CN110877146A

CN110877146A - 一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置

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Publication number: CN110877146A
Application number: CN201911186583.0A
Authority: CN
Inventors: 肖木峥; 付清彦; 桑育鑫; 金鑫; 张之敬
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: CN110877146B

Abstract

本发明公开了一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，属于电热部件技术领域。外壳套管组件下端连接螺栓螺母紧固组件，固定在底座上；所述外壳套管组件通过紧定螺钉固定间接电阻热丝组件，通过活节螺栓调整其送丝方向；所述间接电阻热丝组件端部设有送丝嘴接头，该送丝嘴接头与送丝嘴连接；所述间接电阻热丝组件接通220V标准电压，通过烙铁芯电热丝的电流热效应产生热量，通过导热管后对增材制造的送丝过程中的细金属丝进行预热；送丝软管接头固定连接在所述外壳套管组件上，所述送丝软管接头通过紧定螺钉连接并紧固送丝软管。该装置结构简单、操作方便、效果良好。

Description

一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置

技术领域

本发明具体涉及一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，属于电热部件技术领域。

背景技术

增材制造技术，又称为3D打印技术，是通过CAD设计数据将材料逐层堆积的方法直接制造出实体零件的一种先进技术。增材制造技术可以完成许多传统加工难以完成的复杂结构零部件的制造，并且大幅度地减少了加工工序，缩短了工期。目前已被广泛地应用于新品开发以及小批量复杂零件的生产。

增材制造技术按照沉积所用材料不同主要分为送粉式增材制造以及送丝式增材制造两种方法。相比于送粉式，送丝式增材制造具有材料利用率高、成型件致密度高的优点，不会造成粉末污染问题，并且成本较低，具有良好的工业发展前景。目前，送丝增材制造技术主要应用于成形尺寸精度高、表面质量好、性能优良以及具有复杂形状的功能部件和一些贵重金属部件的生产。同时，由于送丝式增材制造还存在一些缺点，主要表现为：制件质量缺陷、成本过高、效率太低，这也成为了限制其推广与应用的主要原因。因此，为了送丝式增材制造的进一步的推广和应用，必须开发新的相关工艺。

在诸多关于送丝式增材制造的优化工艺中，对送丝过程进行加热是一种效果良好、应用广泛的方法。对送丝过程进行加热，可以提高金属丝材的熔化效率，使沉积效率大幅度提高；提高不同方向上丝材向熔池过渡的稳定性，实现拐角、十字交叉等特殊位置沉积时丝材的稳定熔化与熔池的顺畅移动；有助于减少未熔合缺陷，减少增材部件的残余应力和变形，提高部件的质量和成形的准确度。目前，常用的丝材加热方式有直接电阻加热、高频感应加热和电弧加热。

其中，直接电阻加热由于设备简单，可控性强，是对送丝过程进行加热最常采用的方法：将热丝电源的两极分别接在金属丝材和工件上，利用电流流过丝材所产生的电阻热来加热丝材。现设金属丝材的伸出长度为L，丝材的横截面积为S，丝材的材料电阻率为ρ，加热电流为I，则在丝材上产生的电阻热功率为P：

P＝(I²ρL)/S

从公式可以看出，当丝材的直径很大、材料的电阻率很低的时候，直接电阻加热的功率将达不到丝材加热的预热温度。因此，此方法只适用于大电阻率、较细丝材加热的情形，对铜和铝丝材的加热效率非常低。

高频感应加热借助高频交变的磁场，在丝材上形成高密度的涡流，由于电流的集中，产生的集肤效应会产生大量的热量，利用这个原理对送丝过程进行加热。高频感应加热的加热速度快，热丝效率高，低耗环保；通过对高频输出电流的控制可以精确地控制预热温度；适用于各种金属材质的焊丝，特别是低电阻率焊丝的加热。但是，长时间接触高频对操作者的身体健康不利，高频感应加热的设备也比较昂贵，不利于成本控制。

电弧加热根据电弧产生的位置可以分为三种方式：电弧不直接燃烧于焊丝上，仅仅依靠热传导加热焊丝；或者将焊丝作为电弧的一极，不管是焊丝以电弧的阳极还是阴极参与电弧燃烧反应，都会产生更多的热量，加热效率大大增强。这种方法的热丝效率很高，设备简单、成本低，既可以加热低电阻率材料、也可以加热不能产生集肤效应的材料，适用性更广。但是，电弧引弧部分会产生弧光，可对操作者的皮肤造成伤害。

综上所述，对送丝过程进行加热所常用的三种方法都可以优化增材制造的成形效果，但也有着适用范围受限、成本较高、对操作者身体健康不利等缺点。为了在保证操作安全性、经济性、适用性的前提下，优化送丝式增材制造过程，亟需研究一种新的对增材制造的送丝过程进行加热的装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有增材制造送丝过程的加热存在应用范围受限、加热效率低、成本较高以及对操作者身体健康不利的技术缺陷，提出了一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

