一种电弧增材制造设备

1.本实用新型涉及增材制造领域，具体而言，涉及一种电弧增材制造设备。


背景技术：

2.增材制造技术是以cad/cam等三维设计工业软件为基础，建立相应零构件的三维模型，以工业分层切片软件进行分层并生成相应路径轨迹，将材料按照每层的路径轨迹逐层熔覆、凝固得到所需的零构件的近净成形技术。所用的能量源主要有激光、电子束、电弧三种。其中，在电弧增材制造过程中，由于热积累效应加剧，工件成型后的力学性能较差。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种电弧增材制造设备，其能够有效地改善前述的技术问题。
4.本实用新型的实施例是这样实现的：
5.第一方面，本实用新型提供一种电弧增材制造设备，包括基体、冷却体、冷却液机以及焊接体，所述基体与所述冷却体层叠设置，所述冷却体的内部设置有冷却通道，所述冷却通道具有第一进液口和第一出液口，所述冷却液机设置有第二进液口和第二出液口，所述第二进液口与所述第一出液口连通，所述第二出液口与所述第一进液口连通，所述焊接体用于在所述基体的表面进行多层焊道熔覆，所述冷却液机用于在所述焊接体熔覆的情况下，驱使冷却液流经所述冷却通道。
6.在可选的实施方式中，所述冷却通道包括多个直管段和多个弯管段，多个所述直管段并排间隔分布，任意相邻的两个所述直管段通过所述弯管段连通，其中，间距最大的两个所述直管段分别设置有所述第一进液口和所述第一出液口。
7.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括控制组件和温度传感器，所述温度传感器用于输出表征所述基体温度的第一信号，所述控制组件同时与所述温度传感器和所述冷却液机通信，所述控制组件用于根据所述第一信号控制所述冷却液机。
8.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括电磁调控器和两个电磁线圈，两个所述电磁线圈间隔分布，所述多层焊道用于设置在两个所述电磁线圈之间，所述电磁调控器同时与两个所述电磁线圈通信，所述电磁调控器用于改变两个所述电磁线圈之间的磁场强度。
9.在可选的实施方式中，两个所述电磁线圈同轴设置。
10.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括变位机，所述变位机用于支撑所述冷却体，所述冷却体位于所述变位机和所述基体之间，所述变位机用于改变所述基体的空间位置。
11.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括储气罐、连接管以及阀门，所述连接管的一端与所述储气罐连通，所述连接管的另一端与所述焊接体连接，所述阀门设置在所述储气罐上，所述阀门用于使所述储气罐与所述连接管连通或断开。
12.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括流量计，所述流量计设置在所述储气罐上，所述流量计用于测量所述连接管内的气体的流量。
13.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括压力表，所述压力表设置在所述储气罐上，所述压力表用于测量所述储气罐内的气体的压力。
14.在可选的实施方式中，所述电弧增材制造设备还包括送丝机，所述送丝机用于向所述焊接体持续输送焊丝，以辅助所述焊接体进行多次焊道熔覆。
15.第二方面，本实用新型提供一种电弧增材制造方法，使用前述实施方式任一项所述的电弧增材制造设备，所述电弧增材制造方法包括：
16.使所述焊接体在所述基体的表面进行多层焊道熔覆，并且使所述冷却液机在熔覆的同时驱使冷却液流经所述冷却通道。
17.本实用新型实施例的有益效果包括，例如：
18.本实用新型实施例提供了一种电弧增材制造设备，电弧增材制造设备包括基体、冷却体、冷却液机以及焊接体，基体与冷却体层叠设置，冷却体的内部设置有冷却通道，冷却通道具有第一进液口和第一出液口，冷却液机设置有第二进液口和第二出液口，第二进液口与第一出液口连通，第二出液口与第一进液口连通。在焊接体基体的表面进行多层焊道熔覆的过程中，基体上的热量会传递到冷却体上，可以开启冷却液机，冷却液机可以驱使冷却液从第二出液口流出，然后从第一进液口流入冷却通道内，流经冷却通道的过程中，冷却液可以带走冷却体和基体内的热量，从而起到降低基体温度的作用。这样，该电弧增材制造设备可以改善在焊接体熔覆过程中焊道热积累效应剧烈的问题，从而可以提高成型工件的力学性能。值得注意的是，在本实施中，冷却通道内的冷却液的冷却作业和焊接体的焊接作业可以同时进行，这样不仅可以提高成型后工件的力学性能，而且还可以保证焊接体的熔覆效率。其次，冷却通道内的冷却液还可以从第一出液口流出，并经过第二进液口重新流入冷却液机中，流入冷却液机内的冷却液经过降温后可以重新进行冷却作业，这样可以实现冷却液的循环使用，减少了冷却液浪费，节省使用成本。另外，本实施例中的冷却通道内的冷却液在进行冷却的同时，不会残留在焊道上，使得形成的焊道表面保持干燥的状态，便于焊接体后续直接在形成的焊道表面进行另外一层焊道的熔覆，这样，由于每层焊道的表面均保持干燥状态，因此，成型后的工件也不容易出现气孔、裂缝等缺陷。
