CN116810100A - 一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，涉及电弧增材制造技术领域。送丝机构进给焊丝，在电弧的作用下形成熔滴；电磁铁施加外加磁场，来产生电弧尾焰偏转角使电弧与落入量热计中的金属熔滴相分离；金属熔滴滴入量热计中，量热计对铜圆柱的温度变化进行监测，计算出熔滴到达量热计表面的温度，利用红外热像仪检测熔滴的温度损失，并将这部分温度损失补偿至固体铜量热计所测得的熔滴温度，得到熔滴本身较为精确的温度值。本发明将电弧尾焰和熔滴轨迹相分离，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴温度测量的精度，这对增材制造的温度测量和成形机理研究具有重要理论意义和价值。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置。
背景技术
增材制造技术又被称为“3D打印”、“快速成型”，是根据零件的三维模型，基于离散、堆积原理采用材料逐层累加的方法来制造实体零件，铝合金增材制造已广泛应用于航空航天、机械制造等领域。由于电弧增材制造技术熔化沉积效率高，设备简单成本低等特点受到国内外研究学者的关注。在增材过程中，熔滴状态和过渡过程直接决定了增材过程的成形质量。因此，熔滴物态温度的测量和对熔滴原位控制成形具有重要意义。
非熔化极电弧，尤其是等离子具有稳定性好、挺度高的特点，可以保证熔滴落点位置的稳定，对提高沉积层尺寸精度有很大的潜力。但电弧尾焰也会干扰熔滴温度的测量。其次，熔滴在下落过程中会存在温度损失，不能反映熔滴达到工件表面的真实温度。对此，在采用固体铜量热计测量熔滴温度的基础上，提出了一种通过外加磁场分离电弧尾焰和熔滴运动轨迹的方法，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量。此外，由于红外热像仪等测温方法由于具有响应快、温度场分辨率高的优点，利用红外热像仪检测熔滴下落一定高度的温度损失，并将这部分温度损失补偿至固体量热计所测得的熔滴温度。综合得到熔滴本身较为精确的温度值，这对增材制造的温度测量和成形机理研究具有重要理论意义和价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，该装置通过施加外加磁场的方式产生电弧尾焰偏转角，使电弧尾焰和熔滴轨迹分离，采用固体铜量热计测量熔滴温度，并利用红外热像仪对熔滴下落过程中的温度进行实时监测记录，分析熔滴下落一定高度过程中的温度损失，并对固体量热计测得的熔滴温度进行分析补偿。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，包括熔滴获取装置、外加磁场装置、熔滴温度测量***；
所述熔滴获取装置包括：弧焊电源，焊枪，送丝装置，阳极水冷铜块，保护气气瓶；送丝装置通过送丝装置连接板与焊枪相连，使焊枪和送丝装置同步运动，焊枪还与气瓶相连，送丝装置还与弧焊电源连接，阳极水冷铜块位于焊枪的下方；
所述外加磁场装置包括：电磁铁，带小孔的电弧尾焰挡板；电磁铁设于阳极水冷铜块的下方，带小孔的电弧尾焰挡板设于电磁铁的下方；
所述熔滴温度测量***包括：固体铜量热计、红外热摄像仪，数据采集卡和PC端，其中固体铜量热计由铜圆柱、若干热电偶和***石英棉绝热层，保护壳，石英棉盖组成；固体铜量热计电连接数据采集卡，数据采集卡电连接PC端，红外热像仪聚焦于固体铜量热计与阳极水冷铜块之间的熔滴；铜圆柱和***石英棉绝热层设在保护壳内，石英棉盖盖在保护壳上，若干热电偶设在铜圆柱上。
优选地，本测量装置在等离子增材过程中，本测量装置的测量步骤如下：
步骤一：调节三维运动机构，使阳极水冷铜块与焊枪的中心保持在同一轴线，并放置阳极水冷铜块、固体铜量热计于喷嘴下方8到10毫米处，在阳极水冷铜块和固体铜量热计之间放置带小孔的电弧尾焰挡板于焊枪的正下方；
步骤二：引燃电弧后，移动三维工作滑台，将焊丝端部置于喷嘴下方，铜板移至铜板侧壁距钨电极轴约5毫米处，使电弧悬空，熔滴可以向下正常滴落；
