[发明专利]用于金属焊接的流体冷却的接触末端组件

说明书

本发明提供了一种流体冷却的接触末端组件，该组件可用于这样的方法和系统中：这些方法和系统用于通过实体自由成形制造技术制造各物体，尤其是钛和钛合金物体，其中通过增加穿过金属线的电荷流速来增加沉积速率。

技术领域

本发明涉及一种通过实体自由成形制造技术制造物体的方法和装置，上述物体尤其是钛和钛合金物体。

背景技术

钛或钛合金制成的结构化金属部件通常是通过铸造、锻造或机加工坯料而制成。这些技术的缺点是昂贵的钛金属材料浪费大，并且在金属部件的制造中需要很长的准备时间。

完全致密的物理物体可以通过被称为快速成型、快速制作、分层制造、实体自由成形制造、增材制作、增材制造或3D打印的制造技术来制造。这种技术使用计算机辅助设计软件(CAD)来首先构建待制作物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行式切片或层。然后，可以通过铺设连续的原材料层来制造物理物体，所述原材料层为液体糊状物、粉末或其它可分层、可铺展或流体形式，例如熔化的金属，例如来自熔化的焊线，或者预制为类似于虚拟层形状的片状材料，直到整个物体形成。这些层融合在一起，形成一个实心的致密物体。

实体自由成形制造是一种灵活的技术，能够以相对较快的生产率制造几乎任何形状的物体，通常每个物体的生产率从几个小时到几天不等。因此，这种技术适合于成形样机和小的生产量，并且可以扩大规模用于大批量生产。

分层制造技术可以扩展到包括建筑材料碎片的沉积，也就是说，物体虚拟模型的每个结构层被分成一组碎片，这些碎片并排放置时形成该层。这使得这样形成金属物体：根据物体的虚拟分层模型将金属线焊接到形成每一层的连续条带的基底上，并对每一层重复该过程，直到整个物理物体形成为止。该焊接技术的精度通常太差，不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，成形的物体通常被认为是生坯物体或预成型物，需要加工成可接受的尺寸精度。

电子束自由成形制造技术是本领域已知的(例如，参见2002年8月5日至7日在德克萨斯州奥斯汀举行的第十三届实体自由成形制造研讨会上Taminger和Hafley的《电子束自由成形制造技术生产的2219铝的表征》；会议记录，德克萨斯大学奥斯汀分校(2002年)；第三届汽车复合材料年会论文集中《电子束自由成形制造技术：快速金属沉积工艺》，作者Taminger和Hafley，2003年9月9-10日，密歇根州特洛伊市塑料工程师协会(2003年)；以及Taminger和Hafley的《用于低成本近净形制造的电子束自由成形制造技术》，关于通过净形状加工进行成本效益制造的NATO/RTOAVT-139专家会议(荷兰阿姆斯特丹市，2006年)(NATO)，第9-25页))。Taminger和Hafley(2006年)描述了一种直接用计算机辅助设计数据结合电子束自由成形制造(EBF)技术制造结构化金属部件的方法和装置。该结构化部件是通过在金属焊线的连续层上焊接而成的，该金属焊线由电子束提供的热能进行焊接。EBF工艺包括：在高真空环境中，将金属线熔化到由聚焦电子束制造和维持的熔池中。电子束和焊线的定位是通过如下方式来实现的：使电子束炬和支撑基底的致动器沿着一个或更多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接，并通过四轴线运动控制系统调节电子束炬和支撑基底的位置。据称，该工艺在材料使用方面效率接近100％，在功耗方面有95％的效率。该方法既可用于大块金属沉积物，也可用于更精细的细分沉积物，并且与加工金属零件的常规方法相比，该方法声称在缩短准备时间以及降低材料和加工成本方面取得了显著的效果。该电子束技术的缺点是依赖于沉积室中10^-1Pa或更低的高真空。

已知的是(例如，参见Adams，美国专利公开号2010/0193480)使用TIG焊炬通过实体自由成形制造(SFFF)技术来制造物体，其中在基底上沉积具有低延展性的连续金属原料层。通过使用电极激励流动气体来产生等离子体电弧，该电极具有提供给其的可变大小电流。等离子体流被导向预定的目标区域，以在沉积之前预热工件的预定目标区域。调节电流，将原料材料供给到等离子体流中，从而将熔融原料沉积在预定目标区域中。调节电流，在升高的温度(通常高于原料材料的脆韧性转变温度)下缓慢冷却熔融原料，从而在冷却阶段将材料应力的发生率降到最低。