[发明专利]电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置及控制方法

说明书

本发明属于增材制造领域，涉及一种电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置及控制方法，该装置包括控制系统、焊枪、伺服电机、吹风装置以及机床移动系统；控制系统与机床移动系统相连；机床移动系统通过伺服电机与焊枪相连；吹风装置与机床移动系统相连且与焊枪同步运动；吹风装置底部与焊枪底部处于同一水平面。本发明提供了一种可减少层间等待时间、提高电弧增材成形件力学性能和成形效率的电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置及控制方法。

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种零件表面温度的控制装置及控制方法，尤其涉及一种电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置及控制方法。

技术背景

增材制造技术(Additive Manufacture Technology)，又称为3D打印技术，是一种以零件的三维数字模型为基础，以金属粉末、金属丝材或非金属材料等为原材料，利用分层切片，逐层堆积的方法，实现零件快速成型的技术，具有材料利用率高、成型周期短，成形受限小等优点。特别是对结构复杂，材料附加值高的产品，其快速、高效成形的优点愈加显著。这也使得这项技术在航空航天、国防军工及生物医学等领域有着广阔的前景。

目前，金属增材制造技术根据热源类型主要分为：激光增材制造，电子束增材制造和电弧增材制造。其中，以激光和电子束为热源的粉基增材制造技术通过不断熔化和烧结粉末来连续逐层制造的零件，已经在较多的领域得到了应用。但是，由于其原材料和热源的特点，这两种方法在成型某些尺寸较大的零件时受到了材料和时间成本的限制。而基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)及等离子弧焊等产生的电弧为热源，通过添加金属丝材，在程序的控制下，根据零件的三维数字模型逐层沉积出实体。相比于以激光和电子束为热源的金属增材制造技术，电弧增材制造技术具有沉积效率高、材料利用率高、成形周期短、制造成本低等优点。尤其是其开放的成形环境对成形件的尺寸限制很少，这使得该方法在应对大尺寸、复杂结构件的增材制造需求时，表现出了较大的优势。

然而，现有的电弧增材制造技术在产品成形过程的控性和控形能力较差，这也是限制这种增材制造方法进一步发展的主要原因。电弧增材的实质是熔池经历“点-线-面”的沉积过程逐层制造出实体零件。随着堆积层数的增加，已成形部分的热量不断累积，导致其表面温度升高，当温度高于某一临界值时，熔池的流动性增强，抵抗外界干扰的能力降低，继续沉积会使得熔宽增大，或在成形件边缘处出现“流淌”现象，影响零件的成形尺寸。因此，在每完成一层的熔融堆积后需要对零件表面的温度进行控制，而现有的控制方法主要是停滞一定的时间，等待沉积层空冷到一定的温度再进行下一层的堆积。这种方法虽然可在一定程度上达到降低零件表面温度的目的，但也无形中增加了零件的成形时间，使得电弧增材成形周期短的优势难以显现。另一方面，由于每完成一层堆积，沉积层依然处在高温区，且随着堆积高度的增加，高温区停留时间延长，氧化进一步加重，导致下一层堆积时难以起弧，影响沉积效率，同时，长时间停留于高温区会导致零件内部的晶粒粗化现象严重，降低了成形件的力学性能。因此，寻求一种可快速降低零件表面温度的方法，减少层间停滞时间，是提高电弧增材成形件力学性能和成形效率的有效途径之一。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可减少层间等待时间、提高电弧增材成形件力学性能和成形效率的电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置，包括控制系统、焊枪、伺服电机以及机床移动系统；所述控制系统与机床移动系统相连；所述机床移动系统通过伺服电机与焊枪相连；其特征在于：所述电弧增材制造过程中零件表面温度控制装置还包括与机床移动系统相连且与焊枪同步运动的吹风装置；所述吹风装置底部与焊枪底部处于同一水平面。