[发明专利]减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法，该装置包括堆积系统、传感系统、控制系统、水冷系统四个部分，在电弧增材制造过程中，通过水冷系统使冷却水不断流经堆积层侧面并带走大部分热量，快速降低堆积层温度；传感系统通过温度传感器与水位传感器实时采集水冷系统中的温度信息及水位信息；计算机控制系统通过传感系统采集到的信息自动控制水冷系统中的水位与温度，基于该装置的电弧增材制造方法，通过循环恒定温度冷却水的方式，有效解决了金属构件堆积过程引起的严重堆积层热积累难题，大幅提高了电弧增材制造方法的成形效率和成形质量，细化了金属构件组织晶粒。

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法。

背景技术

电弧增材制造作为一种低成本高效率的金属增材制造方法，在推进金属增材制造技术向民用化、规模化发展方面具有重要意义。然而，电弧增材制造在金属构件的制造过程中面临着严重的堆积层热积累问题，这制约了该技术在实际中的应用。

电弧增材制造技术以金属丝材作为原料，通过电弧为热源将丝材熔化，在基板上自下而上逐层堆积形成金属构件。在金属构件的堆积过程中，随着堆积层数的逐渐增加，已成形的堆积件散热条件变差，导致了严重的堆积层热积累。一方面，堆积层热积累导致液态熔池存在时间过长，增大了熔池的不稳定性，使得堆积层成形质量变差，降低了成形精度，最恶劣的情况下，甚至能中断成形，使堆积过程无法继续进行。另一方面，堆积层热积累会导致金属微观组织中的晶粒在凝固过程中过度生长，导致金属构件组织晶粒粗大，机械性能降低。为了避免上述情况的发生，目前主要采用两种方法抑制堆积层热积累问题：一是通过降低成形电流来降低堆积层的热输入；二是在每一层堆积完成后，设置一定的等待时间，使堆积件温度降低至合适温度才能开始成形下一堆积层。但是上述两种方法都会造成电弧增材制造成形效率的降低。

基于以上原因，亟需提出一种新的方法，解决金属构件在堆积过程中产生的堆积层热积累问题，提高电弧增材制造的成形效率。而通过物理手段改善金属构件堆积层的散热条件，抑制其热积累，则是一种可行的改进思路。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是为了解决金属构件在电弧增材制造过程中受散热条件限制所产生的严重热积累问题，提供了一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：将基板打磨清理后置入水箱中，用水箱中的夹具固定紧，启动计算机控制系统与电弧增材制造电源，计算机控制系统中的控制程序完成初始化，此时，水箱中无水，实际水位H为0，通过数据采集卡向入水阀输出控制信号，打开入水阀，通过入水管往水箱中注入温度为T的冷却水，使实际水位H不断上升，直到到达初始化所设定的预设水位h₀，h₀的高度低于基板上表面的高度，与基板上表面的垂直距离为d，当H＝h₀时，输出控制信号关闭入水阀，将焊枪移动至起弧点上方，并使焊枪位于基板上方并垂直于基板；