所述间接电阻加热装置，包括：外壳套管组件、间接电阻热丝组件、送丝软管接头、送丝嘴接头、送丝嘴、螺栓螺母紧固组件及底座；

优选的，所述增材制造送丝过程中的原料为金属丝；

其中，外壳套管组件包括外壳套管、带螺母管支架以及活节螺栓；活节螺栓与螺栓螺母紧固组件连接，螺栓螺母紧固组件固定连接于底座上；带螺母管支架为一种可调节被夹持管径的快速夹具，带螺母管支架与活节螺栓固定连接；外壳套管通过紧定螺钉固定间接电阻热丝组件，外壳套管一端连接送丝软管接头、另一端连接送丝嘴接头，外壳套管由带螺母管支架所夹持；送丝软管接头与送丝软管固定连接，送丝嘴接头与送丝嘴固定连接；

间接电阻热丝组件包括导热管、紧定螺钉以及烙铁芯；烙铁芯通过紧定螺钉固定在外壳套管组件的外壳套管中；导热管通过紧定螺钉固定在烙铁芯中心的通孔中，导热管的内孔作为增材制造的送丝通道。

所述间接电阻加热装置中各部件的连接关系如下：

外壳套管组件与螺栓螺母紧固组件相连，螺栓螺母紧固组件与底座相连；外壳套管组件与间接电阻热丝组件相连，送丝嘴接头与送丝嘴相连；送丝软管接头与外壳套管组件相连，送丝软管接头与送丝软管相连。

所述间接电阻加热装置中各部件的安装关系如下：

外壳套管组件的下端连接螺栓螺母紧固组件，螺栓螺母紧固组件固定在底座上；外壳套管组件通过紧定螺钉固定间接电阻热丝组件，通过活节螺栓调整其送丝方向；送丝嘴接头与送丝嘴连接；间接电阻热丝组件通过烙铁芯电热丝的电流热效应产生热量，通过导热管后对送丝过程的原料进行预热；送丝软管接头固定连接在外壳套管组件上，送丝软管接头通过紧定螺钉连接并紧固送丝软管。

所述间接电阻加热装置中各部件的功能如下：

外壳套管组件的功能是固定间接电阻热丝组件，并通过活节螺栓调整其送丝方向；间接电阻热丝组件的功能是通过烙铁芯电热丝的电流热效应产生热量，通过导热管后对送丝过程的原料进行加热；送丝软管接头的功能是通过紧定螺钉连接并紧固送丝软管；送丝嘴接头的功能是固定送丝嘴；螺栓螺母紧固组件的功能是将外壳套管组件固定在底座上。

所述间接电阻加热装置中各部件的工作过程，包括如下步骤：

步骤1、将烙铁芯放置于外壳套管中，用紧定螺钉进行固定；

步骤2、将送丝嘴接头与外壳套管固定连接，将送丝嘴和送丝嘴接头固定连接；

步骤3、将导热管放置于烙铁芯中心的孔中，用紧定螺钉进行固定；

步骤4、将送丝软管接头与外壳套管固定连接，将送丝软管与送丝软管接头固定连接；

步骤5、用带螺母管支架夹持外壳套管，并通过活节螺栓固定在底座上；

步骤6、驱动送丝机向前送丝直至送丝嘴伸出长丝材；

步骤7、给烙铁芯的连接线套上热缩管以保证与外界的绝缘，将烙铁芯连接线与两相交流电源电缆线连接，加装开关后连接在两相交流电源上；

步骤8、设置红外热像仪的量程，测量送丝嘴送出的一段丝材，打开电路开关，记录加热时间和加热温度；

步骤9、设置不同实验的送丝速度和加热温度，测量对应所需的加热时间，列出表格，并与传统热丝方法进行对比。

有益效果

本发明所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，与现有电阻加热装置相比，具有如下有益效果：

1.所述电阻加热装置能够对小电阻率、较粗直径等不同规格、材料的丝材进行有效加热；

2.所述电阻加热装置中零部件和装配结构简单，成本低，装置中的导热管大大减少了空气对传导热量的损耗，提高了加热效率；

3.所述电阻加热装置操作方便，既能实现可靠的加热效果，又能充分保障操作者的使用安全。

附图说明

图1为本发明一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置的部分剖视结构图；

图2为本发明一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置的外观示意图；

其中，1-送丝软管接头，2-导热管，3-紧定螺钉，4-烙铁芯，5-外壳套管，6-送丝嘴接头，7-送丝嘴，8-带螺母管支架，9-活节螺栓，10-螺栓螺母紧固组件，11-底座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置进行详细描述。

实施例1

本实施例阐述了本发明所提出的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置的具体实施，如附图1及图2所示。

