CN114273751A - 用于电弧增材制造基材的温度控制的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于电弧增材制造基材的温度控制的装置及控制方法，包括打印工作台，打印工作台的下方设置有温度控制器、油温机，打印工作台上设置有通油基材、工业风扇组，工业风扇组设置于通油基材的侧方，打印工作台的一侧设置有打印机器人，打印机器人的焊枪头上设置有红外线测温仪，油温机与通油基材连接，通油基材上设置有热电偶，温度控制器分别与油温机、工业风扇组、红外线测温仪、热电偶连接。本发明解决了现有电弧增材制造过程集采与零件的热积累过高导致的散热困难、组织不均匀以及打印初始阶段基材温度太低而导致的熔池不稳定、飞溅的问题。

Description

用于电弧增材制造基材的温度控制的装置及控制方法

技术领域

本发明属于金属材料成形技术领域，涉及用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，还涉及用于电弧增材制造基材的温度控制的方法。

背景技术

电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)是一种定向能量沉积的增材制造方法，是基于离散、堆积的制造原理，以冷金属过渡堆焊(Cold Metal Transfer,CMT)、熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)、非熔化极气体保护焊(GasTungsten Arc Welding,GTAW)以及等离子弧焊(Plasma Arc Welding,PAW)等焊机产生的电弧为高能热源，将金属丝材熔化，在程序的控制下，按照预设路径，由“线-面-体”逐渐堆积成形出金属零件的先进制造技术。WAAM不仅具有一般增材制造技术的优点，无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造，而且具有堆积速率高、材料利用率高、生产成本低、对零件尺寸限制少优点，同时还具备大尺寸零件快速成形的能力。

镁合金作为一种轻质金属材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼好、电磁屏蔽等优良性能，在航空航天、汽车、电子等领域具有巨大的应用潜力。镁合金因其高比强度和比刚度而闻名，可以作为钢和铝合金的替代品，有望成为绿色、轻质结构材料的首选品而得到广泛的关注。然而，由于镁合金易氧化燃烧，延展性差，难以用常规制造方法生产一些复杂的结构件。电弧增材制造因具有成形质量高、堆积速率高、成本相对较低等优点，被认为是镁合金最合适的一种快速成形技术。然而，在成形过程中，现有电弧增材制造技术基材与其上堆焊层之间的温度差很大，最初沉积的材料由于基材的初始温度较低，其热量快速消散而获得较大的过冷度，组织细小、力学性能较好；然而，随着堆焊层数的增多，已沉积部分与基材热量不断积累过多，温度会迅速上升。此时，基材和堆焊层，二者的热量差逐渐消失，热传导及与周围环境的热对流传递效率也大幅度降低，基材对熔池的冷却能力有限，冷却效果减弱，这将使堆焊层组织变得粗大，力学性能变差。另一方面，如果熔池的热量难以消散，始终处于较高的温度，这也将增加焊件产生焊瘤等缺陷的可能性。这是由于从冶金学的角度，合金液的流动性与其温度呈正比，流动性增加导致熔池内金属液流淌到下层已凝固金属表面产生焊瘤。因此，为了得到显微组织和力学性能都符合要求的产品，必需在电弧增材制造过程中对已堆焊层和基材内部的热积累进行一定的控制，并且使基板与堆焊层的温度梯度始终处于有利的熔池热量消散的情况。简言之，就是在WAAM过程中必须要控制基材温度，无论是启焊初始阶段，还是焊中和焊尾阶段，目的都是要及时通过基材的温度控制，以间接控制堆焊层熔池的温度和冷却条件，以确保堆焊层熔池的冷却和凝固条件，以达到控制堆焊层的组织和力学性能的目的。