步骤三：启动加热装置后再启动增材熔丝装置，即先启动液冷水箱及保护气，打开气瓶旋钮调节氩气，启动焊枪，对基板进行预热，后开启送丝装置，得到熔融的金属熔滴，并用带小孔的电弧尾焰挡板将滴落的熔滴挡住；从侧面方向观测熔滴获取装置，熔滴将从阳极水冷铜块的一侧边前方滴落；
步骤四：根据需求在阳极水冷铜块下方放置电磁铁施加平行于带小孔的电弧尾焰挡板的外加磁场，来产生电弧尾焰的偏转，使做类平抛运动的熔滴轨迹与电弧尾焰分离，以避免电弧尾焰加热固体铜量热计而干扰熔滴温度的测量；
步骤五：待电弧尾焰偏离一定距离，熔滴过渡稳定后，调整带小孔的电弧尾焰挡板位置，使熔滴穿过带小孔的电弧尾焰挡板上的小孔继续下落并且使挡板的一部分阻挡电弧尾焰，使金属熔滴通过带小孔的电弧尾焰挡板上的小孔滴入固体铜量热计中，收集滴落的熔滴并利用固体量热计中的热电偶对铜圆柱造成的温度变化进行监测，实时记录熔滴温度曲线；
步骤六：收集熔滴一段时间后，停止送丝、熄弧，待充分吸热后，用绝缘石英棉隔热垫覆盖在固体铜量热计上，保证其温度恒定不易散失；
步骤七：待温度曲线稳定，固体铜量热计完全吸收熔滴热量后，配合温度曲线拟合方法，将红外热摄像仪聚焦于阳极水冷铜块与固体铜量热计之间的熔滴，利用红外热摄像仪对熔滴下落一定高度过程的温度损失进行观测记录，分析得到熔滴下落过程的温度损失ΔT，并将温度损失ΔT加权补偿至固体量热计测得的熔滴温度T中，得到熔滴本身较为精确的温度值；
步骤八：重复上述步骤多次三次及以上，做出误差棒，增强数据的可靠性。
优选地，固体铜量热计中采取四至八个热电偶从上到下依次布置在铜圆柱的不同的高度处，对阳极水冷铜块所采集的温度结果数据取平均值，避免热传导的滞后性对测温结果带来的不利影响，来提高测温准确度。
优选地，通过电磁铁施加大小为270至290毫特斯拉的外加磁场，其方向平行于铝合金挡板，以此来产生电弧尾焰偏转角，使电弧与落入固体铜量热计中的金属熔滴相分离，达到使电弧尾焰和熔滴轨迹偏离的目的，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴温度测量的精度。
优选地，带小孔的电弧尾焰挡板上设有一个圆孔，可以使熔滴均匀的通过带小孔的电弧尾焰挡板上的圆孔，滴落至固体铜量热计中；并且使带小孔的电弧尾焰挡板的一部分遮挡住电弧尾焰，来排除电弧尾焰对熔滴本身温度的干扰。
优选地，使用的焊丝为铝或铜非铁质金属丝。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)、相较于现有发明，本发明放电磁铁以施加外加磁场，利用电磁铁施加外加磁场，以此来产生电弧尾焰偏角，使电弧与落入固体铜量热计中的金属熔滴相分离，达到使电弧尾焰和熔滴轨迹偏离的目的，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴温度测量的精度。
(2)、本发明通过采用固体铜量热计，相比于其他温度测量方法，可以较好的克服熔滴物态温度测量由于温度散失所造成的误差，并且对铜块所采集的温度结果数据取平均值，可以避免热传导的滞后性对测温结果带来的不利影响，来提高测温准确度。
(3)、本发明采用红外热像仪结合测量熔滴温度的方法，由于熔滴下落过程中存在熔滴温度损失，通过红外热像仪对熔滴下落过程中的温度进行实时观测记录，分析熔滴下落过程的温度损失，对固体量热计测得的熔滴温度进行分析补偿，得到熔滴本身较为精确的温度。
附图说明
图1是测量装置的主视结构示意图采用旁轴送丝；
图2是熔滴获取装置的左视结构示意图；
图3是固体铜量热计的结构示意图；
图4是固体量热计中热电偶测得的温度曲线图；
图中：1、弧焊电源；2、焊枪；3、送丝装置；4、阳极水冷铜块；5、电磁铁；6、PC端；7、保护气气瓶；8、红外热摄像仪；9、固体铜量热计；91、铜圆柱；911、第一热电偶；912、第二热电偶；913、第三热电偶；914、第四热电偶；915、第五热电偶；916、第六热电偶；92、***石英棉绝热层；93、保护壳；94、石英棉盖；10、带小孔的电弧尾焰挡板；11、数据采集卡。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明的基本思想：通过外加磁场分离电弧尾焰和熔滴运动轨迹的方法，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴温度测量的精度。并采用固体铜量热计9来测量熔滴温度，将固体铜量热计9中采取四至八个热电偶从上到下依次布置在铜圆柱91的不同的高度处，对所采集的温度结果取平均值，避免热传导的滞后性对温度测量结果带来的不利影响；利用红外热摄像仪8检测熔滴下落一定高度的温度损失，并将这部分温度损失补偿至固体量热计所测得的熔滴温度，得到熔滴本身较为精确的温度值。
