当丝材的采集温度T1与预设温度T0的差值高于或低于预设变化范围ΔT时，热丝温度控制仪发送信号给热丝电源，及时调整加热电流，使丝材温度稳定在预设温度；
5)堆敷结束时，焊接电源发送信号给送丝机，送丝机停止送丝，然后热丝电源停止供电，显示单次堆敷的完整温度变化曲线；
6)重复步骤1)-5)，直至完成所有堆覆。
优选的，所述的采集温度T1与预设温度T0的差值ΔT为5-50℃。
优选的，所述的红外温度传感器发射的红外线避开非熔化极电弧，测温点位于导电嘴至焊接熔池之间的丝材上，测温点距离导电嘴端口距离为4-20mm。
优选的，所述的温度监测装置的丝材温度控制范围为100-1000℃。
相对于现有技术，本发明具有显著优点：1、本发明的检测控制装置，能够通过非接触红外测温法对热丝增材制造过程中丝材的温度进行检测，装置结构简单，温度检测范围较大，适用于检测多种丝材的温度。
2、装置精度高于热电偶检测方法，丝材温度误差更小，在一定程度上提高了非熔化极电弧热丝增材制造的稳定性；当采集的温度与预设温度发生偏差时，装置能够及时对加热电流进行调节，从而有效地将丝材温度控制在预设温度，保证增材制造过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明的等离子弧热丝增材制造丝材温度检测装置示意图。
图2为本发明的温度检测示意图。
图3为本发明制备构件的堆敷路径示意图。
图4为本发明制备的ER5356铝合金丝材TIG电弧热丝单道多层构件实物图。
图5为实施例1堆敷过程丝材温度采集数据图I。
图6为本发明制备的H08Mn2Si不锈钢丝材等离子电弧热丝单道多层构件实物图。
图7为实施例2堆敷过程丝材温度采集数据图II。
其中，1为六轴变位机，2为工件，3为红外温度传感器，4为夹具I，5为等离子焊枪，6热丝温度采集仪，7为夹具II，8为导电嘴，9为焊接电源，10为显示器，11为热丝温度控制仪，12为送丝机,13为热丝电源。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来对本发明所涉及的装置和方法进行详细阐述。
一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，具体包括：温度采集装置、热丝装置、变位机和控制柜。其中，温度采集装置包括：通过夹具I4固定在非熔化极焊枪5上的红外温度传感器3，与显示器10连接在一起的热丝温度采集仪6和热丝温度控制仪11。温度采集装置采用非接触红外测温法测量丝材温度，红外温度传感器3发射的红外线避开非熔化极电弧，温度采集点位于导电嘴至焊接熔池之间的丝材上，能够根据预设温度T0和采集温度T1的差值ΔT′与预设差值ΔT的大小及时调整热丝电源的加热电流，将丝材温度稳定在预设温度。采集温度T1与预设温度T0的差值ΔT为5-50℃，测温点距离导电嘴8端口距离为4-20mm，温度测量范围为100-1000℃。
具体采用的设备型号如下：MOTOMAN MH6弧焊机器人、DX100控制柜、等离子焊枪或氩弧焊枪、福尼斯Fronius Magic Wave 3000型焊机和CTVM-3L型红外温度传感器。
实施例1
本发明提供一种用于非熔化极电弧热丝增材制造的丝材温度检测控制方法，，能够进行直径为1.0mm的ER5356铝合金丝材的TIG电弧热丝单道多层构件增材制造过程的丝材温度检测，构件的堆敷路径示意图见附图3，具体步骤为：
1堆敷试验开始前，设置丝材预设温度T0为240℃，温度变化范围ΔT为10℃，调节夹具I4使红外温度传感器3发射的激光束避开非熔化极电弧，将采集点定位于丝材上；
2焊枪到达指定位置并引弧，焊接电源13发送信号给送丝机12，送丝机12开始送丝，同时热丝电源13开始供电，丝材开始加热；
3红外温度传感器3获取丝材采集点的温度信号，经过温度采集仪6，然后传递到显示器10，显示采集的温度数值T1和温度的变化曲线；
4当丝材的采集温度T1与预设温度T0的差值高于或低于预设变化范围ΔT时，热丝温度控制仪11发送信号给热丝电源13，及时调整加热电流，使丝材温度稳定在预设温度；
5堆敷结束时，焊接电源9发送信号给送丝机12，送丝机12停止送丝，然后热丝电源13停止供电，显示单次堆敷的完整温度变化曲线；
6重复步骤1-5，直至完成所有堆覆。
作为优选方式，红外温度传感器3发射的红外线避开TIG电弧，测温点定位于丝材上，测温点距离导电嘴8端口距离为12mm，预设温度T0为240℃，温度变化范围ΔT为10℃。具体工艺参数为加热电流25A，堆敷电流100A，堆敷速度40cm/min，送丝速度4.0m/min，喷嘴到工件的距离5mm，保护气流量18L·min-1。
附图4给出了本次ER5356铝合金丝材的TIG电弧热丝单道多层构件增材制造构件的外观图，附图5给出了本次试验的丝材温度采集数据。由附图4可知，增材构件成形良好，没有出现断续、气孔等缺陷；从附图5给出的温度曲线可以得知，试验过程中，采集到的丝材温度T1稳定在预设温度T0即240℃，温度变化范围ΔT小于10℃。
实施例2