图1中，1是送丝软管接头，2是导热管，3是紧定螺钉，4是烙铁芯，5是外壳套管，6是送丝嘴接头，7是送丝嘴。

图2中，8是带螺母管支架，9是活节螺栓，10是螺栓螺母紧固组件，11是底座。

所述增材制造的送丝过程的间接电阻加热装置包括：外壳套管组件、间接电阻热丝组件、送丝软管接头1、送丝嘴接头6、送丝嘴7、螺栓螺母紧固组件10以及底座11。

外壳套管组件包括外壳套管5、带螺母管支架8以及活节螺栓9。活节螺栓9与螺栓螺母紧固组件10固定连接，被固定在底座11上，起到连接作用和调整送丝方向的作用；带螺母管支架8与活节螺栓9固定连接，用于夹持外壳套管5；外壳套管5一端与送丝软管接头1连接、另一端与送丝嘴接头6连接，外壳套管5通过紧定螺钉3固定间接电阻热丝组件。

送丝软管接头1与送丝软管固定连接。

送丝嘴接头6与送丝嘴7固定连接，用作增材制造送丝过程的出丝口。

间接电阻热丝组件包括导热管2、紧定螺钉3以及烙铁芯4，具体实施时，间接电阻热丝组件接通220V标准电压。烙铁芯4通过紧定螺钉3与外壳套管5固定连接，其作用是通过电流热效应产生热量；导热管2通过紧定螺钉3被固定在烙铁芯4的中心通孔中，导热管2既作为增材过程中的送丝通道，又作为热量的传导介质、提高了加热效率。

(以激光送丝沉积增材制造过程为例)：

对增材制造的送丝过程进行间接电阻加热的方法，包括如下步骤：

第1步：准备直径1.0mm的304不锈钢丝材作为原料，准备推丝式送丝机并根据所选丝材直径安装合适的送丝轮。

第2步：将送丝机的送丝软管与本发明的送丝软管接头固定连接，驱动送丝机向前送丝直至送丝嘴伸出约10mm长丝材。

第3步：给烙铁芯的连接线套上热缩管以保证与外界的绝缘，将烙铁芯连接线与220V两相电源电缆线连接，加装开关后连接在家用220V交流电上。

第4步：设置红外热像仪为100℃-400℃，测量送丝嘴送出的一段丝材，打开电路开关，记录加热时间和加热温度。

第5步：以送丝速度(设置0、0.5mm/s、1.0mm/s)和加热温度(设置100℃、200℃、300℃、400℃)为不同实验组的变量条件，测量对应所需的加热时间，列出如表1所示的表格，以便与传统热丝方法进行对比；

表1直径1.0mm的304不锈钢丝材加热时间表

本发明所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，与现有加热装置相比，具有如下优势：首先成本较低，使用的装配零件结构简单成本低；其次，加热效果好，采用间接电阻加热所以不会受到材料的限制，而且烙铁芯一般用在电烙铁上加热焊丝，加热效果可以保证；最后，所述加热装置不会产生电弧，因此也不会产生电弧弧光损伤。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，其特征在于：包括：外壳套管组件、间接电阻热丝组件、送丝软管接头、送丝嘴接头、送丝嘴、螺栓螺母紧固组件及底座；

其中，间接电阻热丝组件包括导热管、紧定螺钉以及烙铁芯；

所述间接电阻加热装置中各部件的连接关系如下：

外壳套管组件与螺栓螺母紧固组件相连，螺栓螺母紧固组件与底座相连；外壳套管组件与间接电阻热丝组件相连，送丝嘴接头与送丝嘴相连；送丝软管接头与外壳套管组件相连，送丝软管接头与送丝软管相连；

所述间接电阻加热装置中各部件的安装关系如下：

外壳套管组件的下端连接螺栓螺母紧固组件，螺栓螺母紧固组件固定在底座上；外壳套管组件通过紧定螺钉固定间接电阻热丝组件，通过活节螺栓调整其送丝方向；送丝嘴接头与送丝嘴连接；间接电阻热丝组件通过烙铁芯电热丝的电流热效应产生热量，通过导热管后对送丝过程的原料进行预热；送丝软管接头固定连接在外壳套管组件上，送丝软管接头通过紧定螺钉连接并紧固送丝软管；

所述间接电阻加热装置中各部件的功能如下：

步骤1、将烙铁芯放置于外壳套管中，用紧定螺钉进行固定；

步骤6、驱动送丝机向前送丝直至送丝嘴伸出长丝材；

2.根据权利要求1所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，其特征在于：外壳套管组件包括外壳套管、带螺母管支架以及活节螺栓。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，其特征在于：活节螺栓与螺栓螺母紧固组件连接，螺栓螺母紧固组件固定连接于底座上；带螺母管支架为一种可调节被夹持管径的快速夹具，带螺母管支架与活节螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，其特征在于：外壳套管通过紧定螺钉固定间接电阻热丝组件，外壳套管一端连接送丝软管接头、另一端连接送丝嘴接头，外壳套管由带螺母管支架所夹持；送丝软管接头与送丝软管固定连接，送丝嘴接头与送丝嘴固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造送丝过程的间接电阻加热装置，其特征在于：烙铁芯通过紧定螺钉固定在外壳套管组件的外壳套管中；导热管通过紧定螺钉固定在烙铁芯中心的通孔中，导热管的内孔作为增材制造的送丝通道。