本發(fā)明涉及電弧增材制造，特別是涉及一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、電弧增材是制造大型金屬結(jié)構(gòu)件的一種先進(jìn)方法。逐層沉積的工藝特點(diǎn)使得先沉積部分后續(xù)要經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，由此增加成形件微觀組織與力學(xué)性能的控制難度。厚壁零件打印過(guò)程中不可避免地會(huì)帶來(lái)熱量累積。溫度過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)塌陷、流淌，尺寸形狀不容易控制，而且組織粗大，性能變差，因此合理的層間溫度范圍對(duì)于電弧增材制造構(gòu)件質(zhì)量來(lái)說(shuō)十分重要。層間等待是一種解決方法，然而對(duì)于厚壁構(gòu)件來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)向空氣中對(duì)流與輻射散熱，層間冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。為此，有人提出了通過(guò)壓縮氣體進(jìn)行冷卻，但打印過(guò)程中氣流可能會(huì)對(duì)熔滴過(guò)渡行為產(chǎn)生影響，并且冷卻區(qū)域受噴嘴尺寸決定，存在冷卻介質(zhì)成本高，不能夠?qū)崿F(xiàn)回收反復(fù)利用的缺點(diǎn)。此外，僅依靠基板冷卻無(wú)法完全解決熱量累積問(wèn)題，這是因?yàn)殡S著工件打印高度增加，受基板的影響將越來(lái)越弱。

2、基于以上原因，亟須提出一種新方法，有效提高散熱效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)層間溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，提高生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置及方法。

2、本發(fā)明涉及一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置，所述裝置由電弧增材制造部分、流體冷卻部分、測(cè)控部分與有限元模型部分組成。

3、所述電弧增材制造部分包括焊接電源、焊槍、送絲機(jī)、機(jī)器人、工作臺(tái)、基板、夾具、構(gòu)件等構(gòu)成。電弧增材制造前，將基板表面清理干凈，用夾具將基板固定在工作臺(tái)上。送絲機(jī)持續(xù)地將焊絲送入焊槍，焊絲在焊接電源的作用下變成熔滴，焊槍按預(yù)設(shè)路徑移動(dòng)，逐層沉積直至完成目標(biāo)構(gòu)件。

4、所述流體冷卻部分主要由帶有冷卻管道的移動(dòng)壓板、水槽、循環(huán)水泵、進(jìn)/出水溫度計(jì)所組成。由于多道多層搭接特點(diǎn)，構(gòu)件表面呈波浪狀。為了保證構(gòu)件與移動(dòng)壓板間充分接觸，移動(dòng)壓板表層是由可變形的金屬箔片覆蓋，里面裝有導(dǎo)熱顆粒。構(gòu)件的左、右及頂部均設(shè)有移動(dòng)壓板。

5、所述測(cè)控部分是連接電弧增材制造部分與流體冷卻部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)記錄焊接過(guò)程中的電流與電壓變化情況，結(jié)合冷卻前后特征點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度，并將收集到的流體溫度、速度等信息傳入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出指令，實(shí)時(shí)微調(diào)流體溫度、速度等冷卻參數(shù)，以達(dá)到理想的冷卻效果。

6、所述有限元模型部分采用裝載有限元模擬軟件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的，根據(jù)提前設(shè)定的電弧模式、掃描路徑、層間溫度與流體冷卻參數(shù)等，計(jì)算出所需要的層間冷卻時(shí)間，與預(yù)期時(shí)間進(jìn)行比較。如兩者間差別較大，則通過(guò)改變流體冷卻參數(shù)來(lái)縮小差距。

7、一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的方法，包括以下步驟：

8、步驟一：驗(yàn)證電弧增材制造有限元模型的有效性。

9、（1）采用jmatpro軟件獲得材料的熱物參數(shù)。（2）根據(jù)電弧增材制造焊道形貌確定熱源類型及參數(shù)，采用fortran語(yǔ)言進(jìn)行熱源子程序編程。（3）建立電弧增材制造三維有限元模型，劃分單元網(wǎng)格，確定單元類型。（4）設(shè)定載荷及熱交換邊界條件。（5）提交運(yùn)算，驗(yàn)證有限元與試驗(yàn)中特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線。

10、步驟二：根據(jù)增材制造工藝，預(yù)估冷卻至層間溫度所需時(shí)間，確定相關(guān)冷卻參數(shù)。

11、對(duì)于電弧增材制造來(lái)說(shuō)，熱量累積主要與焊接電流、焊接電壓、移動(dòng)路徑及散熱條件有關(guān)。移動(dòng)壓板是冷卻增材制造部件的關(guān)鍵裝置，影響冷卻效果的主要參數(shù)有：管道直徑、流體速度、流體溫度、管道在壓板內(nèi)排布等。根據(jù)所構(gòu)建的電弧增材制造模型，獲得耦合流體冷卻系統(tǒng)時(shí)增材制造構(gòu)件的溫度分布情況，分析各冷卻工藝參數(shù)對(duì)層間等待時(shí)間的影響規(guī)律。依據(jù)增材制造工藝所要求的層間等待時(shí)間，反推出所需要的冷卻工藝參數(shù)。當(dāng)層間等待時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，需調(diào)整冷卻系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)參數(shù)與流體速度等。直至層間等待時(shí)間滿足生產(chǎn)需求。