本发明提供一种用于非熔化极电弧热丝增材制造的丝材温度检测控制方法，能够进行直径为1.2mm的H08Mn2Si不锈钢丝材的等离子电弧热丝单道多层构件增材制造过程的的丝材温度检测，构件的堆敷路径示意图见附图3，具体步骤为：
1堆敷试验开始前，设置丝材预设温度T0为400℃，温度变化范围ΔT为15℃，调节夹具I4使红外温度传感器3发射的激光束避开非熔化极电弧，将采集点定位于丝材上；
2焊枪到达指定位置并引弧，焊接电源13发送信号给送丝机12，送丝机12开始送丝，同时热丝电源13开始供电，丝材开始加热；
3红外温度传感器3获取丝材采集点的温度信号，经过温度采集仪6，然后传递到显示器10，显示采集的温度数值T1和温度的变化曲线；
4当丝材的采集温度T1与预设温度T0的差值高于或低于预设变化范围ΔT时，热丝温度控制仪11发送信号给热丝电源13，及时调整加热电流，使丝材温度稳定在预设温度；
5堆敷结束时，焊接电源9发送信号给送丝机12，送丝机12停止送丝，然后热丝电源13停止供电，显示单次堆敷的完整温度变化曲线；
6重复步骤1-5，直至完成所有堆覆。
作为优选方式，红外温度传感器3发射的红外线避开等离子电弧，测温点定位于丝材上，测温定位点距离导电嘴8端口距离为8mm，预设温度T0为400℃，温度变化范围ΔT为15℃。具体工艺参数为加热电流65A，堆敷电流150A，堆敷速度20cm/min，送丝速度3.2m/min，喷嘴到工件的距离10mm，离子气流量1.0L·min-1，保护气流量18L·min-1。
附图6给出了本次H08Mn2Si不锈钢丝材的等离子电弧热丝单道多层构件增材制造构件的外观图，附图7给出了本次试验的丝材温度采集数据。由附图6可知，增材构件成形良好，没有出现断续、气孔等缺陷；从附图7给出的温度曲线可以得知，试验过程中，采集到的丝材温度T1稳定在预设温度T0即400℃，温度变化范围ΔT小于15℃。

Claims (7)

1.一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，其特征在于，装置具体包括：温度采集控制装置、热丝电源(13)和焊接电源(9)；
所述的温度采集控制装置，具体包括：红外温度传感器(3)通过夹具I(4)固定在非熔化极焊枪(5)上，并将红外温度传感器(3)通过热丝温度采集仪(6)与显示器(10)连接，热丝温度控制仪(11)与显示器(10)均和热丝电源(13)相连；
热丝温度采集仪(6)将红外温度传感器(3)采集的温度信号进行转换并显示在显示器(10)上，记为T1，其与预设温度T0的差值为ΔT′，当ΔT′高于或低于预设温度变化ΔT时，热丝温度控制仪(11)调节热丝电源(13)的热丝电流，使热丝温度稳定在预设温度。
2.根据权利要求1所述的非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，其特征在于，所述的温度采集控制装置采用非接触红外测温法测量丝材温度。
3.根据权利要求1所述的非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制装置，其特征在于，采集温度T1与预设温度T0的差值ΔT为5-50℃。
4.一种非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制方法，其特征在于，具体步骤为：
1)堆敷试验开始前，设置丝材预设温度T0和温度变化范围ΔT，调节夹具I(4)使红外温度传感器(3)发射的激光束避开非熔化极电弧，将采集点定位于丝材上；
2)焊枪到达指定位置并引弧，焊接电源(13)发送信号给送丝机(12)，送丝机(12)开始送丝，同时热丝电源(13)开始供电，丝材开始加热；
3)红外温度传感器(3)获取丝材采集点的温度信号，经过温度采集仪(6)，然后传递到显示器(10)，显示采集的温度数值T1和温度的变化曲线；
4)当丝材的采集温度T1与预设温度T0的差值高于或低于预设变化范围ΔT时，热丝温度控制仪(11)发送信号给热丝电源(13)，及时调整加热电流，使丝材温度稳定在预设温度；
5)堆敷结束时，焊接电源(9)发送信号给送丝机(12)，送丝机(12)停止送丝，然后热丝电源(13)停止供电，显示单次堆敷的完整温度变化曲线；
6)重复步骤1)-5)，直至完成所有堆覆。
5.根据权利要求4所述的非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制方法，其特征在于，所述的红外温度传感器(3)发射的红外线避开非熔化极电弧，测温点位于导电嘴至焊接熔池之间的丝材上。
6.根据权利要求4所述的非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制方法，其特征在于，测温点距离导电嘴(8)端口距离为4-20mm。
7.根据权利要求4所述的非熔化极电弧热丝增材制造丝材温度检测控制方法，其特征在于，丝材温度控制范围为100-1000℃。
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