CN115446422A - 一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法，属于电弧增材领域，在逐层打印增材零件过程中采用涡流冷却管对沉积层进行冷却，涡流冷却管冷却效果强，同时涡流冷却管采用磁吸固定的方式，灵活性好方便安装，可以针对不同增材制造零件的沉积制造进行冷却。本发明的微机根据温度检测仪检测的红外热成像调整沉积层的层沉积时间，辅助降低沉积层的温度，并根据高速摄像机的熔池图像调整涡流冷却管的冷却气流量，保证了增材零件的沉积质量。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材领域，特别是涉及一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法。
背景技术
传统电弧增材***由于电弧高温作用热输入相较于激光增材设备高2-3倍，因此电弧增材过程中极易产生过热，尤其是对于铝合金等流动性好的金属，过热使得低处沉积层融化造成增材零件报废，另一方面，电弧增材由于热输入过大，沉积层冷却缓慢，易在沉积层中出现粗大柱状晶，对沉积层力学性能造成各向异性等不良影响。中国专利申请号为CN201511028009.4，公开了一种惰性气体同步辅助冷却的发明，惰性气体成本高，惰性气体出口与激光增材***相对固定，这种安装方式不适合复杂零件的制造，激光头附件多容易与沉积件之间干涉。申请号为CN201580064946.7的中国发明专利，针对非金属材料设计了一种冷却气喷嘴，这与电弧增材不同，由于电弧增材打印金属需要保护气防止氧化，冷却过程中需要冷却气避免沉积层氧化。因此，现有技术中存在电弧增材沉积热输入高，成形精度低，沉积效率低，不适用于大多数零件的沉积制造等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法，以提高电弧增材冷却效果，并适用于不同的增材制造零件进行沉积制造。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电弧增材层间温度在线控制***，所述***包括：涡流冷却管、温度检测仪、高速摄像机和微机；
电弧增材设备用于按照逐层叠加的方式将增材零件逐层打印出来；
涡流冷却管采用磁吸方式固定，涡流冷却管的冷却气体喷出端对准增材零件，涡流冷却管用于在逐层打印增材零件过程中向打印的沉积层喷射冷却气体，冷却沉积层；所述沉积层逐层沉积构成增材零件；
温度检测仪与微机连接；所述温度检测仪用于在逐层打印增材零件过程中实时获取沉积层的红外热成像；所述微机用于根据所述红外热成像调整沉积层的层沉积时间，使得沉积层的层间温度低于温度阈值；
高速摄像机与微机连接，所述高速摄像机用于在逐层打印增材零件过程中实时获取熔池图像；所述微机用于根据所述熔池图像调整涡流冷却管的冷却气流量，以保持熔池形貌。
可选的，所述涡流冷却管包括：磁性底座、气导支坐、三通管、气管、涡流管、消音嘴、主管、分流器和多个喷管；
气导支坐内部为中空结构，气导支坐的一端固定在磁性底座上，气导支坐的另一端与三通管的第一管接头连通，气导支坐的中部与气管相连通；
三通管的第二管接头与涡流管的一端连接，涡流管的另一端与消音嘴连接；
三通管的第三管接头与主管的一端连接，主管的另一端通过分流器与多个喷管连接；
所述气管用于利用空压机通过气导支坐和三通管向涡流管中通入常温的压缩空气；所述涡流管内部有涡流室，所述涡流管用于当常温的压缩空气进入涡流室后，经过涡流变换将常温的压缩空气转化为高温气体和冷却气体，高温气体从消音嘴喷出，冷却气体依次通过三通管、主管和分流器从多个喷管喷出。
可选的，每个所述喷管包括：支管和喷嘴；
支管的一端与分流器连接，支管的另一端与喷嘴连接。
可选的，喷嘴和支管的材料均为镍基合金GH4043；
所有喷嘴呈直线形排列，相邻喷嘴之间的距离为10mm，每个喷嘴与增材零件的直线距离为20mm，每个喷嘴的喷射方向与增材零件的高度方向的夹角为20°。
可选的，所述***还包括：工作平台、电弧增材基板、水冷基板和水冷箱；
水冷基板位于工作平台上，磁性底座吸附在工作平台上；电弧增材基板设置在水冷基板上；在所述电弧增材基板上逐层打印增材零件；
水冷基板与水冷箱连接，所述水冷箱为冷却基板提供循环冷却水，所述冷却基板用于在电弧增材过程中持续对电弧增材基板进行冷却。
可选的，所述电弧增材设备包括：电弧焊机电源、焊枪和保护气瓶；
电弧焊机电源与焊枪电连接，保护气瓶用于提供惰性气体保护焊枪。
可选的，所述涡流冷却管的压缩气压力为6.9Bar，制冷流量为1410SLPM，制冷能力为857Kcal/hr。
