CN113369638B

CN113369638B - 一种镁合金电弧增材保护装置及使用方法

Info

Publication number: CN113369638B
Application number: CN202110652489.0A
Authority: CN
Inventors: 马东; 张凯军; 华心雨; 黄伊杰; 苏梦瑶; 路遥涵; 杨怡; 王银玉; 徐春杰; 张忠明; 武向权
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xi'an Shehetmanno Award New Materials Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: CN113369638A

Abstract

本发明公开的一种镁合金电弧增材保护装置，包括有依次连接的除尘净化装置、成型室、氩气供气装置及监测反馈***，成型室内底板上设置有机器人、分度盘及进气口，分度盘的顶部表面设置有镁合金基板，机器人手臂末端设置有焊机；成型室侧壁设置有出气口及内循环洗气装置，出气口通过出气管道与除尘净化装置连接；成型室内顶部的四个角处均设置有一个氧含量检测装置；还包括有除尘软管，成型室顶壁设置有除尘口；除尘净化装置、内循环洗气装置及四个氧含量检测装置均与监测反馈***连接。该装置通过采用氩气保护、内循环洗气以及除尘净化功能避免镁合金增材制造过程中出现氧化。本发明公开的一种镁合金电弧增材保护装置的使用方法。

Description

一种镁合金电弧增材保护装置及使用方法

技术领域

本发明属于电弧增材制造保护设备技术领域，具体涉及一种镁合金电弧增材保护装置，还涉及一种镁合金电弧增材保护装置的使用方法。

背景技术

电弧增材制造技术(wire arc additive manufacture,WAAM)是一种以金属丝材为原料，以电弧为热源，以计算机数控机床或机械臂为运动***，通过逐层沉积的方式来实现增材制造的技术。该技术具有成形速度快、材料利用率高、成本低等许多优点，目前已经广泛应用于铝合金、钛合金、不锈钢以及镍合金的加工制造。因此，在航空航天、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。

镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性好等诸多优点，在航空航天、汽车制造和生物医疗等领域获得了越来越广泛的关注与应用。电弧增材制造被认为是一种新型镁合金制造技术。通过快速成型得到具有细小晶粒的镁合金部件，可以有效提高材料的各项力学性能；同时应用计算机软件构建相应的三维模型，规划路径后可直接对所需金属部件进行增材制造，制备出性能优异、个性化定制的镁合金结构件，应用前景十分广阔。目前，镁合金增材制造技术主要采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)、非熔化及惰性气体保护焊(TIG)以及等离子弧焊(PAW)的方法在非真空条件下实现镁合金的电弧增材制造。尽管依靠焊枪枪头的气罩保护可以在一定程度上起到保护零件作用，但是增材制造过程中如果出现息弧情况或是在打印层与层之间的时间间隔内失去了焊枪气罩的保护，往往会造成镁合金堆焊层表面的氧化，容易在后续制造过程中形成夹杂、夹渣等缺陷，降低零件质量；并且长时间的增材制造过程会产生的大量焊接烟尘，如果不进行处理直接排放到空气中会造成严重的污染。因此，仅仅依靠惰性气体保护的焊接方法无法避免增材制造过程中镁合金氧化问题，不能满足镁合金电弧增材制造的加工要求。

例如申请号：202011534613.5本发明公开了一种激光/电弧熔丝增材制造过程中气体保护装置及方法，本发明的装置利用十字滑轨和升降台的配合，保证了X、Y、Z三个方向的自由调节，尺寸规格不易受到限制，可根据工件大小而定。利用柔性结构保证了惰性气体的纯度，并在合适的位置设置观察结构，对增材制造过程的质量进行有效监控。

例如申请号：202110092585.4本发明提供一种用于电弧增材制造的组合式气体保护装置及使用方法，本保护装置通过中心单元和装配单元的组合能根据实际增材所需的范围来组装气体保护装置，以焊枪通过的中心单元为核心，根据需要组合不同个数的装配单元，克服了气体保护装置作用范围固定单一的缺点，同时提高保护气体的有效利用率。