如图1所示，熔滴获取装置包括：弧焊电源1，焊枪2，送丝装置3，阳极水冷铜块4，保护气气瓶7；送丝装置3通过送丝装置连接板与焊枪2相连，使焊枪2和送丝装置3同步运动，焊枪2还与气瓶7相连，送丝装置3还与弧焊电源1连接，阳极水冷铜块4位于焊枪2的下方；
外加磁场装置包括：电磁铁5，带小孔的电弧尾焰挡板10；电磁铁5设于阳极水冷铜块4的下方，带小孔的电弧尾焰挡板10设于电磁铁5的下方；
熔滴温度测量***包括：固体铜量热计9、红外热摄像仪8，数据采集卡11和PC端6，如图3所示，固体铜量热计9由铜圆柱91、若干热电偶和***石英棉绝热层92，保护壳93，石英棉盖94组成；固体铜量热计9电连接数据采集卡11，数据采集卡11电连接PC端6，红外热像仪8聚焦于固体铜量热计9与阳极水冷铜块4，之间的熔滴；铜圆柱91和***石英棉绝热层92设在保护壳93内，石英棉盖94盖在保护壳93上，若干热电偶设在铜圆柱91上。
在等离子增材制造过程中，将送丝装置3通过送丝装置连接板与焊枪2上相连，使焊枪2和送丝装置3同步运动，焊枪2还与气瓶7相连，调节氩气的出气流量；且在该装置中喷嘴距阳极水冷铜块4距离为8毫米，焊丝端部位于喷嘴下方3mm处，阳极水冷铜块4与焊枪2轴线偏离5mm。通过调节三维运动机构，使阳极水冷铜块与焊枪轴线具有合适的相对位置。通过外加电磁铁5，置于阳极水冷铜块4下方产生定向磁场改变电弧尾焰的方向，使熔滴做类平抛下落轨迹与电弧尾焰轨迹分离。待电弧尾焰偏离一定距离，熔滴过渡稳定后，调整带小孔的电弧尾焰挡板10位置，使熔滴穿过带小孔的电弧尾焰挡板10上的小孔继续下落并且使挡板的一部分阻挡电弧尾焰，且侧面图方向观测熔滴获取装置(如图2所示)，熔滴将从水冷铜块的一侧边前方滴落。固体铜量热计9用来收集穿过小孔的熔滴，通过热电偶测量熔滴对铜圆柱91造成的温度变化，结合铜圆柱91的温度变化，可以算出熔滴到达固体铜量热计9表面的温度。红外热摄像仪8聚焦于阳极水冷铜块4与固体铜量热计9之间的熔滴，来监测熔滴下落高度温度的损失，补偿固体铜量热计9测得的熔滴温度。
如图3所示固体铜量热计9由保温材料石英棉包裹铜圆柱91、第一热电偶911～第六热电偶916和***石英棉绝热层92，保护壳93，石英棉盖94组成，其中铜圆柱91吸收熔滴热量；铜圆柱91***包裹的石英棉和顶部的石英棉盖94来隔热保温，尽可能保证液滴温度不散失；采取六个热电偶从上到下依次布置在铜圆柱91不同的高度处，对阳极水冷铜块4所采集的温度结果数据取平均值，铜圆柱9的直径50mm，高度50mm。固体铜量热计9位于喷嘴下方150毫米处，喷嘴距带小孔的电弧尾焰挡板10有110毫米。通过通固体铜量热计9实时测温，并最终得出固体铜量热计9中热电偶测得的温度曲线如图4所示。
其中熔滴下落过程，通过电磁铁5施加外加磁场的方式，改变电弧尾焰偏转角，达到使电弧尾焰和金属熔滴轨迹偏离的目的，以避免电弧尾焰加热固体铜量热计9而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴测量温度精度。
由于固体铜具有导热性好，热惯性低，对温度的响应速度快等特点，有利于温度的测量，采用固体铜量热计9测量熔滴温度。熔滴温度测量***由固体铜量热计9和红外热摄像机8组成。固体铜量热计9由一个用保温材料石英棉包裹的铜圆柱91和六个热电偶组成，对阳极水冷铜块4所采集的温度结果数据取平均值，避免热传导的滞后性对测温结果带来的不利影响，来提高测温准确度。采用红外热摄像仪8对固体铜量热计9的测量误差进行分析，利用红外热摄像仪8检测熔滴下落一定高度的温度损失，并将这部分温度损失补偿至固体量热计所测得的熔滴温度，得到熔滴本身较为精确的温度值。