发明专利(用于焊接工艺，特别是电弧增材制造工艺的均匀冷却装置，申请号：201980024592.1，公开号：CN111936258A)公开了一种电弧增材制造工艺的均匀冷却装置，本冷却装置通过将基材布置在冷却介质中，使基材与冷却介质直接接触，并且所述基材的表面位于冷却介质液位的上方，从而使电弧增材制造过程中零件所积累的热量可以通过冷却介质迅速散失。

基于上述专利检索，并结合目前技术发现，上述专利的确能够加快电弧增材制造过程中熔池的冷却，一定程度上避免了过高的热量积累，但其缺点在于只利用了基材和零件之间的热传递来对高温零件进行冷却，对于尺寸较大的零件这种方式效率太低无法满足熔池热量及时传递的要求。另外，未考虑到堆焊起始阶段，如果基材温度过低，则会造成首堆层金属液滴的剧烈飞溅，不利于熔池的稳定，导致最开始打印的数层整体组织均匀性差。而且该设备无法对零件及熔池的温度进行实时监测，且不能在电弧增材制造过程中对冷却速率进行适当的调节，不能实现可控冷却。简言之，增材制造过程中冷却速率过快过慢均会对零件的组织和力学性能均可能造成不利影响。另一方面，将基材直接放置于冷却液液面以上并利用上述专利中的六轴机构为基材提供支持的方法及装置明显增加了电弧增材制造设备的复杂程度和成本，而且开放的冷却介质容器不利于冷却液的重复利用，因为电弧增材制造过程产生的飞溅会落入冷却液中对其造成污染，尤其不适合镁合金增材制造。

由于上述的缺陷迫切的需要找寻新的装置与方法来解决电弧增材制造过程中基材与零件的热积累过高导致的散热困难、组织不均匀以及打印初始阶段基材温度太低而导致的熔池不稳定、飞溅等问题，以保证可以获得力学性能优良、组织均匀且缺陷少的WAAM镁合金制品。

发明内容

本发明的目的是提供用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，解决了现有电弧增材制造过程集采与零件的热积累过高导致的散热困难、组织不均匀以及打印初始阶段基材温度太低而导致的熔池不稳定、飞溅的问题。

本发明的另一目的是提供用于电弧增材制造基材的温度控制的方法。

本发明所采用的技术方案是，用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，包括打印工作台，打印工作台的下方设置有温度控制器、油温机，打印工作台上设置有通油基材、工业风扇组，工业风扇组设置于通油基材的侧方，打印工作台的一侧设置有打印机器人，打印机器人的焊枪头上设置有红外线测温仪，油温机与通油基材连接，通油基材上设置有热电偶，温度控制器分别与油温机、工业风扇组、红外线测温仪、热电偶连接。

本发明的特征还在于，

通油基材包括基板，基板内设置有多个“S”型依次相连的导油槽，导油槽的一端设置有进油口，导油槽的另一端设置有出油口。

油温机通过进油管与进油口连接，油温机通过出油管与出油口连接。

基板采用镁合金基板。

工业风扇组包括多个风扇，多个风扇围绕设置于通油基材的周边。

热电偶采用镍铬硅-镍硅热电偶，温度控制器采用KSW型温度控制器，油温机采用油式模温机，打印机器人采用六轴焊接机器人。

本发明所采用的另一技术方案是，用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，采用用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开油温机使高温热油通过进油管和进油口进入基板内并循环对基板进行预热；

步骤2，在基板预热过程中，热电偶对基板的温度进行实时监测并将监测数据传输到温度控制器，待基板的温度上升至所需工艺温度时，热电偶将温度数据反馈给温度控制器，温度控制器控制油温机停止预热，开启打印机器人，开始打印；

步骤3，打印过程中，打印机器人每完成一层打印并待打印层凝固后，由红外测温仪对打印层的温度进行监测，若红外温度检测仪探测到打印层温度高于100℃时，与红外测温仪相连的温度控制器打开油温机的冷却***和工业风扇组，待红外测温仪监测打印层温度降至100℃以下时，红外测温仪将温度数据反馈到温度控制器，温度控制器关闭油温机和工业风扇组，然后打印机器人开始下一层的打印，最终得到镁合金零件；