基于上述专利的检索，以及结合现有技术中的设备发现，上述设备在应用时，虽然在一定程度上有效保证了电弧增材制造的质量，检测装置结构简单，使用方便，但是进行增材制造中仅将焊机枪头伸入密闭舱室，焊接机器人姿态固定无法大范围移动，容易导致工件受热不均匀产生热裂倾向并出现裂纹等缺陷，严重影响增材制造速度与质量，制约零件成形尺寸。

因此，必须采用新工艺和新方法来解决镁合金材料在电弧增材制造过程中存在氧化、夹渣等问题，使所制得的镁合金材料具有优异的综合性能，成为能够广泛应用于制造业轻量化领域的轻质结构材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种镁合金电弧增材保护装置，该装置通过采用氩气保护、内循环洗气以及除尘净化功能避免镁合金增材制造过程中出现氧化、夹渣等问题，从而得到满足工程要求的零件。

本发明的第二个目的是提供一种镁合金电弧增材保护方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种镁合金电弧增材保护装置，包括有依次连接的除尘净化装置、成型室、氩气供气装置及监测反馈***，成型室内底板上设置有机器人、分度盘及进气口，分度盘的顶部表面设置有镁合金基板，机器人手臂末端设置有焊机，焊机位于镁合金基板正上方，氩气供气装置通过进气管与成型室连接；成型室侧壁设置有出气口及内循环洗气装置，出气口通过出气管道与除尘净化装置连接；成型室内顶部的四个角处均设置有一个氧含量检测装置；还包括有除尘软管，成型室顶壁设置有除尘口，除尘软管的一端端部穿过除尘口固定在焊机枪头旁，除尘软管的另一端端部与除尘净化装置连接；除尘净化装置、内循环洗气装置及四个氧含量检测装置均与监测反馈***连接。

本发明的特征还在于，

氩气供气装置包括有通过进气管与进气口连接的氩气瓶及设置在进气管上的减压阀。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种镁合金电弧增材保护装置使用方法，采用上述镁合金电弧增材保护装置，具体按照以下步骤实施：

步骤S1：进行镁合金增材制造工艺前，放入镁合金基板；将镁合金基板置于分度盘中央；并密闭成型室的舱门；之后打开气体监测反馈***，通过氧含量检测装置获取成型室内实时氧气浓度含量；

步骤S2：开启氩气供气装置，通过进气管向成型室的进气口充入氩气，同时开启除尘净化装置排气模式，利用氧气与氩气密度相差较大的原理，将氧气通过除尘净化装置的出气管道由成型室侧壁顶部出气口抽出；

步骤S3：待氧含量降至100ppm，保持氩气供气装置以及除尘净化装置的开启状态，同时启动内循环洗气装置，继续降低成型室内部氧气浓度；

步骤S4：待氧含量降至20ppm以下时，已符合镁合金增材制造条件；关闭内循环洗气装置，继续保持氩气供气装置、除尘净化装置与监测反馈***的开启，开始进行增材制造；

步骤S5：利用BP立体成形软件直接读取UG或SOLIDWORKS软件绘制而成的STL文件，并对STL模型进行剖分、切片以及路径规划，生成可被机器人直接读取的运动控制代码；之后确定每一层的焊接电流的数值、送丝路径以及送丝速度相关参数后，开启除尘净化装置的除尘净化模式，之后开启焊机；开启焊机待焊弧稳定后，开始进行增材制造；

