一种电子束选区熔化气氛调控系统及调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子束选区熔化技术领域，尤其是涉及一种电子束选区熔化气氛调控系统及调控方法。
【背景技术】
[0002]电子束选区恪化技术(Selective Electron Beam Melting，英文简称SEBM)是目前新兴的一种快速制造工艺。电子束选区熔化过程如下:在在电子束选区熔化成形的成形腔室(具体为真空室)内，先通过铺粉装置在成型区域上均匀地逐层平铺粉末，并由计算机控制高能电子束，且根据所要成形零件的横截面参数熔化粉末，相应达到逐层制造的目的，并实现三维零件的快速制造。传统的电子束选区熔化技术中，需要成形腔室内为真空环境，以保证电子束流正常工作。但在真空环境下，由于高能电子束轰击粉末表面时，粉末会出现溃散，造成吹粉，严重影响成形过程；同时，合金粉末在受电子束轰击熔化后内部所含的化学组分在真空中更容易挥发，从而影响所成形零件的化学成分；并且在高真空环境下，几乎没有传导介质，温度传导主要靠辐射，这样也会造成温度分布不均的现象，对零件成形造成较大影响。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电子束选区熔化气氛调控系统，其结构简单、设计合理、投入成本较低且安装布设及使用操作方便、使用效果好，能对电子束选区熔化成形腔室内的气氛进行有效控制。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征在于:包括向电子束选区熔化成形设备的成形腔室内充入气氛控制用气体的气体充入设备和对成形腔室进行抽真空的抽真空设备，以及对成形腔室内的气体压强进行实时检测的气体压强检测单元，所述抽真空设备通过抽真空管道与成形腔室内部相通，所述气氛控制用气体为氢气、氮气或惰性气体；所述气体充入设备包括内部装有气氛控制用气体的储气罐和连接于储气罐与成形腔室之间的气体输送管道，以及安装在气体输送管道上的流量控制阀；所述成形腔室的外侧壁上开有分别供所述抽真空管道和气体输送管道安装的安装孔；所述流量控制阀为电磁阀且其由控制器进行控制，所述气体压强检测单元和流量控制阀均与控制器电连接，所述控制器与参数输入单元电连接。
[0005]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:所述气氛控制用气体为氦气。
[0006]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:还包括对所述气体压强检测单元所检测信息进行同步显示的显示单元，所述显示单元与控制器电连接；所述流量控制阀为电磁比例阀，所述控制器为PID控制器。
[0007]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:所述气体压强检测单元为真空计，所述真空计与控制器电连接。
[0008]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:所述抽真空设备包括机械泵和分子泵，所述抽真空管道包括连接于机械泵的进气口与成形腔室之间的第一连接管和连接于分子泵的进气口与成形腔室之间的第二连接管，以及连接于分子泵的出气口与机械泵的进气口之间的第三连接管，所述第一连接管和第二连接管上均装有管道控制阀。
[0009]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:还包括安装在第三连接管上的三通管，所述第三连接管以三通管为界分为第一管段和第二管段，所述三通管的第一连接接口通过所述第一管段与分子泵的出气口连接且其第二连接接口通过所述第二管段与机械泵的进气口连接，所述三通管的第三连接接口通过第二连接管与成形腔室连接。
[0010]上述一种电子束选区熔化气氛调控系统，其特征是:所述第一连接管和第二连接管上所装的管道控制阀均为电磁阀且二者均由控制器进行控制，所述机械泵和分子泵均由控制器进行控制。
[0011]同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的电子束选区熔化气氛调控方法，包括以下步骤:
[0012]步骤一、设备安装:通过所述抽真空管道和气体输送管道将成形腔室分别与所述抽真空设备和储气罐连接，并在成形腔室内安装所述气体压强检测单元，且将所述气体压强检测单元和气体输送管道上所装的流量控制阀均与控制器电连接；
[0013]步骤二、气压控制参数设定:通过参数输入单元输入气体压强控制参数，并通过控制器对所输入的气压控制参数进行同步存储；
[0014]所输入的气压控制参数，记作P0;其中P0= 2.0X10 -1Pa?6.0X KT1Pa ；
