CN111266705A - 一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置。该装置包括圆形紧固器、可伸缩柔性连接支架、整平探头。其中，圆形紧固器开有4个贯穿的紧固阀安装孔，安装孔两两对称；可伸缩柔性连接支架内开有3条冷却液流通腔道，主腔道为冷却液流入道，副腔道为冷却液回流道。连接支架的一端和圆形紧固器固定连接，另一端和整平探头相接；整平探头由金属基座和T形陶瓷垫片两部分组成；所述的金属基座和陶瓷垫片内部均开有冷却液流通室并能够实现密封结合。本发明提供的装置结构简单，能够有效解决熔化极电弧增材直壁体增材过程中熔池流淌，侧壁台阶效应的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属电弧增材制造领域，具体涉及一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置。
背景技术
电弧增材是一种使用电弧熔化金属细丝(填充材料)进行堆积成形的制造技术。其常用的热源有熔化极电弧(MIG)、等离子电弧(PAW)、非熔化极电弧(TIG)。与以高能束(如激光、电子束)为热源的增材制造技术相比，电弧增材具有熔覆效率高、设备简单、能耗和生产成本低等显著特点，是一种拥有巨大潜力的生产制造技术。
容易知道，增材制造虽然生产效率高且生产成本低，但生产出来的零件表面质量较差。影响零件表面质量的因素有很多，其中，台阶效应是导致零件表面质量差的一个重要因素。电弧增材制造技术加工过程中层厚较大，台阶效应更加明显，生产的零件表面质量更差；此外，电弧增材堆积薄壁件时，熔池流淌也是影响表面质量的一个突出问题。从现有的研究来看，解决电弧增材件表面质量问题的方法初见于改进工艺参数等方面。如西南交通大学熊俊等人研究了层间温度、送丝速度、焊枪行进速度以及送丝速度和行进速度比率对薄壁件侧壁质量的影响。并得出结论：(1)保持其他参数不变，降低层间温度有利于提高表面质量；(2)保持送丝速度与行进速度的比率恒定，增加送丝速度有利于提高表面质量；(3)较低的送丝速度与较低的行进速度相匹配可以降低表面粗糙度。佛罗里达大学李志雄等人指出，熔积层厚度、堆覆方向也会影响增材件表面质量。鉴于现有关于电弧增材表面质量的研究情况以及存在的不足，本发明公开了一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，旨在解决薄壁件电弧增材过程中熔池流淌，侧壁台阶效应的问题。
发明内容
发明目的
本发明目的在于公开了一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，旨在解决薄壁件电弧增材过程中熔池流淌，侧壁台阶效应的问题。
为更好地实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明公开了一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，该
装置由圆形紧固器、可伸缩柔性连接支架、整平探头三部分组成。圆形紧固器通过紧固阀固定到焊枪喷嘴上；可伸缩柔性连接支架内部开有条冷却液流通腔道，主腔道为冷却液流入道，副腔道和副腔道为冷却液回流道。连接支架一端和圆形紧固器固定连接，一端和整平探头丝接；整平探头由金属基座和T形陶瓷垫片两部分组成。金属基座和陶瓷垫片内部均开有冷却液流通室并能够实现密封结合。伸缩柔性连接支架可进行水平方向和竖直方向上的位移。
其中水平方向上的移动用于控制两整平探头之间的水平距离；竖直方向上的位移用于调节整平探头距离基板的距离。腔道内的冷却液流动速度与T形陶瓷垫片表面的温度关联，随着陶瓷垫片表面温度的增加，冷却液流动速度增加，以将温度控制在一定的范围内。整个装置固定在焊枪上，增材过程中随着焊枪做相同的运动。整平探头和熔池接触，当有金属溶液越过熔池边缘向外溢出时将会受到T形陶瓷垫片的阻挡而无法继续向外流动。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，圆形紧固器开有4个贯穿的紧固阀安装孔，安装孔位置两两对称。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，可伸缩柔性连接支架内部开有3条冷却液流通腔道，其中主腔道作为冷却液流入道直径为4mm，副腔道和副腔道为冷却液回流道，直径均为2mm。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，整平探头可进行竖直和水平方向上的位移。水平方向上，选取熔池边界为0刻度，向熔池轴心移动的方向为正方向。整平探头在水平方向上的移动范围为0～4mm；竖直方向上，增材层数小于等于3时，整平探头和基板之间的竖直距离为0mm，堆积层数大于等于4时，则要对整平做如下调整：以当前道表面所在位置为界：陶瓷垫片在当前道表面以上伸出高度为6mm，界面以下伸出长度为4mm。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，整平探头由金属基座和T形陶瓷垫片组成。金属基座和T形陶瓷垫片内部开有冷却液流通室。冷却液从主腔道进入整平探头后，经驻留室(带走热量)从冷却液回流室返回流出。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，冷却液流动速度与T形陶瓷垫片表面温度关联。随着陶瓷垫片表面温度的增加，冷却液流动速度增加。冷却液的散热速率满足以下等式关系：
P＝C×ρ×v4π×(25-T)
等式中：P——冷却液散热速率；C——冷却液比热容；ρ——冷却液密度；v——冷却液流动速度；T——冷却液流出温度。
结合上述可能的实现方式，作为优选方式，金属基座选用铜质材料加工，陶瓷垫片选用氮化铝陶瓷材料加工。
本发明相对于现有技术变比具有显著优点为：
