本發(fā)明涉及電弧增材制造，特別是涉及一種層間快速冷卻電弧增材制造的裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、電弧增材制造(arc?additive?manufacturing，簡稱waam)是增材制造技術(shù)中的一種典型工藝，通過將焊接技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將所需打印的工件三維模型導(dǎo)入電弧增材軟件，進(jìn)行切片并生成增材路徑，焊接機(jī)器人按照增材路徑打印工件，過程中利用電弧將焊絲熔化后凝固成形，分層熔敷，直至工件打印完成。電弧增材制造技術(shù)具有材料利用率高、成型效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于waam的分層堆積特性，在構(gòu)件的制造過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的熱積累、粗糙的微觀結(jié)構(gòu)和不足的機(jī)械性能。
2、通過優(yōu)化焊接參數(shù)、保護(hù)氣體和焊絲成分等來增強(qiáng)增材過程的穩(wěn)定性和工件的力學(xué)性能。然而，增材過程中的層間處理工藝同樣關(guān)鍵，合理的層間處理工藝可以顯著改善waam構(gòu)件的組織和力學(xué)性能。但是，還需考慮時(shí)間和流程成本的問題。采用層間快速冷卻，保證構(gòu)件生產(chǎn)整體效率的同時(shí)，減少層間熱積累。通過控制層間溫度，可調(diào)節(jié)材料的凝固速度和熱處理歷史，進(jìn)而影響微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒大小、相組成和晶界特性等，這對增材工件的力學(xué)性能至關(guān)重要。
3、目前，通過調(diào)節(jié)層間溫度來控制增材制造過程的研究還相對欠缺。此外，由于增材制造中的熱積累效應(yīng)，目前研究中難以精確控制層間溫度，這可能導(dǎo)致工件質(zhì)量出現(xiàn)不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在電弧增材制造過程中實(shí)現(xiàn)層間快速冷卻，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種層間快速冷卻電弧增材制造的裝置及方法，以冷卻液作為冷卻介質(zhì)，通過升降柱靈活切換電弧增材制造過程以及冷卻狀態(tài)，邊焊接邊冷卻，實(shí)現(xiàn)層間快速冷卻，將增材過程中產(chǎn)生的過多熱量及時(shí)導(dǎo)出，避免了形件過熱，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高效增材制造。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：
3、一種層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，包括電弧增材設(shè)備、冷卻缸、基座、絕熱層、加熱裝置、升降裝置以及溫度控制系統(tǒng)；
4、所述冷卻缸開口向上、且位于基座的下方，用于盛裝冷卻液；所述冷卻缸的上設(shè)置有進(jìn)液閥和排液閥；絕熱層設(shè)置在基座的底部，加熱裝置用于加熱基座和增材工件，
5、所述升降裝置與基座相連，用于調(diào)節(jié)基座與冷卻缸的相對高度；
6、所述絕熱層底部與冷卻缸底面之間設(shè)置可伸縮的隔擋層防止冷卻液進(jìn)入絕熱層下方；
7、所述溫控系統(tǒng)包括設(shè)置在冷卻缸內(nèi)的第一溫度傳感器，用于檢測增材工件溫度的第二溫度傳感器，以及控制器；所述控制器分別與電弧增材設(shè)備、升降裝置、進(jìn)液閥、排液閥、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器及加熱裝置相連，用于監(jiān)測冷卻液、增材工件的溫度，以及控制升降裝置、冷卻液循環(huán)和加熱裝置的加熱功率。
8、進(jìn)一步地，所述升降裝置為多個(gè)可伸縮的升降柱，升降柱位于隔擋層與絕熱層、冷卻缸底面圍成的密閉空間內(nèi)。
9、進(jìn)一步地，所述第二溫度傳感器為非接觸式的溫度傳感器。
10、進(jìn)一步地，所述伸縮柱為四個(gè)，且在圓周方向上均勻布設(shè)。
11、進(jìn)一步地，所述加熱裝置為設(shè)置在基座下方、且穿透絕熱層與基座抵接的加熱柱。
12、進(jìn)一步地，所述電弧增材設(shè)備包括焊槍、焊絲、送絲裝置、保護(hù)氣噴嘴，所述焊槍、焊絲、送絲裝置、保護(hù)氣噴嘴均位于基座的正上方。
13、基于所述層間快速冷卻的電弧增材制造裝置的電弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
14、s1.將電弧作為焊接熱源，送絲裝置將焊絲作為熔化極由焊槍送出，焊槍位于基板上方，焊槍外設(shè)有保護(hù)氣噴嘴，將增材使工件的基板固定于基座上；