实施例1：
用改进后的等离子弧增材制造设备测量沉积熔滴温度为例，如图1所示，按图将所需设备连接好，增材过程中使用的电源为等离子弧焊接电源，通过调节三维运动机构，使阳极水冷铜块4与焊枪2中心保持在同一轴线，并使焊丝与焊枪能够保持相对运动的同步关系。
具体包括以下步骤：
步骤一：调节三维运动机构，使阳极水冷铜块4与焊枪2中心保持在同一轴线，并放置阳极水冷铜块4、固体铜量热计9于喷嘴下方8到10毫米处，在阳极水冷铜块4和固体铜量热计之间放置带小孔的电弧尾焰挡板10于焊枪2正下方。
步骤二：引燃电弧后，移动三维工作滑台，将焊丝端部置于喷嘴下方，铜板移至铜板侧壁距钨电极轴约5毫米处，使电弧悬空，熔滴可以向下正常滴落。
步骤三：启动加热装置后再启动增材熔丝装置，将铝合金丝放入送丝机中，打开送丝机电源并设置送丝速度为3m/min，送丝线头距阳极水冷铜块4之间的距离为5毫米夹角为20°，调节调节氩气的气流量为20L/min，通气5分钟后关闭氩气，后打开焊机选择交流电，进行电弧起弧；启动送丝机及电源，按照预先编辑好的程序下运行，开始进行增材制造，得到熔融金属熔滴，并用带小孔的电弧尾焰挡板10将滴落的熔滴挡住。从侧面方向观测熔滴获取装置，熔滴将从阳极水冷铜块4的一侧边前方滴落。
步骤四：根据需求在阳极水冷铜块4下方放置电磁铁5施加大小为280毫特斯拉的外加磁场，其方向平行于铝合金挡板，以此来产生电弧尾焰偏转角，使熔滴轨迹与电弧尾焰分离，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量。
步骤五：待电弧尾焰偏离一定距离，熔滴过渡稳定后，调整带小孔的电弧尾焰挡板10的位置，使熔滴穿过带小孔的电弧尾焰挡板10上的小孔继续下落并且使挡板的一部分阻挡电弧尾焰，使金属熔滴通过带小孔的电弧尾焰挡板10上的小孔滴入固体铜量热计9中，收集滴落的熔滴并利用固体铜量热计9中的热电偶对铜圆柱91造成的温度变化进行监测，实时记录熔滴温度曲线。
步骤六：收集熔滴一段时间后，停止送丝、熄弧，待充分吸热后，用绝缘石英棉隔热垫覆盖在固体铜量热计9上，保证其温度恒定不易散。
步骤七：待温度曲线稳定，固体铜量热计完全吸收熔滴热量后，配合温度曲线拟合方法，将红外热摄像仪8聚焦于阳极水冷铜块4与固体铜量热计9之间的熔滴，利用红外热摄像仪8对熔滴下落一定高度过程的温度损失进行观测记录，分析得到熔滴下落过程的温度损失，并将温度损失加权补偿至固体铜量热计9测得的熔滴温度中，得到熔滴本身较为精确的温度值。
步骤八：重复上述步骤多次三次及以上，做出误差棒，增强数据的可靠性。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，包括熔滴获取装置、外加磁场装置、熔滴温度测量***；
所述熔滴获取装置包括：弧焊电源(1)，焊枪(2)，送丝装置(3)，阳极水冷铜块(4)，保护气气瓶(7)；送丝装置(3)通过送丝装置连接板与焊枪(2)相连，使焊枪(2)和送丝装置(3)同步运动，焊枪(2)还与保护气气瓶(7)相连，送丝装置(3)还与弧焊电源(1)连接，阳极水冷铜块(4)位于焊枪(2)的下方；
所述外加磁场装置包括：电磁铁(5)，带小孔的电弧尾焰挡板(10)；电磁铁(5)设于阳极水冷铜块(4)的下方，带小孔的电弧尾焰挡板(10)设于电磁铁(5)的下方；
所述熔滴温度测量***包括：固体铜量热计(9)、红外热摄像仪(8)，数据采集卡(11)和PC端(6)，其中固体铜量热计(9)由铜圆柱(91)、若干热电偶和***石英棉绝热层(92)，保护壳(93)，石英棉盖(94)组成；固体铜量热计(9)电连接数据采集卡(11)，数据采集卡(11)电连接PC端(6)，红外热像仪(8)聚焦于固体铜量热计(9)与阳极水冷铜块(4)之间的熔滴；铜圆柱(91)和***石英棉绝热层(92)设在保护壳(93)内，石英棉盖(94)盖在保护壳(93)上，若干热电偶设在铜圆柱(91)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，在等离子增材测量过程中，本测量装置的测量步骤如下：