可选的，所述温度监测仪为红外热成像仪，所述红外热成像仪的成像像素为120*120，测温范围为100-500℃。
一种电弧增材层间温度在线控制方法，所述方法应用于前述的电弧增材层间温度在线控制***，所述方法包括：
开启电弧增材设备进行增材工作，当逐层打印至第6层沉积层时，打开涡流冷却管；
在逐层打印增材零件过程中，实时获取沉积层的红外热成像和熔池图像；
若红外热成像上显示的沉积层层间温度大于温度阈值，则增加每层沉积时间间隔至90s；
若熔池图像上显示电弧发生漂移失稳，则减少涡流冷却管的冷却气流量至当前冷却气流量的70％。
可选的，所述开启电弧增材设备进行增材工作，之前还包括：
将电弧增材基板安装在水冷基板上，并将水冷箱打开，同时开启微机、高速摄像机和温度检测仪。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法，在逐层打印增材零件过程中采用涡流冷却管对沉积层进行冷却，涡流冷却管冷却效果强，同时涡流冷却管采用磁吸固定的方式，灵活性好方便安装，可以针对不同增材制造零件的沉积制造进行冷却。
本发明的微机根据温度检测仪检测的红外热成像调整沉积层的层沉积时间，辅助降低沉积层的温度，并根据高速摄像机的熔池图像调整涡流冷却管的冷却气流量，保证了增材零件的沉积质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电弧增材层间温度在线控制***示意图；
图2为本发明实施例提供的涡流冷却管俯视图；
图3为本发明实施例提供的涡流冷却管侧视图；
图4为本发明实施例提供的电弧增材基板位置关系示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电弧增材层间温度在线控制方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的涡流冷却管冷却晶粒细化对比图；
图7为本发明实施例提供的涡流冷却管成形精度对比图。
符号说明：1-涡流冷却管，2-增材零件，3-电弧增材基板，4-工作平台，5-保护气瓶，6-焊枪，7-高速摄像机，8-温度检测仪，9-水冷箱，10-水冷基板，11-电弧焊机电源，12-微机，101-涡流管，102-消音嘴，103-磁性底座，104-分流器，105-支管，106-主管，107-喷嘴，108-气管，109-气导支坐，110-三通管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电弧增材层间温度在线控制***及控制方法，以提高电弧增材冷却效果，并适用于不同的增材制造零件进行沉积制造。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种电弧增材层间温度在线控制***，如图1所示，***包括：涡流冷却管1、温度检测仪8、高速摄像机7和微机12。电弧增材设备用于按照逐层叠加的方式将增材零件2逐层打印出来。涡流冷却管1采用磁吸方式固定，涡流冷却管1的冷却气体喷出端对准增材零件2，涡流冷却管1用于在逐层打印增材零件2过程中向打印的沉积层喷射冷却气体，冷却沉积层。温度检测仪8与微机12连接；温度检测仪8用于在逐层打印增材零件2过程中实时获取沉积层的红外热成像；微机12用于根据所述红外热成像调整沉积层的层沉积时间，使得沉积层的层间温度低于温度阈值。高速摄像机7与微机12连接，高速摄像机7用于在逐层打印增材零件2过程中实时获取熔池图像；微机12用于根据所述熔池图像调整涡流冷却管1的冷却气流量，以熔池形貌，从而保持增材零件2的沉积质量。电弧增材设备在打印增材零件2时每打印一层均称为沉积层。
电弧增材按照逐层叠加的思路将零件分层通过焊枪6逐层打印出来，打印过程中，高速摄像机7和温度检测仪8分别监测成形过程中的热积累和成形形貌，高速摄像机7和温度检测仪8均与微机12相连，微机12上显示高速摄像机7和温度检测仪8的图像数据。
本发明提出在增材制造领域采用涡流冷却***对沉积层进行温度控制，涡流冷却管1冷却效果强，采用磁吸固定的方式方便灵活安装灵活性好，可以针对不同的增材制造零件进行沉积制造。
示例性的，高速摄像机7为数码高速摄像机i-speed7，摄制贞速为7200FPS，每次录制时间为3s，录制完成并存储在微机12上并供微机12随时调用查看。温度监测仪为红外热成像仪，红外热成像仪成像像素为120*120，测温范围是100-500℃。
下面结合图1至图4详细介绍电弧增材层间温度在线控制***的组成结构。