步骤4，打印完成后，打开油温机的冷却***和工业风扇组对基板和步骤3打印的镁合金零件进行冷却，待红外温度检测仪监测镁合金零件温度降至室温时，关闭油温机的冷却***和工业风扇组。

本发明的特征还在于，

步骤1中，预热的加热速率为10～30℃/min，油循环流速为5～25L/min，加热温度为200～300℃。

步骤3和步骤4中，对基板冷却过程中，油循环流速为10～30L/min；工业风扇组的转速为1000r/min。

本发明的有益效果是，

(1)本发明用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，通过红外线测温仪和设置在基板上的热电偶分别对镁合金零件和基板进行温度监测，并与温度控制仪联动对油温机和风扇进行控制，可以更加精准快速的实现对镁合金零件和基材的温度控制；

(2)本发明用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，利用油温机的冷却***提供温度较低的油在基板中进行循环将基材的温度降低，保证基材与镁合金零件之间始终存在合适的温度梯度，同时采用风扇直接对镁合金零件进行辅助对流降温，两种方式同时作用可以提高打印效率，有效防止因为镁合金零件的热量积累过高而产生的组织的不均匀和晶粒粗大问题，避免出现焊瘤、塌陷等缺陷；

(3)本发明用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，在打印初始阶段对基板进行预热，可以有效降低液态金属滴落时产生的飞溅问题，形成更加稳定的熔池，避免了由于打印层与基板间温度梯度较大而导致的起初打印的数层组织不均匀的问题。

附图说明

图1是本发明用于电弧增材制造基材的温度控制的装置的结构示意图；

图2是本发明用于电弧增材制造基材的温度控制的装置中通油基材的结构示意图。

图中，1.打印机器人，2.数据传输线，3.进油管，4.打印工作台，5.油温机，6.红外线测温仪，7.热电偶，8.温度传输线，9.镁合金零件，10.温度控制器，11.工业风扇组，12.通油基材，13.油温机控制导线，14.出油管，15.风扇控制导线；

12-1.进油口，12-2.导油槽，12-3.出油口，12-4.基板。

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。

本发明提供一种用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，结构如图1所示，包括打印工作台4，打印工作台4的下方设置有温度控制器10、油温机5，打印工作台4上设置有通油基材12、工业风扇组11，工业风扇组11设置于通油基材12的侧方，打印工作台4的一侧设置有打印机器人1，打印机器人1的焊枪头上设置有红外线测温仪6，油温机5与通油基材12连接，通油基材12上设置有热电偶7，温度控制器10通过油温机控制导线13与油温机5连接，温度控制器10通过风扇控制导线15与工业风扇组11连接，温度控制器10通过数据传输线2与红外线测温仪6连接，温度控制器10与热电偶7连接。

如图2所示，通油基材12包括镁合金基板12-4，基板12-4内设置有多个“S”型依次相连的导油槽12-2，导油槽12-2的一端设置有进油口12-1，进油口12-1通过进油管3与油温机5连接，导油槽12-2的另一端设置有出油口12-3，出油口12-3通过出油管14与油温机5连接。

工业风扇组11包括多个风扇，多个风扇围绕设置于通油基材12的周边，以对通油基材12、打印层及镁合金零件9进行冷却，加快冷却速度，提高打印效率。

热电偶7采用镍铬硅-镍硅热电偶(N型)，温度控制器10采用KSW型温度控制器，油温机5采用油式模温机，打印机器人1采用六轴焊接机器人。

本发明还提供一种用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，采用用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开油温机5使高温热油通过进油管3和进油口12-1进入基板12-4内并循环对基板12-4进行预热；