步骤一：调节三维运动机构，使阳极水冷铜块(4)与焊枪(2)的中心保持在同一轴线，并放置阳极水冷铜块(4)、固体铜量热计(9)于喷嘴下方8到10毫米处，在阳极水冷铜块(4)和固体铜量热计(9)之间放置带小孔的电弧尾焰挡板(10)于焊枪(2)的正下方；
步骤二：引燃电弧后，移动三维工作滑台，将焊丝端部置于喷嘴下方，铜板移至铜板侧壁距钨电极轴5毫米处，使电弧悬空，熔滴向下正常滴落；
步骤三：启动加热装置后再启动增材熔丝装置，即先启动液冷水箱及保护气，打开气瓶旋钮调节氩气，启动焊枪(2)，对基板进行预热，后开启送丝装置(3)，得到熔融的金属熔滴，并用带小孔的电弧尾焰挡板(10)将滴落的熔滴挡住；从侧面方向观测熔滴获取装置，熔滴将从阳极水冷铜块(4)的一侧边前方滴落；
步骤四：根据需求在阳极水冷铜块(4)下方放置电磁铁施加平行于带小孔的电弧尾焰挡板(10)的外加磁场，来产生电弧尾焰的偏转，使做类平抛运动的熔滴轨迹与电弧尾焰分离，以避免电弧尾焰加热固体铜量热计(9)而干扰熔滴温度的测量；
步骤五：待电弧尾焰偏离一定距离，熔滴过渡稳定后，调整带小孔的电弧尾焰挡板(10)位置，使熔滴穿过带小孔的电弧尾焰挡板(10)上的小孔继续下落并且使挡板的一部分阻挡电弧尾焰，使金属熔滴通过带小孔的电弧尾焰挡板(10)上的小孔滴入固体铜量热计(9)中，收集滴落的熔滴并利用固体量热计中的热电偶对铜圆柱(91)造成的温度变化进行监测，实时记录熔滴温度曲线；
步骤六：收集熔滴一段时间后，停止送丝、熄弧，待充分吸热后，用绝缘石英棉隔热垫(94)覆盖在固体铜量热计(9)上，保证其温度恒定不易散失；
步骤七：待温度曲线稳定，固体铜量热计(9)完全吸收熔滴热量后，配合温度曲线拟合方法，将红外热摄像仪(8)聚焦于阳极水冷铜块(4)与固体铜量热计(9)之间的熔滴，利用红外热摄像仪(8)对熔滴下落一定高度过程的温度损失进行观测记录，分析得到熔滴下落过程的温度损失ΔT，并将温度损失ΔT加权补偿至固体量热计测得的熔滴温度T中，得到熔滴本身较为精确的温度值；
步骤八：重复上述步骤三次及以上，做出误差棒，增强数据的可靠性。
3.根据权利要求1所述一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，固体铜量热计(9)中采取四至八个热电偶从上到下依次布置在铜圆柱(91)的不同的高度处，对阳极水冷铜块(4)所采集的温度结果数据取平均值，避免热传导的滞后性对测温结果带来的不利影响，来提高测温准确度。
4.根据权利要求1所述一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，通过电磁铁(5)施加大小为270至290毫特斯拉的外加磁场，其方向平行于铝合金挡板，以此来产生电弧尾焰偏转角，使电弧与落入固体铜量热计(9)中的金属熔滴相分离，达到使电弧尾焰和熔滴轨迹偏离的目的，以避免电弧尾焰加热固体量热计而干扰熔滴温度的测量，来提高熔滴温度测量的精度。
5.根据权利要求1所种述一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，带小孔的电弧尾焰挡板(10)上设有一个圆孔，使熔滴均匀的通过带小孔的电弧尾焰挡板(10)上的圆孔，滴落至固体铜量热计(9)中；并且使带小孔的电弧尾焰挡板(10)的一部分遮挡住电弧尾焰，来排除电弧尾焰对熔滴本身温度的干扰。
6.根据权利要求1所述一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置，其特征在于，使用的焊丝为铝或铜非铁质金属丝。
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| CN202310645875.6A CN116810100A (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 一种基于磁场偏转电弧尾焰的丝弧增材制造中熔滴温度的测量装置 |
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