19.本实用新型实施例还提供了一种电弧增材制造方法，该电弧增材制造方法包括使所述焊接体在所述基体的表面进行多层焊道熔覆，并且使所述冷却液机在熔覆的同时驱使冷却液流经所述冷却通道。这样，在焊接体进行熔覆的同时，流经冷却通道的冷却液可以带走冷却体和基体内的热量，从而起到降低基体温度的作用，可以改善熔覆过程中基体上的焊道热积累效应剧烈的问题，从而可以提高成型后的工件的力学性能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本实用新型实施例提供的电弧增材制造设备的结构示意图；
22.图2为本实用新型实施例提供的冷却体在第一视角下的结构示意图；
23.图3为本实用新型实施例提供的冷却体在第二视角下的结构示意图。
24.图标：1
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电弧增材制造设备；11
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基体；12
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冷却体；121
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冷却通道；122
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第一进液口；123
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第一出液口；124
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直管段；125
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弯管段；13
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冷却液机；131
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第二进液口；132
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第二出液口；14
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焊接体；15
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控制组件；151
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计算机；152
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控制柜；16
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温度传感器；17
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电磁调控器；18
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电磁线圈；19
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送丝机；20
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变位机；21
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焊接电源；22
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储气罐；23
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连接管；24
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阀门；25
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流量计；26
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压力表。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
30.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.请参照图1
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图3，本实施例提供了一种电弧增材制造设备1，该电弧增材制造设备1包括基体11、冷却体12、冷却液机13以及焊接体14，基体11与冷却体12层叠设置，冷却体12的内部设置有冷却通道121，冷却通道121具有第一进液口122和第一出液口123，冷却液机13设置有第二进液口131和第二出液口132，第二进液口131与第一出液口123连通，第二出液口132与第一进液口122连通。
32.需要说明的是，焊接体14在基体11的表面进行多层焊道熔覆的过程中，基体11上
会产生上大量热量，大量热量堆积容易造成热堆积效应加剧的情况发生，会导致成型后的工件力学性能较差。