15、s2.通過升降裝置調(diào)節(jié)基座高度至位于冷卻缸的2/3高度處，向冷卻缸中注入冷卻液；
16、s3.再次調(diào)節(jié)升降裝置，使基座位于冷卻液上方1～2cm處，在基板上選定起熄弧位置，設(shè)定保護(hù)氣噴嘴在焊接起弧前0.5s開始噴氣，通過加熱裝置將基板和/或增材工件預(yù)熱至工藝要求溫度；
17、s4.完成第一焊道后，關(guān)閉焊槍，保護(hù)氣體繼續(xù)送氣3～5s，然后將焊槍提高2～3cm，將其移至適當(dāng)位置，調(diào)節(jié)升降裝置使基座上的基板和/或增材工件表面在冷卻液下方5～10mm，進(jìn)行冷卻；
18、s5.冷卻完成后，調(diào)節(jié)升降裝置使基座上的基板和/或增材工件表面在冷卻液上方5～10mm，干燥增材工件，干燥增材工件，并循環(huán)步驟s3、s4，直至完成增材工件的制造。
19、進(jìn)一步地，所述步驟s3和s4中，堆焊層包含多道焊縫，完成前一道焊縫后，焊槍移1～2cm進(jìn)行下一道堆焊。
20、進(jìn)一步地，所述保護(hù)氣噴嘴噴出的保護(hù)氣體流量為15～25l/min，所述保護(hù)氣體為純氬、純氦中的一種或兩種的混合保護(hù)氣體。
21、進(jìn)一步地，所述焊絲的直徑為0.8mm～2.4mm，所述焊絲的干伸長長度為焊絲的直徑的10～15倍。
22、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：
23、本發(fā)明提供的層間快速冷卻的電弧增材制造裝置及方法，采用冷卻液作為冷卻介質(zhì)，通過伸縮柱對增材工件的高度位置進(jìn)行調(diào)整，加熱柱可對基板進(jìn)行預(yù)加熱。在電弧增材制造過程中，每完成一道焊縫，則將工件移動(dòng)至冷卻液下方實(shí)現(xiàn)層間快速冷卻，解決了電弧增材過程中熱積累嚴(yán)重的問題，有效避免增材制造時(shí)低熔點(diǎn)合金塌陷的問題，同時(shí)可解決因熱積累導(dǎo)致的晶粒粗大且分布不均勻的缺點(diǎn)，使得增材制造過程中焊接穩(wěn)定，成形質(zhì)量良好，工藝可靠性增加；此外，由于在基板上進(jìn)行電弧增材時(shí)，基板溫度處于室溫，通過對基板的加熱可提高第一層焊接質(zhì)量，從而提高電弧增材制造工件的效率。
1.一種層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，包括電弧增材設(shè)備、冷卻缸(10)、基座(5)、絕熱層(6)、加熱裝置、升降裝置以及溫度控制系統(tǒng)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，所述升降裝置為多個(gè)可伸縮的升降柱(8)，升降柱(8)位于隔擋層(7)與絕熱層(6)、冷卻缸(10)底面圍成的密閉空間內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，所述第二溫度傳感器為非接觸式的溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，所述升降柱(8)為四個(gè)，且在圓周方向上均勻布設(shè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層間快速冷卻的電弧增材制造裝置，其特征在于，所述加熱裝置為設(shè)置在基座(5)下方、且穿透絕熱層(6)與基座(5)抵接的加熱柱(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層間快速冷卻電弧增材制造的裝置，其特征在于，所述電弧增材設(shè)備包括焊槍(1)、焊絲(2)、送絲裝置、保護(hù)氣噴嘴，所述焊槍(1)、焊絲(2)、送絲裝置、保護(hù)氣噴嘴均位于基座(5)的正上方。
7.基于權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述層間快速冷卻的電弧增材制造裝置的電弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的層間快速冷卻電弧增材制造的方法，其特征在于，所述步驟s3和s4中，堆焊層包含多道焊縫，完成前一道焊縫后，焊槍移1～2cm進(jìn)行下一道堆焊。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的層間快速冷卻電弧增材制造的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣噴嘴噴出的保護(hù)氣體流量為15～25l/min，所述保護(hù)氣體為純氬、純氦中的一種或兩種的混合保護(hù)氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的層間快速冷卻電弧增材制造的方法，其特征在于，所述焊絲的直徑為0.8mm～2.4mm，所述焊絲的干伸長長度為焊絲的直徑的10～15倍。