12、步驟三：?jiǎn)?dòng)電弧增材制造機(jī)構(gòu)，逐層堆積。

13、按照預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)進(jìn)行沉積，采用非接觸式溫度測(cè)量系統(tǒng)，包括紅外溫度計(jì)與紅外高溫計(jì)。記錄實(shí)際的層間等待時(shí)間，并與目標(biāo)時(shí)間進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)際的層間等待時(shí)間大于目標(biāo)時(shí)間，采用提高流體速度、增加移動(dòng)壓板壓力等方法，提高熱傳遞效率。

14、步驟四：堆積完成。待層間溫度降至設(shè)定溫度后，進(jìn)行下一層沉積。重復(fù)步驟三，直至完成構(gòu)件剩余部分的沉積工作。撤去流體冷卻部分，焊槍恢復(fù)初始位置，等待下次工作。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

16、（1）采用流體冷卻裝置，有效減輕電弧增材制造過(guò)程中的熱量累積，大幅降低層間等待時(shí)間，顯著提高生產(chǎn)效率。

17、（2）能夠?qū)崿F(xiàn)層間溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，晶粒不易粗大，組織均勻性得到改善，力學(xué)性能得到顯著提升。

18、（3）基于驗(yàn)證過(guò)的有限元模型，結(jié)合流體冷卻系統(tǒng)，不受構(gòu)件形狀尺寸限制，具有很強(qiáng)的適用性。

技術(shù)特征：

1.一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的方法，其特征在于該制造方法采用的裝置由電弧增材制造部分、流體冷卻部分、測(cè)控部分與有限元模型部分組成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置中的電弧增材制造部分包括焊接電源、焊槍、送絲機(jī)、機(jī)器人、工作臺(tái)、基板、夾具、構(gòu)件等構(gòu)成。電弧增材制造前，將基板表面清理干凈，用夾具將基板固定在工作臺(tái)上。送絲機(jī)持續(xù)地將焊絲送入焊槍，焊絲在焊接電源的作用下變成熔滴，焊槍按預(yù)設(shè)路徑移動(dòng)，逐層沉積直至完成目標(biāo)構(gòu)件。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置中的流體冷卻部分主要由帶有冷卻管道的移動(dòng)壓板、水槽、循環(huán)水泵、進(jìn)/出水溫度計(jì)所組成。由于多道多層搭接特點(diǎn)，構(gòu)件表面呈波浪狀。為了保證構(gòu)件與移動(dòng)壓板間充分接觸，移動(dòng)壓板表層是由可變形的金屬箔片覆蓋，里面裝有導(dǎo)熱顆粒。構(gòu)件的左、右及頂部均設(shè)有移動(dòng)壓板。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置中的測(cè)控部分是連接電弧增材制造部分與流體冷卻部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)記錄焊接過(guò)程中的電流與電壓變化情況，結(jié)合冷卻前后特征點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度，并將收集到的流體溫度、速度等信息傳入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出指令，實(shí)時(shí)微調(diào)流體溫度、速度等冷卻參數(shù)，以達(dá)到理想的冷卻效果。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置中的有限元模型部分采用裝載有限元模擬軟件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的，根據(jù)提前設(shè)定的電弧模式、掃描路徑、層間溫度與流體冷卻參數(shù)等，計(jì)算出所需要的層間冷卻時(shí)間，與預(yù)期時(shí)間進(jìn)行比較。如兩者間差別較大，則通過(guò)改變流體冷卻參數(shù)來(lái)縮小差距。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種提高厚壁構(gòu)件電弧增材制造效率的裝置及方法，所述裝置由電弧增材制造部分、流體冷卻部分、測(cè)控部分與有限元模型部分組成。在電弧增材制造過(guò)程中，流體冷卻部分主要由帶有冷卻管道的移動(dòng)壓板、水槽、循環(huán)水泵及進(jìn)/出水溫度計(jì)所組成，移動(dòng)壓板分布于成形件三個(gè)方向上，能夠有效帶走沉積過(guò)程中的熱量。測(cè)控部分負(fù)責(zé)記錄弧焊的電流與電壓變化情況，結(jié)合冷卻效果，經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出指令，實(shí)時(shí)調(diào)整流體溫度與速度等冷卻參數(shù)。有限元模型部分負(fù)責(zé)根據(jù)預(yù)定工藝參數(shù)預(yù)估所需要的層冷時(shí)間，并根據(jù)目標(biāo)值對(duì)冷卻工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明能夠以較短的層間等待時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造過(guò)程中層間溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，不但提高生產(chǎn)效率，而且保證組織性能的均勻性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉倩,李佳凝,田亞強(qiáng),陳連生
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華北理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21