[发明专利]用于电弧增材制造基材的温度控制的装置及控制方法

说明书

本发明公开了用于电弧增材制造基材的温度控制的装置及控制方法，包括打印工作台，打印工作台的下方设置有温度控制器、油温机，打印工作台上设置有通油基材、工业风扇组，工业风扇组设置于通油基材的侧方，打印工作台的一侧设置有打印机器人，打印机器人的焊枪头上设置有红外线测温仪，油温机与通油基材连接，通油基材上设置有热电偶，温度控制器分别与油温机、工业风扇组、红外线测温仪、热电偶连接。本发明解决了现有电弧增材制造过程集采与零件的热积累过高导致的散热困难、组织不均匀以及打印初始阶段基材温度太低而导致的熔池不稳定、飞溅的问题。

技术领域

本发明属于金属材料成形技术领域，涉及用于电弧增材制造基材的温度控制的装置，还涉及用于电弧增材制造基材的温度控制的方法。

背景技术

电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)是一种定向能量沉积的增材制造方法，是基于离散、堆积的制造原理，以冷金属过渡堆焊(Cold Metal Transfer,CMT)、熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)、非熔化极气体保护焊(GasTungsten Arc Welding,GTAW)以及等离子弧焊(Plasma Arc Welding,PAW)等焊机产生的电弧为高能热源，将金属丝材熔化，在程序的控制下，按照预设路径，由“线-面-体”逐渐堆积成形出金属零件的先进制造技术。WAAM不仅具有一般增材制造技术的优点，无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造，而且具有堆积速率高、材料利用率高、生产成本低、对零件尺寸限制少优点，同时还具备大尺寸零件快速成形的能力。

镁合金作为一种轻质金属材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼好、电磁屏蔽等优良性能，在航空航天、汽车、电子等领域具有巨大的应用潜力。镁合金因其高比强度和比刚度而闻名，可以作为钢和铝合金的替代品，有望成为绿色、轻质结构材料的首选品而得到广泛的关注。然而，由于镁合金易氧化燃烧，延展性差，难以用常规制造方法生产一些复杂的结构件。电弧增材制造因具有成形质量高、堆积速率高、成本相对较低等优点，被认为是镁合金最合适的一种快速成形技术。然而，在成形过程中，现有电弧增材制造技术基材与其上堆焊层之间的温度差很大，最初沉积的材料由于基材的初始温度较低，其热量快速消散而获得较大的过冷度，组织细小、力学性能较好；然而，随着堆焊层数的增多，已沉积部分与基材热量不断积累过多，温度会迅速上升。此时，基材和堆焊层，二者的热量差逐渐消失，热传导及与周围环境的热对流传递效率也大幅度降低，基材对熔池的冷却能力有限，冷却效果减弱，这将使堆焊层组织变得粗大，力学性能变差。另一方面，如果熔池的热量难以消散，始终处于较高的温度，这也将增加焊件产生焊瘤等缺陷的可能性。这是由于从冶金学的角度，合金液的流动性与其温度呈正比，流动性增加导致熔池内金属液流淌到下层已凝固金属表面产生焊瘤。因此，为了得到显微组织和力学性能都符合要求的产品，必需在电弧增材制造过程中对已堆焊层和基材内部的热积累进行一定的控制，并且使基板与堆焊层的温度梯度始终处于有利的熔池热量消散的情况。简言之，就是在WAAM过程中必须要控制基材温度，无论是启焊初始阶段，还是焊中和焊尾阶段，目的都是要及时通过基材的温度控制，以间接控制堆焊层熔池的温度和冷却条件，以确保堆焊层熔池的冷却和凝固条件，以达到控制堆焊层的组织和力学性能的目的。

发明专利(用于焊接工艺，特别是电弧增材制造工艺的均匀冷却装置，申请号：201980024592.1，公开号：CN111936258A)公开了一种电弧增材制造工艺的均匀冷却装置，本冷却装置通过将基材布置在冷却介质中，使基材与冷却介质直接接触，并且所述基材的表面位于冷却介质液位的上方，从而使电弧增材制造过程中零件所积累的热量可以通过冷却介质迅速散失。