步骤S6：增材制造过程结束后，得到镁合金工件；依次关闭焊机，除尘净化装置、氩气供气装置以及监测反馈***，将机器人还原到初始位置，开启成型室的舱门完成生产工艺。

本发明的特征还在于，

步骤S2中，氩气流速控制在10～15L/min。

步骤S5中，增材制造过程中通过监测反馈***实时监测氧含量变化；通过除尘口将成型室内部产生的烟尘、氧化物夹渣排出；增材制造过程中若氧含量大于50ppm，加大氩气供气量至18L/min；若氧含量大于80ppm，暂停增材制造过程并开启内循环洗气装置，待氧含量降至20ppm，关闭内循环洗气装置，重新开始进行增材制造。

本发明的有益效果是：

1.本发明一种镁合金电弧增材保护装置，避免出现镁合金堆焊层表面氧化的问题，避免导致后续打印过程中形成夹杂、夹渣等缺陷，从而提高工件质量；

2.本发明一种镁合金电弧增材保护装置，能改善打印环境，减少污染。通过除尘净化吸收打印过程中产生的焊接烟尘等，避免污染物直接排放到空气中。

附图说明

图1为本发明一种镁合金电弧增材保护装置的结构示意图；

图2为本发明一种镁合金电弧增材保护装置中监测反馈***与除尘净化装置、内循环洗气装置及四个氧含量检测装置的连接关系示意图。

图中，1.氩气供气装置，2.监测反馈***，3.氧含量检测装置，4.成型室，5.焊机，6.除尘口，7.除尘软管，8.进气口，9.镁合金工件，10.镁合金基板，11.分度盘，12.机器人，13.内循环洗气装置，14.出气口，15.出气管道，16.除尘净化装置，17.进气管；

1-1.氩气罐，1-2.减压阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种镁合金电弧增材保护装置，如图1-2所示，包括有依次连接的除尘净化装置16、成型室4、氩气供气装置1及监测反馈***2，成型室4内底板上设置有机器人12、分度盘10及进气口8，分度盘10的顶部表面设置有镁合金基板10，加工得到的镁合金工件9设置在镁合金基板10上表面上，机器人12手臂末端设置有焊机5，焊机5位于镁合金基板10正上方，氩气供气装置1通过进气管17与成型室4连接；成型室4侧壁设置有出气口14及内循环洗气装置13，出气口14通过出气管道15与除尘净化装置16连接；成型室4内顶部的四个角处均设置有一个氧含量检测装置3；还包括有除尘软管7，成型室4顶壁设置有除尘口6，除尘软管7的一端端部穿过除尘口6固定在焊机5枪头旁，除尘软管7的另一端端部与除尘净化装置16连接；除尘净化装置16、内循环洗气装置13及四个氧含量检测装置3均与监测反馈***2连接。

氩气供气装置1包括有通过进气管17与进气口8连接的氩气瓶1-1及设置在进气管17上的减压阀1-2。

成型室4用于进行增材制造，由高强度不锈钢制作，带有舱门，保证整体结构的稳定性和恶劣工作条件下的耐腐蚀性，所有连接处均做加固和密封处理，保证增材制造过程中成型室完全密闭；成型室4中依据增材制造零件时设定的工艺参数，控制焊枪5在镁合金基板10的表面依据工控机发出的路径指令堆积成形每一层，逐层堆积形成目标零件。其中氩气供气装置1通过进气管17与成型室底板进气口8相连，除尘净化装置16分别与成型室4顶部出气口14以及除尘口6连接，保证增材制造过程中成型室4内部始终为氩气气氛保护。

除尘净化装置16将多余的氧气抽出并在增材制造过程中及时排除产生的烟尘、氧化物等夹杂物，净化成型室内气氛。除尘净化装置16型号为WHV-320，内部配置高负压风机用于抽走成型室内部氧气以及烟尘等，通过监测反馈***2进行实时控制。除尘净化装置16与成型室4通过出气管道15及除尘软管7连接，用于连接除尘净化装置16与成型室4；除尘软管7首端固定于焊机5的枪头旁，可随着焊机5的枪头自由移动。除尘净化装置共分为两种工作状态：第一种排气模式，仅开启连通出气管道15，用于抽取排出氧气；第二种除尘净化模式，同时开启连通出气管道15以及除尘软管7，用于净化成型室内氩气气氛。