预热的加热速率为10～30℃/min，油循环流速为5～25L/min，加热温度为200～300℃；

步骤2，在基板12-4预热过程中，热电偶7对基板12-4的温度进行实时监测并将监测数据传输到温度控制器10，待基板12-4的温度上升至所需工艺温度时，热电偶7将温度数据反馈给温度控制器10，温度控制器10控制油温机5停止预热，开启打印机器人1，开始打印；

步骤3，打印过程中，打印机器人1每完成一层打印并待打印层凝固后，由红外测温仪6对打印层的温度进行监测，若红外温度测温仪6探测到打印层温度高于100℃时，与红外测温仪6相连的温度控制器10打开油温机5的冷却***和工业风扇组11，待红外测温仪6监测打印层温度降至100℃以下时，红外测温仪6将温度数据反馈到温度控制器10，温度控制器10关闭油温机5和工业风扇组11，然后打印机器人1开始下一层的打印，最终得到镁合金零件9；

油温机5运行的过程中，油经由出油管14从通油基材12流入油温机5的储油箱中，经油温机5的冷却***降温后从进油管3流入通油基材12中；对基板12-4冷却过程中，油循环流速为10～30L/min；工业风扇组11的转速为1000r/min；

步骤4，打印完成后，打开油温机5的冷却***和工业风扇组11对基板12-4和步骤3打印的镁合金零件9进行冷却，待红外温度测温仪6监测镁合金零件9温度降至室温时，关闭油温机5的冷却***和工业风扇组11；

油温机5运行的过程中，油经由出油管14从通油基材12流入油温机5的储油箱中，经油温机5的冷却***降温后从进油管3流入通油基材12中；对基板12-4冷却过程中，油循环流速为10～30L/min；工业风扇组11的转速为1000r/min。

实施例1

步骤1，打开油温机5使高温热油通过进油管3和进油口12-1进入基板12-4内并循环对基板12-4进行预热；

预热的加热速率为10℃/min，油循环流速为5L/min，加热温度为200℃；

步骤2，在基板12-4预热过程中，热电偶7对基板12-4的温度进行实时监测并将监测数据传输到温度控制器10，待基板12-4的温度上升至所需工艺温度时，热电偶7将温度数据反馈给温度控制器10，温度控制器10控制油温机5停止预热，开启打印机器人1，开始打印；

步骤3，打印过程中，打印机器人1每完成一层打印并待打印层凝固后，由红外测温仪6对打印层的温度进行监测，若红外温度测温仪6探测到打印层温度高于100℃时，与红外测温仪6相连的温度控制器10打开油温机5的冷却***和工业风扇组11，待红外测温仪6监测打印层温度降至100℃以下时，红外测温仪6将温度数据反馈到温度控制器10，温度控制器10关闭油温机5和工业风扇组11，然后打印机器人1开始下一层的打印，最终得到镁合金零件9；

油温机5运行的过程中，油经由出油管14从通油基材12流入油温机5的储油箱中，经油温机5的冷却***降温后从进油管3流入通油基材12中；对基板12-4冷却过程中，油循环流速为10L/min；工业风扇组11的转速为1000r/min；

步骤4，打印完成后，打开油温机5的冷却***和工业风扇组11对基板12-4和步骤3打印的镁合金零件9进行冷却，待红外温度测温仪6监测镁合金零件9温度降至室温时，关闭油温机5的冷却***和工业风扇组11；

油温机5运行的过程中，油经由出油管14从通油基材12流入油温机5的储油箱中，经油温机5的冷却***降温后从进油管3流入通油基材12中；对基板12-4冷却过程中，油循环流速为10L/min；工业风扇组11的转速为1000r/min。