图2为本发明实施例提供的涡流冷却管1俯视图，图3为本发明实施例提供的涡流冷却管1侧视图。涡流冷却管1包括：磁性底座103、气导支坐109、三通管110、气管108、涡流管101、消音嘴102、主管106、分流器104和多个喷管。气导支坐109内部为中空结构，气导支坐109的一端固定在磁性底座103上，气导支坐109的另一端与三通管110的第一管接头连通，气导支坐109的中部与气管108相连通(气导支坐109中间开孔与气管108相连)。三通管110的第二管接头与涡流管101的一端连接，涡流管101的另一端与消音嘴102连接。三通管110的第三管接头与主管106的一端连接，主管106的另一端通过分流器104与多个喷管连接。气管108用于利用空压机通过气导支坐109和三通管110向涡流管101中通入常温的压缩空气；涡流管101内部有涡流室，涡流管101用于当常温的压缩空气进入涡流室后，经过涡流变换将常温的压缩空气转化为高温气体和冷却气体，高温气体从消音嘴102喷出，冷却气体依次通过三通管110、主管106和分流器104从多个喷管喷出。优选地，气管108为高压气管。日最高气温达到或超过35℃时称为高温，常温也叫一般温度或者室温，一般定义为25℃。
图2示出了4个喷管。其中，每个喷管包括：支管105和喷嘴107。支管105的一端与分流器104连接，支管105的另一端与喷嘴107连接。分流器104将主管106传过来的冷却气体分成4份从四支支管105的喷嘴107平行喷出，喷嘴107为“一”字形，喷嘴107排列方式为直线形排列。为了将待冷却增材零件均匀连续冷却，每个喷嘴107之间的距离为10mm，喷嘴107与增材零件2直线距离为20mm，以防止增材过程中电弧热量过大造成喷嘴107表面烧蚀。为了防止冷却气流对增材过程中电弧稳定性造成影响，喷嘴107的喷射方向与增材零件2的高度方向的夹角为20°。
涡流冷却管1需求的压缩气压力为6.9Bar，制冷流量为1410SLPM，制冷能力为857Kcal/hr。
为了提高支管105和喷嘴107的耐热程度并提高***稳定性，喷嘴107和支管105的材料均为镍基合金GH4043。
为了保证打印温度保持低温，通过温度检测仪8监测沉积层温度，当层间温度超过90℃时，增加每层沉积时间间隔90s。
在一个示例中，电弧增材层间温度在线控制***还包括：工作平台4、电弧增材基板3、水冷基板10和水冷箱9。水冷基板10位于工作平台4上，磁性底座103吸附在工作平台4上。如图4所示，电弧增材基板3设置在水冷基板10上，在电弧增材基板3上逐层打印增材零件2。水冷基板10与水冷箱9通过供水管路连接，水冷箱9为冷却基板提供循环冷却水，冷却基板用于在电弧增材过程中持续对电弧增材基板3进行冷却。
电弧增材设备包括：电弧焊机电源11、焊枪6和保护气瓶5。电弧焊机电源11与焊枪6电连接，保护气瓶5用于提供惰性气体保护焊枪6。
本发明的电弧增材层间温度在线控制***的有益效果为：
(1)首次提出在增材制造领域采用涡流冷却***对沉积层进行温度控制，涡流冷却管冷却效果强，采用磁吸固定的方式方便灵活安装灵活性好，可以针对不同的增材制造零件进行沉积制造。
(2)涡流冷却管冷却效率高同时辅助水冷基板同时对沉积件进行冷却，能够实现电弧增材的过程中一直保持冷却，加速沉积件的冷却，提高沉积效率，采用廉价的压缩空气，使用成本低。
(3)采用镍基合金喷嘴，涡流冷却管结构简单稳定性高，在电弧增材的恶劣环境中能够保证工作稳定。
(4)采用温度检测仪和高速摄像机对沉积层进行监测通过对涡流冷却管的调整，保证电弧增材成形精度。
本发明实施例还提供了一种电弧增材层间温度在线控制方法，该方法应用于前述的电弧增材层间温度在线控制***，如图5所示，方法包括以下步骤：
步骤S1，开启电弧增材设备进行增材工作，当逐层打印至第6层沉积层时，打开涡流冷却管。
步骤S2，在逐层打印增材零件过程中，实时获取沉积层的红外热成像和熔池图像。
步骤S3，若红外热成像上显示的沉积层层间温度大于温度阈值，则增加每层沉积时间间隔至90s。优选地，温度阈值为90℃。
步骤S4，若熔池图像上显示电弧发生漂移失稳，则减少涡流冷却管的冷却气流量至当前冷却气流量的70％。
随时观察沉积质量，直至增材零件制造完成。
在步骤S1开启电弧增材设备进行增材工作，之前还需要将电弧增材基板安装在水冷基板上，并将水冷箱打开，同时开启微机、高速摄像机和温度检测仪。
通过对沉积件进行力学分析和显微分析，通过电弧增材层间温度在线控制***处理的沉积层晶粒明显细化，如图6所示，成形精度明显提高，如图7所示。图6中的箭头方向building direction表示沉积方向，图7中箭头arc pit表示弧坑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述***包括：涡流冷却管、温度检测仪、高速摄像机和微机；