氩气供气装置1通过进气管17与成型室4相连接，通过监测反馈***2实时监控成型室内氧含量，调控氩气气体流量。

内循环洗气装置13用于进一步降低成型室内氧含量，选用艾瑞普斯科技公司所生产的金属3D打印循环***装置，其中净化材料采用德国BASF铜触媒以及美国UOP分子筛作为脱氧材料，通过监测反馈***2进行控制。内循环洗气装固定于成型室4的侧壁2/3高度以上的位置。

监测反馈***2用于控制除尘净化装置16、内循环洗气装置13以及氧含量检测装置3。通过控制柜与上述装置相连接。监测反馈***2采用MSE专用机器控制软件，通过实时监测成型室氧气浓度变化，及时调整氩气进气量、内循环洗气以及除尘净化功能，对打印过程中氧含量进行严格控制。其中氧含量检测装置3用于获实时取成型室氧气浓度，选用GE-DF系列分析仪，设置在成型室4顶部的四个角处。

本发明提供一种镁合金电弧增材保护装置使用方法，采用上述的镁合金电弧增材保护装置，具体按照以下步骤实施：

步骤S1：进行镁合金增材制造工艺前，放入镁合金基板10，基板可采用AZ系列或ZK系列等合金；将镁合金基板10置于分度盘11中央，分度盘选用HH-630HT数控卧式齿式分度盘；并密闭成型室4的舱门；之后打开气体监测反馈***2，通过氧含量检测装置3获取成型室4内实时氧气浓度含量；

步骤S2：开启氩气供气装置1，通过进气管17向成型室4的进气口8充入氩气，氩气流速控制在10～15L/min，同时开启除尘净化装置16排气模式，利用氧气与氩气密度相差较大的原理，将氧气通过除尘净化装置的出气管道15由成型室4侧壁顶部出气口14抽出，在充气过程中实时监测氧含量变化；

步骤S3：待氧含量降至100ppm，保持氩气供气装置1以及除尘净化装置16的开启状态，同时启动内循环洗气装置13，利用催化反应继续降低成型室4内部氧气浓度；

步骤S4：待氧含量降至20ppm以下时，已符合镁合金增材制造条件；关闭内循环洗气装置13，继续保持氩气供气装置1、除尘净化装置16与监测反馈***2的开启，开始进行增材制造；

步骤S5：对于薄壁件、单道墙等形状简单的模型或是形状较为复杂的构件，利用BP等立体成形软件直接读取UG或SOLIDWORKS软件绘制而成的STL文件，并对STL模型进行剖分、切片以及路径规划，生成可被机器人12直接读取的运动控制代码；机器人选用六轴关节型ABB工业机器人IRB2600系列。之后确定每一层的焊接电流的数值、送丝路径以及送丝速度相关参数后，开启除尘净化装置16的除尘净化模式，之后开启焊机5；焊机5选用TPS400iPULSE型号，所述焊机5的枪头安装于机器人手臂末端，跟随机器人12规划路径一同运动，在焊机5的枪头上方安装有除尘软管7。开启焊机5待焊弧稳定后，开始进行增材制造；增材制造过程中通过监测反馈***实时监测氧含量变化；通过除尘口6将舱室内部产生的大量烟尘、氧化物夹渣排出。增材制造过程中若氧含量大于50ppm，加大氩气供气量至18L/min；若氧含量大于80ppm，暂停增材制造过程并开启内循环洗气装置13，待氧含量降至20ppm，关闭内循环洗气装置13，重新开始进行增材制造；

步骤S6：增材制造过程结束后，得到镁合金工件9；依次关闭焊机5，除尘净化装置16、氩气供气装置1以及监测反馈***2，将机器人12还原到初始位置，开启成型室4的舱门完成生产工艺。