实施例2

与实施例1的区别在于：步骤1中，预热的加热速率为15℃/min，油循环流速为10L/min，加热温度为225℃；步骤3和步骤4中，油循环流速为15L/min。

实施例3

与实施例1的区别在于：步骤1中，预热的加热速率为20℃/min，油循环流速为15L/min，加热温度为250℃；步骤3和步骤4中，油循环流速为20L/min。

实施例4

与实施例1的区别在于：步骤1中，预热的加热速率为25℃/min，油循环流速为20L/min，加热温度为275℃；步骤3和步骤4中，油循环流速为25L/min。

实施例5

与实施例1的区别在于：步骤1中，预热的加热速率为30℃/min，油循环流速为25L/min，加热温度为300℃；步骤3和步骤4中，油循环流速为30L/min。

Claims (9)

1.用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，包括打印工作台(4)，所述打印工作台(4)的下方设置有温度控制器(10)、油温机(5)，所述打印工作台(4)上设置有通油基材(12)、工业风扇组(11)，所述工业风扇组(11)设置于通油基材(12)的侧方，所述打印工作台(4)的一侧设置有打印机器人(1)，所述打印机器人(1)的焊枪头上设置有红外线测温仪(6)，所述油温机(5)与通油基材(12)连接，所述通油基材(12)上设置有热电偶(7)，所述温度控制器(10)分别与油温机(5)、工业风扇组(11)、红外线测温仪(6)、热电偶(7)连接。

2.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，所述通油基材(12)包括基板(12-4)，所述基板(12-4)内设置有多个“S”型依次相连的导油槽(12-2)，所述导油槽(12-2)的一端设置有进油口(12-1)，所述导油槽(12-2)的另一端设置有出油口(12-3)。

3.根据权利要求2所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，所述油温机(5)通过进油管(3)与进油口(12-1)连接，所述油温机(5)通过出油管(14)与出油口(12-3)连接。

4.根据权利要求2所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，所述基板(12-4)采用镁合金基板。

5.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，所述工业风扇组(11)包括多个风扇，多个所述风扇围绕设置于通油基材(12)的周边。

6.根据权利要求1所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，其特征在于，所述热电偶(7)采用镍铬硅-镍硅热电偶，所述温度控制器(10)采用KSW型温度控制器，所述油温机(5)采用油式模温机，所述打印机器人(1)采用六轴焊接机器人。

7.用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开油温机(5)使高温热油通过进油管(3)和进油口(12-1)进入基板(12-4)内并循环对基板(12-4)进行预热；

步骤2，在基板(12-4)预热过程中，热电偶(7)对基板(12-4)的温度进行实时监测并将监测数据传输到温度控制器(10)，待基板(12-4)的温度上升至所需工艺温度时，热电偶(7)将温度数据反馈给温度控制器(10)，温度控制器(10)控制油温机(5)停止预热，开启打印机器人(1)，开始打印；

步骤3，打印过程中，打印机器人(1)每完成一层打印并待打印层凝固后，由红外测温仪(6)对打印层的温度进行监测，若红外温度测温仪(6)探测到打印层温度高于100℃时，与红外测温仪(6)相连的温度控制器(10)打开油温机(5)的冷却***和工业风扇组(11)，待红外测温仪(6)监测打印层温度降至100℃以下时，红外测温仪(6)将温度数据反馈到温度控制器(10)，温度控制器(10)关闭油温机(5)和工业风扇组(11)，然后打印机器人(1)开始下一层的打印，最终得到镁合金零件(9)；

步骤4，打印完成后，打开油温机(5)的冷却***和工业风扇组(11)对基板(12-4)和步骤3打印的镁合金零件(9)进行冷却，待红外温度测温仪(6)监测镁合金零件(9)温度降至室温时，关闭油温机(5)的冷却***和工业风扇组(11)。

8.根据权利要求7所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，其特征在于，步骤1中，预热的加热速率为10～30℃/min，油循环流速为5～25L/min，加热温度为200～300℃。

9.根据权利要求7所述的用于电弧增材制造基材的温度控制的方法，其特征在于，步骤3和步骤4中，对基板(12-4)冷却过程中，油循环流速为10～30L/min；所述工业风扇组(11)的转速为1000r/min。

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