[發明專利]一種輔助電弧增材制造的主動冷卻系統

有效

• 申請號: 202110305284.5
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN112935642B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 魏艷紅;龍金衛;趙文勇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K37/00
• 分類號: B23K37/00;B23K9/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種電弧增材制造過程壓縮冷空氣的主動冷卻裝置及方法，所述裝置由電弧增材制造部分、壓縮冷卻部分和測控部分組成，該裝置能將冷空氣冷卻壓縮，并在電弧增材制造過程中通過特定噴嘴噴出，達到快速冷卻的作用，從而減少加工過程中的熱積累效應，提高加工效率和成形精度。該發明所述方法包括以下步驟：步驟一：跟據成型零件形狀設置空冷裝置的姿態變更規則；步驟二：打開裝置電源，設置電弧增材制造堆積路徑；步驟三：打開氣閥、壓縮冷卻裝置以及測控系統；步驟四：開始堆積零件，各個部分按照預先設置規則進行高效堆積。

技術領域

本發明專利包含一種輔助電弧增材制造的主動冷卻系統，能夠在電弧增材制造過程中對零件進行快速有效的冷卻。

背景技術

電弧增材制造技術是一種基于堆焊原理發展起來的技術。該技術以電弧為熱源，將金屬快速熔化并逐層熔覆在基板表面，從而實現金屬的快速堆積成形。電弧增材制造整個過程無需模具，且熱輸入量大，熔覆速度快，具有較高的材料利用率和低成本的優點。

“控形”是電弧增材制造的核心問題之一，電弧增材制造過程中的大的熱輸入也帶來了嚴重的熱積累效應，很大程度上影響了零件的成形性能和精度。在實際的生產過程中，最常用的緩解熱累積效應的方法主要基于以下兩種思路：一種是通過降低電弧本身的熱輸入量來緩解熱積累效應，常見的方法是CMT(冷金屬過渡)技術、調節合適的參數配置等；另一種則是增加熱交換的時間從而達到散熱的目的，常用的方法就是增加層間冷卻。以上兩條常見的思路易于實現且能夠有效的增加成形精度，但明顯的降低了成形的效率。而相較于以上兩條思路，還有一種思路實現相對復雜，但在效果上卻有更大的優勢——引入冷卻介質。我們可以通過特定的設計，讓冷卻介質在不影響成型過程和電弧穩定性的情況下加速熱對流或將熱對流變為熱傳導的形式，加速熱量的散失，從而達到在不降低效率的情況下有效控制熱輸入量，提高成型精度。本發明則是基于第三種思路來靈活有效控制電弧增材制造零件精度的。

發明內容

電弧增材制造過程中的熱積累效應會嚴重影響零件的精度，甚至導致零件無法成形。本發明提出了一種輔助電弧增材制造的主動冷卻系統，通過合理的裝置結構和參數實現電弧增材制造高效、高精度的成形。

本輔助系統分為堆焊系統、測控系統和冷卻系統三個部分，為實現以上的目的，本發明設計的冷卻裝置技術特征包括如下：

(1)本發明的創新特點在于特定的噴嘴設計，能有效地降低冷卻氣流對電弧穩定性的影響；特定的機械臂組合能實現多位置，多姿態的調整；適用的姿態調整策略結合測控系統的實時監測與控制，能靈活、高效的解決電弧增材制造過程中的熱積累問題。

(2)冷卻系統由變位裝置、噴嘴、氣瓶和壓縮冷卻裝置組成，其中變位裝置由若干零件組成，固定在焊槍上側，整體隨焊槍移動。變位裝置均在一個平面內，零件由4-5個關節連接，每個關節都可受到測控系統的控制，其中有一個關節轉動會調節整個變位裝置平面與焊槍的夾角，其余關節則是控制調整變位裝置所在平面的姿態。

(3)測控系統主要由計算機控制系統、數據采集卡以及數個水平儀和距離傳感組成。其中噴嘴上置有的水平儀和距離感應器分別負責收集噴嘴的傾斜角度以及與基板和零件的距離數據，這些數據配合其它部位的傳感器，就能精確的獲得噴嘴的位置與姿態，并通過計算機控制系統根據工作需求發出應對指令，精準的冷卻需要的位置。

基于上述裝置的功能，需通過如下技術步驟實現：

步驟一：定義冷卻裝置姿態的調整規則。為保證冷卻氣流不會影響電弧穩定性，同時又盡可能的提高局部冷卻效果，冷卻氣噴嘴與基板和堆積件的距離與夾角須保持在特定范圍，并會隨著堆積過程中條件的改變做出調整。對于簡單的薄壁零件堆積，噴嘴與基板距離小于一定值時，噴嘴與基板的夾角應介于45°與90°之間，隨著堆積高度的增加，噴嘴與基板的夾角應逐漸減小，而距離增加，直至噴嘴最準堆積件和基板的連接處，此時噴嘴與基板和堆積件都成45°，隨著對及高度繼續增持加，噴嘴將對準堆焊零件壁冷卻，并與堆焊件呈現一定角度，此時角度介于45°與90°之間變化。