电弧增材设备用于按照逐层叠加的方式将增材零件逐层打印出来；
涡流冷却管采用磁吸方式固定，涡流冷却管的冷却气体喷出端对准增材零件，涡流冷却管用于在逐层打印增材零件过程中向打印的沉积层喷射冷却气体，冷却沉积层；所述沉积层逐层沉积构成增材零件；
温度检测仪与微机连接；所述温度检测仪用于在逐层打印增材零件过程中实时获取沉积层的红外热成像；所述微机用于根据所述红外热成像调整沉积层的层沉积时间，使得沉积层的层间温度低于温度阈值；
高速摄像机与微机连接，所述高速摄像机用于在逐层打印增材零件过程中实时获取熔池图像；所述微机用于根据所述熔池图像调整涡流冷却管的冷却气流量，以保持熔池形貌。
2.根据权利要求1所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述涡流冷却管包括：磁性底座、气导支坐、三通管、气管、涡流管、消音嘴、主管、分流器和多个喷管；
气导支坐内部为中空结构，气导支坐的一端固定在磁性底座上，气导支坐的另一端与三通管的第一管接头连通，气导支坐的中部与气管相连通；
三通管的第二管接头与涡流管的一端连接，涡流管的另一端与消音嘴连接；
三通管的第三管接头与主管的一端连接，主管的另一端通过分流器与多个喷管连接；
所述气管用于利用空压机通过气导支坐和三通管向涡流管中通入常温的压缩空气；所述涡流管内部有涡流室，所述涡流管用于当常温的压缩空气进入涡流室后，经过涡流变换将常温的压缩空气转化为高温气体和冷却气体，高温气体从消音嘴喷出，冷却气体依次通过三通管、主管和分流器从多个喷管喷出。
3.根据权利要求2所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，每个所述喷管包括：支管和喷嘴；
支管的一端与分流器连接，支管的另一端与喷嘴连接。
4.根据权利要求3所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，喷嘴和支管的材料均为镍基合金GH4043；
所有喷嘴呈直线形排列，相邻喷嘴之间的距离为10mm，每个喷嘴与增材零件的直线距离为20mm，每个喷嘴的喷射方向与增材零件的高度方向的夹角为20°。
5.根据权利要求2所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述***还包括：工作平台、电弧增材基板、水冷基板和水冷箱；
水冷基板位于工作平台上，磁性底座吸附在工作平台上；电弧增材基板设置在水冷基板上；在所述电弧增材基板上逐层打印增材零件；
水冷基板与水冷箱连接，所述水冷箱为冷却基板提供循环冷却水，所述冷却基板用于在电弧增材过程中持续对电弧增材基板进行冷却。
6.根据权利要求1所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述电弧增材设备包括：电弧焊机电源、焊枪和保护气瓶；
电弧焊机电源与焊枪电连接，保护气瓶用于提供惰性气体保护焊枪。
7.根据权利要求1所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述涡流冷却管的压缩气压力为6.9Bar，制冷流量为1410SLPM，制冷能力为857Kcal/hr。
8.根据权利要求1所述的电弧增材层间温度在线控制***，其特征在于，所述温度监测仪为红外热成像仪，所述红外热成像仪的成像像素为120*120，测温范围为100-500℃。
9.一种电弧增材层间温度在线控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的电弧增材层间温度在线控制***，所述方法包括：
开启电弧增材设备进行增材工作，当逐层打印至第6层沉积层时，打开涡流冷却管；
在逐层打印增材零件过程中，实时获取沉积层的红外热成像和熔池图像；
若红外热成像上显示的沉积层层间温度大于温度阈值，则增加每层沉积时间间隔至90s；
若熔池图像上显示电弧发生漂移失稳，则减少涡流冷却管的冷却气流量至当前冷却气流量的70％。
10.根据权利要求9所述的电弧增材层间温度在线控制方法，其特征在于，所述开启电弧增材设备进行增材工作，之前还包括：
将电弧增材基板安装在水冷基板上，并将水冷箱打开，同时开启微机、高速摄像机和温度检测仪。
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