33.在本实施例中，基体11上的热量会传递到冷却体12上，开启冷却液机13后，冷却液机13可以驱使冷却液从第二出液口132流出，再从第一进液口122流入冷却通道121内，流经冷却通道121的过程中，冷却液可以带走冷却体12和基体11内的热量，从而起到降低基体11温度的作用。这样，该电弧增材制造设备1可以改善在焊接体14熔覆时基体11上的焊道热积累效应较为剧烈的问题。
34.需要说明的是，在本实施例中，冷却通道121内的冷却液的冷却作业和焊接体14的焊接作业可以同时进行，这样不仅可以提高成型后工件的力学性能，而且还可以保证焊接体14的熔覆效率。
35.需要说明的是，在本实施例中，冷却通道121内的冷却液还可以从第一出液口123流出，并经过第二进液口131重新流入冷却液机13中，流入冷却液机13内的冷却液经过降温后可以重新进行冷却作业，这样可以实现冷却液的循环使用，可以减少冷却液的浪费，节省使用成本。
36.另外，本实施例中的冷却通道121内的冷却液在进行冷却的同时，不会残留在焊道上，使得焊道上保持干燥的状态，便于焊接体14后续直接在形成的焊道表面进行另外一层焊道的熔覆，这样，由于每层焊道的表面均保持干燥状态，成型后的工件中不容易出现气孔、裂缝等缺陷。
37.结合图2，在本实施例中，冷却通道121蜿蜒延伸，这样可以增大冷却面积，快速降低基体11的温度，改善在焊接体14熔覆时，焊道上热积累效应加剧的问题。
38.具体地，结合图2，在本实施例中，冷却通道121包括多个直管段124和多个弯管段125，多个直管段124并排间隔分布，任意相邻的两个直管段124通过弯管段125连通，其中，间距最大的两个直管段124分别设置有第一进液口122和第一出液口123。这样，可以增大冷却面积，快速降低基体11的温度。以图2为例，最左侧的直管段124设置有第一进液口122，最右侧的直管段124设置有第一出液口123。
39.需要说明的是，在其它实施例中，可选地，冷却通道121也可以多个弯管段125相互连通形成。可选地，冷却通道121也可以整体为直管道。
40.需要说明的是，在本实施例中，调节冷却液机13，可以改变流经冷却通道121的冷却液的温度和流量。
41.请参照图1，在本实施例中，该电弧增材制造设备1还包括控制组件15，前述的焊接体14可以理解为焊接机器人，控制组件15与焊接机器人通信，工作人员通过控制组件15可以操作焊接机器人进行熔覆作业。
42.一般地，请参照图1，控制组件15包括计算机151和控制柜152，计算机151与控制柜152通信，计算机151可以将控制指令传递至控制柜152，控制柜152对控制指令进行转译，再将转译后的指令传递至焊接体14上，焊接体14接收到指令后进行对应移动，从而逐步完成多层焊道的熔覆。
43.请参照图1，在本实施例中，电弧增材制造设备1还包括温度传感器16，温度传感器16用于输出表征基体11温度的第一信号，计算机151同时与温度传感器16和冷却液机13通信，计算机151可以接收第一信号，并且根据第一信号控制冷却液机13。
44.具体地，当温度传感器16输出的第一信号表征的温度值较高时，计算机151接收到该第一信号后，可以控制冷却液机13，然后冷却液机13可以降低流入冷却通道121内的冷却液的温度，以及可以提高流入冷却通道121内的冷却液的流量。类似地，当温度传感器16输出的第一信号保证的温度值较低时，计算机151接收到该第一信号后，可以控制冷却液机13，然后冷却液机13可以升高冷却通道121内的冷却液的温度，以及可以降低流入冷却通道121内的冷却液的流量。
45.需要说明的是，在实际应用中，冷却液机13可以同时调节冷却液的温度和流量，也可以仅调节冷却液的温度和流量中的一者。
46.一般地，冷却液的温度维持在20℃
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35℃之间。冷却液的流速维持在3l/min。
47.在本实施例中，电弧增材制造设备1还包括电磁调控器17和两个电磁线圈18，两个电磁线圈18间隔分布，多层焊道设置在两个电磁线圈18之间，电磁调控器17同时与两个电磁线圈18通信。
48.在实际使用中，电磁调控器17与计算机151通信，工作人员可以通过计算机151调节电磁调控器17，从而改变流经电磁线圈18的电流大小，进而改变两个电磁线圈18之间的磁场强度的大小。
49.一般地，在本实施例中，两个电磁线圈18之间产生的磁场的强度维持在25t
‑
45t。
50.需要说明的是，在电弧增材制造的过程中，焊接体14进行熔覆作业时，焊道上会形成金属熔液，金属熔液凝固的过程中，会形成尺寸粗大的、定向生长的柱状枝晶，造成成型工件力学性能下降，产生力学性能的各向异性(即不同方向上的力学性能有差异)，导致成型后的工件的质量不好。
51.为此，在本实施例中，在两个电磁线圈18之间产生的磁场的作用下，金属熔液会被往复推动，这样可以将枝晶打碎成细小的、均匀的等轴晶粒，从而可以消除成型后工件中的各向异性，提升工件的力学性能，成型后的工件质量更好。
52.在本实施例中，两个电磁线圈18同轴设置，这样，两个电磁线圈18之间的磁场稳定性更好，可以推动金属熔液将枝晶打碎得更加均匀。
53.需要说明的是，在本实施例中，两个电磁线圈18均为亥姆霍兹线圈。