[0015]步骤三、抽真空:采用所述抽真空设备对成形腔室进行抽真空，直至成形腔室内的气体压强下降至5.0X 10_2Pa以下；抽真空过程中，通过所述气体压强检测单元对成形腔室内的气体压强进行实时检测；
[0016]步骤四、气体充入:采用所述气体输送管道向成形腔室内充入气氛控制用气体，直至成形腔室内的气体压强上升至Ptl;
[0017]步骤五、电子束选区熔化气氛调控:步骤四中待成形腔室内的气体压强上升至P。后，启动所述电子束选区熔化成形设备进行电子束选区熔化成形处理；并且，电子束选区熔化成形处理过程中，通过所述气体压强检测单元对成形腔室内的气体压强进行实时检测并将所检测的气体压强值同步传送至控制器，控制器根据所述气体压强检测单元所检测的气体压强值对流量控制阀进行控制，使成形腔室内的气体压强维持在匕。
[0018]上述方法，其特征是:步骤五中控制器根据所述气体压强检测单元所检测信息对流量控制阀进行控制时，先调用差值比较模块，将此时所述气体压强检测单元所检测的气体压强值P与步骤二中所设定的气压控制参数进行比较:当P = Ptl时，流量控制阀的开度保持不变；当P < Ptl时，通过控制器控制流量控制阀，使流量控制阀的开度增大，以增大气体输送管道的气体流量；当P >匕时，通过控制器控制流量控制阀，使流量控制阀的开度减小，以减小大气体输送管道的气体流量。
[0019]上述方法，其特征是:步骤一中所述抽真空设备包括机械泵和分子泵，所述抽真空管道包括连接于机械泵的进气口与成形腔室之间的第一连接管、连接于分子泵的进气口与成形腔室之间的第二连接管和连接于分子泵的出气口与机械泵的进气口之间的第三连接管，所述第一连接管和第二连接管上均装有管道控制阀；
[0020]步骤三中进行抽真空时，过程如下:
[0021]步骤301、预抽:打开第一连接管上所装的管道控制阀，并启动机械泵，对成形腔室进行抽真空，直至成形腔室内的气体压强下降至5Pa以下；
[0022]步骤302、抽至高真空状态:关闭第一连接管上所装的管道控制阀，启动分子泵和机械泵，对成形腔室进行抽真空，直至成形腔室I内的气体压强下降至5.0X 10_2Pa以下。
[0023]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0024]1、所采用的电子束选区熔化气氛调控系统结构简单、设计合理且投入成本较低，安装布设方便。
[0025]2、所采用的电子束选区熔化气氛调控系统设计合理，由气体压强检测单元、控制器和流量控制阀组成一个对成形腔室内的气体压强进行调控的闭环控制系统，通过该闭环控制系统对充入成形腔室的气氛控制用气体的充入量进行准确控制，并将成形腔室内的气体压强维持在2.0X KT1Pa?6.0 X KT1Pa之间。
[0026]3、所采用的电子束选区熔化气氛调控系统使用操作简便、实现方便且使用效果好、实用价值高，具有精度高、重复性好、响应速度快、软启动、稳定可靠、气体压强调节范围宽等特点，可实现电子束选区熔化的惰性气氛的精准、高效控制。
[0027]4、对气氛控制用气体的充入量(或称进气量)进行控制的控制器为PID控制器，由于流量控制阀为电磁比例阀，电磁阀比例阀的控制原理是当充气开始时，成形腔室内的真空度与目标值(即气压控制参数)相差较大，这时流量控制阀会加大进气量，使气氛控制用气体快速进入成形腔室；当真空度超过目标值时，则关闭输出，因为该被控对象中有滞后性，最后整个调控系统会稳定在一定的范围内进行振荡。而电磁阀的积分控制是针对比例控制存在的要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，积分项是一个历史误差的累积值，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，真空度控制中使用了 PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上积分放大系数后会在输出的比重中越占越多，使输出越来越大，最终达到消除静态误差的目的。因为PI系统中的1(即积分项)的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为解决这个问题，在控制中增加了 D(即微分项)，微分项主要用来解决控制系统的响应速度问题。这样，通过PID控制器对电磁比例阀的开度进行控制，实现在线实时改变气氛控制用气体流量的目的。
[0028]4、所充入的气氛控制用气体为氢气、氮气或惰性气体，氢气具有还原性、氮气不活泼且廉价、惰性气体的化学性质极为稳定。可根据具体成形材料选择稳定且可靠的气氛控制气体。其中，氦气渗透性好、不可燃，氦气的化学性质极为稳定，并且氦气具有