金属构件的增材制造设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种金属构件的增材制造设备，包括基体、送丝系统、电熔头、测温模块、冷却模块、保护系统和电源，所述电熔头与基体分别与电源的两极连接，所述电熔头设于基体的外表面且电熔头距离基体预设距离，所述电熔头相对于基体可移动，所述电熔头内设有送丝系统，所述保护系统将保护气体送至基体表面，所述冷却模块设于基体的内部，所述电源为直流脉冲电源。采用本实用新型专利技术，结构简单、效率高、稳定性好、制得的金属构件力学性能优异，并具有良好的组织特征。

Material addition equipment for metal components

The utility model discloses an augmenting material manufacturing equipment for metal components, which comprises a substrate, a wire feeding system, an electric fuse head, a temperature measuring module, a cooling module, a protection system and a power supply. The electric fuse head and the substrate are respectively connected with the two poles of the power supply. The electric fuse head is arranged on the outer surface of the substrate and the preset distance between the electric fuse head and the substrate. The electric fuse head is movable relative to the substrate, and a wire feeding system is arranged in the electric fuse head. The protective system sends the protective gas to the surface of the substrate. The cooling module is arranged inside the substrate, and the power supply is a DC pulse power supply. The utility model has the advantages of simple structure, high efficiency, good stability, excellent mechanical properties of the metal component and good microstructure characteristics.