54.请参照图1，在本实施例中，该电弧增材制造设备1还包括送丝机19，送丝机19，送丝机19可以为焊接体14的熔覆作业持续输送焊丝。结合图1，送丝机19为焊接体14持续不断地输送焊丝，焊丝通过焊接体14持续不断地送进熔化的金属熔池，被电弧熔化，形成金属熔滴，在重力作用下，金属熔滴过渡到金属熔池内，补充金属熔池冷却形成焊缝的部分，保持金属熔池总量恒定，从而保证了焊接体14可以持续进行多层焊道的熔覆作业。
55.请参照图1，在本实施例中，该电弧增材制造设备1还包括变位机20，变位机20用于支撑冷却体12，冷却体12位于变位机20和基体11之间。
56.在本实施例中，冷却体12和基体11均通过工装夹具固定在变位机20上，一般地，在熔覆作业之前，进行工装夹具的安装，将冷却体12和基体11固定在变位机20上，然后操控变位机20，可以使基体11和冷却体12处于不同的空间位置，进而可以方便焊接体14使用不同的空间姿态进行熔覆作业。
57.请参照图1，在本实施例中，该电弧增材制造设备1还包括焊接电源21，焊接电源21可以为焊接体14的工作提供电能，保证焊接体14持续进行熔覆。
58.请参照图1，在本实施例中，电弧增材制造设备1还包括储气罐22、连接管23以及阀门24，储气罐22内储存有保护气体，连接管23的一端储气罐22连通，连接管23的另一端与焊接体14连接，阀门24设置在储气罐22上，阀门24用于使储气罐22与连接管23连通或断开。
59.需要说明的是，在焊接体14进行熔覆作业的同时，阀门24打开，从连接管23输出的保护气体可以从焊接体14的喷嘴中喷出，保护气体包裹焊丝、熔化后的金属液滴以及液态金属熔池。从焊接开始持续输送保护气体，可以防止熔池冷却时被氧化，避免出现组织恶化和力学性能下降的问题。
60.请参照图1，在本实施例中，电弧增材制造设备1还包括流量计25，流量计25设置在储气罐22上，流量计25用于测量连接管23内的气体的流量。
61.在实际应用中，工作人员可以根据流量计25获取连接管23内保护气体的流量信息，然后根据具体需求调节阀门24，将保护气体的流量调整至合适的数值。
62.请参照图1，在本实施例中，电弧增材制造设备1还包括压力表26，压力表26设置在储气罐22上，压力表26用于测量储气罐22内的气体的压力。
63.在实际应用中，工作人员可以根据压力表26获取储气罐22内保护气体的压力信息，进而可以判断储气罐22内的保护气体的储量情况，在压力表26的示数较小时，工作人员可及时向储气罐22内充入保护气体，或者直接更换另外的储气罐22。
64.本实施例还提供了一种电弧增材制造方法，该电弧增材制造方法使用前述的电弧增材制造设备1。具体地，该电弧增材制造方法包括：
65.使焊接体14在基体11的表面进行多层焊道熔覆，并且使冷却液机13在熔覆的同时驱使冷却液流经冷却通道121。
66.这样，在焊接体14进行熔覆的同时，流经冷却通道121的冷却液可以带走冷却体12和基体11的热量，从而起到降低基体11温度的作用，可以改善熔覆过程中热积累效应剧烈的问题，从而可以提高成型后的工件的力学性能。
67.综上，本实施例提供的电弧增材制造设备1的工作原理：
68.选用8mm厚的奥氏体不锈钢的基体11，将用于电弧增材制造的基体11表面使用砂纸进行打磨，并用酒精清洗基体11和焊丝，去除基体11和焊丝表面的氧化膜，再使用丙酮去除基体11和焊丝表面的油污。
69.将基体11放置在冷却体12上，再将冷却体12放置在变位机20上，将基体11和冷却体12通过工装夹具固定在变位机20上。
70.将第一进液口122和第二出液口132通过软管连通，将第二进液口131和第一出液口123通过软管连通。启动冷却液机13，冷却液从第二出液口132流出，经过第一进液口122进入冷却通道121，在从第一出液口123流出冷却通道121，再从第二进液口131流回冷却液机13。
71.开启阀门24，观察流量计25的示数，控制阀门24的开合度，将保护气体的气体流量调整至合适数值(例如，保护气体的流量处于15～30l/min的范围内)。
72.计算机151控制冷却液机13，调节冷却液的温度和流量，使冷却液的温度保持在20℃～35℃，使冷却液的流速保持在3l/min。然后，再通过计算机151控制电磁调控器17，调整流经电磁线圈18的电流值，将磁场强度调整至需求的磁场强度。一般地，使两个电磁线圈18之间磁场的强度保持在25t
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45t的范围内。
73.在计算机151中利用增材制造软件对三维模型进行路径规划和分层计算，生产增材制造运行程序，并将该增材制造运行程序导入控制柜152中，经过控制柜152转译后，再传递到焊接体14上，焊接体14接收到指令后进行增材制造。其中，送丝机19在焊接体14进行增材制造时同步进行送丝作业。焊接体14中的焊丝直径为1.2mm，焊丝的材料为不锈钢。不锈钢材料具有导热系数低，热熔大，线膨胀系数大的特点。
74.在增材制造的过程中，温度传感器16可以实时向计算机151反馈基体11的温度，计算机151根据温度传感器16输出的表征基体11温度的第一信号控制冷却液机13，从而调整冷却液的流量和温度。
75.增材制造程序运行结束后，焊接体14向上移动，回到程序启动时的原点，保证冷却液持续流动，直至基体11上的成型工件的温度降低至室温，然后控制冷却液机13停机，完成整个增材制造作业。增材制造过程结束后，阀门24关闭，保护气体不再从储气罐22中输出。
76.以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。