Claims

1.一种镁合金电弧增材保护装置使用方法，其特征在于，采用一种镁合金电弧增材保护装置，所述镁合金电弧增材保护装置包括有依次连接的除尘净化装置（16）、成型室（4）、氩气供气装置（1）及监测反馈***（2），所述成型室（4）内底板上设置有机器人（12）、分度盘（11）及进气口（8），分度盘（11）的顶部表面设置有镁合金基板（10），机器人（12）手臂末端设置有焊机（5），焊机（5）位于镁合金基板（10）正上方，氩气供气装置（1）通过进气管（17）与成型室（4）连接；成型室（4）侧壁设置有出气口（14）及内循环洗气装置（13），出气口（14）通过出气管道（15）与除尘净化装置（16）连接；成型室（4）内顶部的四个角处均设置有一个氧含量检测装置（3）；还包括有除尘软管（7），成型室（4）顶壁设置有除尘口（6），除尘软管（7）的一端端部穿过除尘口（6）固定在焊机（5）枪头旁，除尘软管（7）的另一端端部与除尘净化装置（16）连接；除尘净化装置（16）、内循环洗气装置（13）及四个氧含量检测装置（3）均与监测反馈***（2）连接；所述氩气供气装置（1）包括有通过进气管（17）与进气口（8）连接的氩气瓶（1-1）及设置在进气管（17）上的减压阀（1-2）；

所述镁合金电弧增材保护装置使用方法具体按照以下步骤实施：

步骤S1：进行镁合金增材制造工艺前，放入镁合金基板（10）；将镁合金基板（10）置于分度盘（11）中央；并密闭成型室（4）的舱门；之后打开气体监测反馈***（2），通过氧含量检测装置（3）获取成型室（4）内实时氧气浓度含量；

步骤S2：开启氩气供气装置（1），通过进气管（17）向成型室（4）的进气口（8）充入氩气，同时开启除尘净化装置（16）排气模式，利用氧气与氩气密度相差较大的原理，将氧气通过除尘净化装置的出气管道（15）由成型室（4）侧壁顶部出气口（14）抽出；

步骤S3：待氧含量降至100 ppm，保持氩气供气装置（1）以及除尘净化装置（16）的开启状态，同时启动内循环洗气装置（13），继续降低成型室（4）内部氧气浓度；

步骤S4：待氧含量降至20 ppm以下时，已符合镁合金增材制造条件；关闭内循环洗气装置（13），继续保持氩气供气装置（1）、除尘净化装置（16）与监测反馈***（2）的开启，开始进行增材制造；

步骤S5：利用BP立体成形软件直接读取UG或SOLIDWORKS软件绘制而成的STL文件，并对STL模型进行剖分、切片以及路径规划，生成可被机器人（12）直接读取的运动控制代码；之后确定每一层的焊接电流的数值、送丝路径以及送丝速度相关参数后，开启除尘净化装置（16）的除尘净化模式，之后开启焊机（5）；开启焊机（5）待焊弧稳定后，开始进行增材制造；

步骤S6：增材制造过程结束后，得到镁合金工件（9）；依次关闭焊机（5），除尘净化装置（16）、氩气供气装置（1）以及监测反馈***（2），将机器人（12）还原到初始位置，开启成型室（4）的舱门完成生产工艺；

步骤S2中，氩气流速控制在10 ~ 15 L/min。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金电弧增材保护装置使用方法，其特征在于，步骤S5中，增材制造过程中通过监测反馈***（2）实时监测氧含量变化；通过除尘口（6）将成型室（4）内部产生的烟尘、氧化物夹渣排出；增材制造过程中若氧含量大于50 ppm，加大氩气供气量至18L/min；若氧含量大于80 ppm，暂停增材制造过程并开启内循环洗气装置（13），待氧含量降至20ppm，关闭内循环洗气装置（13），重新开始进行增材制造。