【技术实现步骤摘要】
金属构件的增材制造设备
本技术涉及一种金属构件，尤其涉及一种金属构件的增材制造设备。
技术介绍
目前，重型设备行业关键构件如核电、石化行业压力容器所用低合金高强度钢、耐热合金材料、冶金辊子钢、电站转子钢及航天领域的钛合金结构件等构件材料主要采用铸锻技术实现，使用数百吨级大型钢锭冶炼、铸造和万吨液压机等重型锻造工业装备锻压成形，并辅以最终机加工。该传统方法基本能够满足技术质量要求，但制造工序繁多、生产周期长、材料利用率低，导致构件成本高昂；另一方面，囿于铸造技术和锻造压机吨位的限制，大型设备如核电、石化容器主要采用分段锻制后再多段组焊的方式解决，铸锻工艺的问题将直接影响了后续的焊接和机加工，因此造成整体工艺复杂、化学与力学性能控制难度大，质量稳定性差，废品率高的缺点。同时现有的这种制造工艺组合也难以满足新型产品快速研制和批量生产的进度要求。丝极电熔增材制造技术，基于目前先进的气体保护焊焊接方法，由于其生产效率高，焊接接头质量好等优点，在各行业包括容器分段筒体组焊，辊子钢的堆焊修复，以及特殊件内壁堆焊不锈钢工艺等方面被广泛应用。但对于希望利用该技术在大型工件快速增材制造，也即直接丝极电弧增材成形方面，由于诸多工艺难点还鲜有实际应用。这些难点包括整体系统设备的设计制造，打印过程精确测温、控温系统开发；对应成形工件的送丝系统和适宜的保护气体的研发和制备；以及最重要的，攻克重型金属构件大尺寸和复杂形状的丝极电弧增材成形过程中裂纹、气孔、化学偏析等。如何研发并稳定成熟丝极电熔增材制造设备，满足要求越来越高的各行业重型金属构件的力学和化学性能是一个重大的课题。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于，提供一种金属构件的增材制造设备，结构简单、效率高、稳定性好、制得的金属构件有良好的组织特征，且力学性能优异。为了解决上述技术问题，本技术提供了一种金属构件的增材制造设备，包括基体、送丝系统、电熔头、温控系统、保护系统和电源，所述电熔头与基体分别与电源的两极连接，所述电熔头设于基体的外表面且电熔头距离基体预设距离，所述电熔头相对于基体可移动，所述温控系统用于控制电熔头和金属构件的温度，所述保护系统将保护气体送至基体表面。作为上述方案的改进，所述送丝系统包括金属丝极,所述金属丝极设于电熔头内,所述金属丝极的直径为0.8mm～2.4mm。作为上述方案的改进，所述电源为直流电源、交流电源或直流脉冲电源；当电源为直流脉冲电源时,基值电流为30A～200A，峰值电流为200A～800A。作为上述方案的改进，所述保护系统为送气系统或保护舱。作为上述方案的改进，所述保护气体为惰性气体。作为上述方案的改进，所述温控系统包括测温模块、冷却模块和调节模块；所述测温模块分布于电熔头前方10～200mm范围内；所述冷却模块分布于基体或金属构件的内部，所述冷却模块与电熔头一一对应。作为上述方案的改进，所述温控系统控制基体/打印层的温度为60～400℃，精度为±20℃。作为上述方案的改进，包括数字化控制装置，所述数字化控制装置控制电熔头与基体的相对移动轨迹。作为上述方案的改进，所述电熔头的数量为1～100个，多个电熔头排布时，相邻电熔头的间距为50～500mm。作为上述方案的改进，所述基体的厚度不小于5mm，所述基体选用与送丝系统相同或不同的材料。实施本技术，具有如下有益效果：一、本技术包括基体、送丝系统、电熔头、温控系统、保护系统和电源，其结构简单，易于实现。送丝系统送入金属丝极，金属丝极与基体之间产生电弧，使金属丝极与基体表面局部熔化，在基体表面形成熔池，并通过控制电熔头与基体的相对移动，实现在基体上逐层打印成形，通过增材工艺制造出金属构件。因此，本技术摆脱了复杂的工装、模具和专用工具的约束，成形即为近净形坯件，生产后只需少量精加工，大大简化加工工序，缩短产品周期，效率高。所成形工件具有媲美传统锻造工艺的力学和化学性能，强度、韧性、耐蚀等性能均十分突出。二、本技术采用直流脉冲电源供电，可以控制热输入，使其仅仅熔化送丝系统，实现高精度的打印成形，提高工艺的稳定性；并为后续的冷却提供便利，通过精准控温来实现优异的力学性能。三、本技术将保护气体及金属丝极送于基体表面，保护气体选用惰性气体，保护液体金属免于被空气氧化，可以稳定工艺，提高金属构件的力学性能。然而，对于部分合金材料，保护气体为惰性气体和表面活性剂(例如氧气)的组合，避免液态熔滴表面张力大、熔滴不易铺展而导致的成形困难。四、本技术对基体或打印层进行强制冷却，通过多组冷却模块及测温模块进行实时测温并形成闭环反馈，控制基体或打印层的温度为60～400℃，精度为±20℃，其通过冷却模块及测温模块来实现精准控温，从而保证金属构件具有优异的力学性能。因此，本技术可用于各行业重型金属构件如低合金钢、耐热钢、不锈钢、镍基合金、钛合金材料的成形与生产。尤其可用于反应堆压力容器、电站转子、加氢反应器筒体、核电站蒸发器筒体、核电站压力容器筒体或核电站稳压器筒体、主蒸汽管道、阀门及航空航天结构件等的成形制造。附图说明图1是本技术金属构件丝极电熔增材制造的专用设备的卧式结构示意图；图2是本技术金属构件丝极电容增材制造的专用设备的立式结构示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术作进一步地详细描述。如图1所示，本技术提供了一种金属构件的增材制造设备，包括基体1、送丝系统2、电熔头3、温控系统、保护系统11和电源12，所述电熔头3与基体1分别与电源12的两极连接，所述电熔头3设于基体1的外表面且电熔头3距离基体1预设距离，所述电熔头3相对于基体1可移动，所述温控系统用于控制电熔头和金属构件的温度，所述保护系统11将保护气体4送至基体1表面。基体1用于为构件成形提供工装支撑，其尺寸、形状按照增材金属要求设计制作，基体的厚度不小于5mm。另外根据生产要求不同，所述基体1可以选用与送丝系统相同或不同的材料。在金属增材制造完成后，基体1可予以保留作为成形构件一部分或通过后续机加工去除。电熔头3距离基体1预设距离，该预设距离大概为0.1-100mm，但不限于此。所述电熔头3通过现有的移动机构就可以实现相对于基体1的相对移动。根据成形金属构件材料不同，所述送丝系统2包括金属丝极,所述金属丝极设于电熔头内,所述金属丝极的直径为0.8mm～2.4mm。优选的，所述金属丝极的直径为1.0mm～2.0mm。更佳的，所述金属丝极的直径为1.2mm～1.8mm。若金属丝极的直径小于0.8，拔丝比较困难，若金属丝极的直径大于2.4，现有电熔设备功率不足，较难制备，成本高。所述电源为直流电源、交流电源或直流脉冲电源。优选的，所述电源12选用直流脉冲电源，所述直流脉冲电源的脉冲频率及占空比可调，根据送丝系统直径的不同，基值电流为30A～200A，峰值电流为200A～800A。基值电流用于维持电弧燃烧，若基值电流小于30A，引弧困难，若基值电流大于200A，其效果则和普通直流电源没区别，无法起到高精度打印成形；峰值电流用于熔化丝材，故其必须有较大的变化量，若峰值电流低于200A，则功率不足，若峰值电流大于800A，则产热过大。本实用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属构件的增材制造设备，其特征在于，包括基体、送丝系统、电熔头、温控系统、保护系统和电源，所述电熔头与基体分别与电源的两极连接，所述电熔头设于基体的外表面且电熔头距离基体预设距离，所述电熔头相对于基体可移动，所述温控系统用于控制电熔头和金属构件的温度，所述保护系统将保护气体送至基体表面。

【技术特征摘要】
1.一种金属构件的增材制造设备，其特征在于，包括基体、送丝系统、电熔头、温控系统、保护系统和电源，所述电熔头与基体分别与电源的两极连接，所述电熔头设于基体的外表面且电熔头距离基体预设距离，所述电熔头相对于基体可移动，所述温控系统用于控制电熔头和金属构件的温度，所述保护系统将保护气体送至基体表面。2.如权利要求1所述的金属构件的增材制造设备，其特征在于，所述送丝系统包括金属丝极,所述金属丝极设于电熔头内,所述金属丝极的直径为0.8mm～2.4mm。3.如权利要求1或2所述的金属构件的增材制造设备，其特征在于，所述电源为直流电源、交流电源或直流脉冲电源；当电源为直流脉冲电源时,基值电流为30A～200A，峰值电流为200A～800A。4.如权利要求1所述的金属构件的增材制造设备，其特征在于，所述保护系统为送气系统或保护舱。5.如权利要求1或4所述的金属构件的增材制造设备，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：卓炎，陟成刚，严连菊，李利军，于海波，孔令宗，张子华，
申请(专利权)人：王军，
类型：新型
国别省市：广东,44