本发明提供的装置结构简单，能够有效解决熔化极电弧增材直壁体增材过程中熔池流淌，侧壁台阶效应的问题。
附图说明
图1本发明的装置结构示意图。
图2增材第一层工作示意图。
图3增材多层后工作示意图。
图1中：1是送丝系统；2是焊枪喷嘴；3是紧固阀；4是可伸缩柔性连接支架；5是副腔道；6是主腔道；7是副腔道；8是金属基座；9是冷却液回流室；10是陶瓷垫片；11是冷却液驻留室；12是冷却液回流室；13是圆形紧固器；14是电弧；15是增材薄壁件；16是基板。
具体实施方式
为了使本发明的创新点以及能实现的功能直观、明了，下面将结合附图和具体实例对所述装置做更进一步的阐述说明。要说明的是，提供的实施例只是本发明应用的其中一种，并不能限制本发明的应用范围。
以福尼斯CMT单丝焊接系统增材高氮钢直壁体薄壁件为例。
本实施例按以下步骤进行：
步骤一：检查焊接设备并按实验室操作要求打开设备电源，使设备处于开机状态；
步骤二：将装置安装到焊枪喷嘴上，调准好位置后，紧固；
步骤三：调节整平探头位置
(1)将焊枪移动到起弧位置，设定干伸长为15mm；
(2)竖直方向上，移动整平探头，使得整平探头和基板接触；
(3)水平方向上，以焊丝为中线，分别移动两个整平探头，使得T形陶瓷垫片平口端距离焊丝2～4mm，具体长度根据单道熔宽而定。大致是比不加约束时熔宽小2mm；
步骤四：打开冷却液回流阀，待回流2min后，开始增材。
作为优选方式，要引起注意的是：可伸缩柔性连接支架4内部开有3条冷却液流通腔道，其中主腔道6作为冷却液流入道直径为4mm，副腔道5和副腔道7为冷却液回流道，直径均为2mm。
作为优选方式，要引起注意的是：整平探头可进行竖直和水平方向上的位移。水平方向上，选取熔池边界为0刻度，向熔池轴心移动的方向为正方向。整平探头在水平方向上的移动范围为0～4mm；竖直方向上，增材层数小于3时，整平探头和基板之间的竖直距离为0mm，堆积层数大于4时，则要对整平做如下调整：以当前道表面所在位置为界：陶瓷垫片在当前道表面以上伸出高度为6mm，界面以下伸出长度为4mm。
作为优选方式，要引起注意的是：整平探头由金属基座8和T形陶瓷垫片10组成。金属基座8和T形陶瓷垫片内部开有冷却液流通室9、11、12，其中腔室11为驻留室，腔室9、12为冷却液回流室。冷却液从主腔道6进入整平探头后，经驻留室(带走热量)从冷却液回流室9、12返回流出。冷却液流动速度与T形陶瓷垫片表面温度关联，随着温度的增加，冷却液流动速度增加。T形陶瓷垫片10表面温度的控制范围为1000℃～1200℃。
作为优选方式，要引起注意的是：金属基座选用铜制材料加工，陶瓷垫片选用氮化铝陶瓷材料加工。
在这里要说明的是：所述装置不仅仅局限于实施例中安装到CMT焊枪上这一种方式，可根据具体需求，在不付出创造性劳动的情况下，可以对本装置进行改进且用等效物件替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术均可以任意方式组合起来。
Claims (7)
1.一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：包括：装置圆形紧固器、可伸缩柔性连接支架、整平探头三部分组成；圆形紧固器通过紧固阀(3)固定到焊枪喷嘴(2)上；可伸缩柔性连接支架(4)内部开有(3)条冷却液流通腔道，主腔道(6)为冷却液流入道，副腔道(5)和副腔道(70为冷却液回流道；连接支架一端和圆形紧固器固定连接，另一端和整平探头连接；整平探头由金属基座(8)和T形陶瓷垫片(10)两部分组成；金属基座(8)和陶瓷垫片(10)内部均开有冷却液流通室(9、11、12)并能够实现密封结合。
2.根据权利要求1所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：圆形紧固器开有4个贯穿的紧固阀安装孔，安装孔位置两两对称。
3.根据权利要求1所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：可伸缩柔性连接支架(4)内部开有3条冷却液流通腔道，其中主腔道(6)作为冷却液流入道直径为4mm，副腔道(5)和副腔道(7)为冷却液回流道，直径均为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：整平探头可进行竖直和水平方向上的位移，水平方向上，选取熔池边界为0刻度，向熔池轴心移动的方向为正方向；整平探头在水平方向上的移动范围为0～4mm；竖直方向上，增材层数小于等于3时，整平探头和基板之间的竖直距离为0mm，堆积层数大于等于4时，则要对整平做如下调整：以当前道表面所在位置为界：陶瓷垫片在当前道表面以上伸出高度为6mm，界面以下伸出长度为4mm。
5.根据权利要求4所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：整平探头由金属基座(8)和T形陶瓷垫片(10)组成；金属基座(8)和T形陶瓷垫片内部开有冷却液流通室(9、11、12)，其中腔室(11)为驻留室，腔室(9、12)为冷却液回流室；冷却液从主腔道(6)进入整平探头后，经驻留室带走热量从冷却液回流室(9、12)返回流出。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：T形陶瓷垫片表面的温度(10)与冷却液流动速度关联；在增材过程中，通过调节冷却液在腔道内的流动速度，将T形陶瓷垫片10表面的温度控制在1000℃～1200℃的温度范围内。
7.根据权利要求5所述的一种控制熔化极电弧增材直壁体侧壁成形的装置，其特征在于：金属基座选用铜制材料加工，陶瓷垫片选用氮化铝陶瓷材料加工。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200612 |
|
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