水陆两用原位电弧增材制造设备制造技术

本实用新型专利技术提供了一种水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：包括宽禁带增材电源、潜水送丝机、焊炬、保护装置、机器人、压缩气装置和保护气装置；所述焊炬与机器人连接，以实现机器人带动焊炬移动进行电弧增材操作；所述宽禁带增材电源、潜水送丝机和焊炬依次连接；所述潜水送丝机还与保护气装置连接；所述宽禁带增材电源分别与压缩气装置和保护气装置连接，以实现压缩气装置和保护气装置的打开和关闭。该设备可实现水陆两用，可形成高挺度高速气幕以形成局部干燥空间，便于获取焊丝与母材之间距离，可提高电弧增材制造工艺质量。

In situ arc additive manufacturing equipment for land and water

【技术实现步骤摘要】
水陆两用原位电弧增材制造设备
本技术涉及电弧增材制造
，更具体地说，涉及水陆两用原位电弧增材制造设备。
技术介绍
电弧增材制造具有设备成本低廉、材料利用率高、结构尺寸适应性广等特点，相较于传统制造技术更具有柔性化、个性化的优势，在海洋资源开发、海洋工程建设、船舶装备设计制造以及应急修复等领域具有广阔的应用前景。按作业位置的不同，应用在海工领域的电弧增材制造可分为水线以上的电弧增材制造与水下电弧增材制造。水线以上的电弧增材制造与常规的陆上增材制造工况类似，可直接应用陆上设备；而水下电弧增材制造则面临海洋环境的考验，复杂的水下工况对电弧稳定性造成显著影响进而决定成形过程以及工艺效果的一致性，其对控制电弧能量的电源及相关设备等具有更高要求。水下电弧增材制造可分为湿法、干法以及局部干法三种类型。其中，湿法仅通过药芯焊丝进行自保护形式的水下作业而无排水措施，设备简单经济，但存在成型质量差等不足；干法应用压力容器将待焊区域隔离排水，使电弧燃烧环境接近于陆上作业工况，因而具有成型质量高的优点，但其配套设备造价昂贵且施工周期长、效率低；局部干法应用排水装置进行局部排水，使加工区域处于相对干燥的环境，配套设备简单，工位适应性宽，成型质量较好。水下局部干法综合了湿法和干法的优点，是水下电弧增材制造的优选方法且其采用的局部排水措施使之具备应用于水线以上增材制造作业的可操作性。现阶段，应用于海洋工程等前述领域的电弧增材制造设备仍存在以下不足：(一)设备功能单一，难以或无法进行水陆两用；(二)电源为通用陆上Si基焊接电源，性能平庸，功率密度低，电弧能量控制粗放。例如，中国专利技术专利申请《水下电弧增材制造设备》(公开号：CN108161173A)，该设备特点是利用防水组件形成局部干燥区域并采用约束件约束熔融金属流动，该设备虽能提高水下电弧增材结构件的成型质量，但采用了非常复杂的防水组件及约束组件，难以实现水陆两用；且该设备未对水下电弧增材采用的电源进行优化设计。利用微型排水罩形成局部干燥区域是理想的解决办法，例如采用中国专利技术专利申请《双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩》(公开号：CN106624258A)，该微型排水罩包括内气罩、外气罩和挡水套，在内气罩和外气罩之间形成呈收敛形的收缩喷管腔体，使压缩气体通过收缩喷管腔体后喷射形成高压气幕，从而形成局部干燥区域；挡水套对焊接区域进行保护，减少外部水流对焊接区域造成的影响，避免外部水流冲击气幕而导致气幕失效；但是挡水套对焊丝造成遮挡，并不利于人工观察或视觉感应获取焊丝与母材的距离，因此影响加工效果。
技术实现思路
为克服现有技术中的缺点与不足，本技术的目的在于提供一种实现水陆两用、可形成高挺度高速气幕以形成局部干燥空间、便于获取焊丝与母材之间距离、可提高电弧增材制造工艺质量的水陆两用原位电弧增材制造设备。为了达到上述目的，本技术通过下述技术方案予以实现：一种水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：包括宽禁带增材电源、潜水送丝机、焊炬、保护装置、机器人、压缩气装置和保护气装置；所述焊炬与机器人连接，以实现机器人带动焊炬移动进行电弧增材操作；所述宽禁带增材电源、潜水送丝机和焊炬依次连接；所述潜水送丝机还与保护气装置连接；所述宽禁带增材电源分别与压缩气装置和保护气装置连接，以实现压缩气装置和保护气装置的打开和关闭；所述保护装置包括内外套设的内筒和外罩；所述内筒形成内通孔；内通孔的顶部通过螺纹与焊炬的端部连接；外罩和内筒之间形成开口向下、呈收敛形的层间收敛腔体；层间收敛腔体壁设有螺旋结构；所述外罩连接有至少一个进气管；压缩气装置通过进气管与层间收敛腔体连通。本技术电弧增材制造设备中，机器人用于带动焊炬移动实施电弧增材制造；宽禁带增材电源用于为焊炬提供电源，并对压缩气装置和保护气装置进行开关，以及驱动潜水送丝机进行送丝；潜水送丝机用于输送焊丝；压缩气装置用于向层间收敛腔体输入压缩气体；保护气装置用于向焊炬导电嘴输送保护气。本技术电弧增材制造设备既能为陆上电弧增材提供保护氛围，又能为水下电弧增材进行排水保护创造局部干燥空间，实现电弧增材设备水陆两用。进行水下电弧增材制造时，宽禁带增材电源打开压缩气装置，由于保护装置的层间收敛腔体空间逐渐缩小，压缩气装置输出的压缩气体形成螺旋气流，并且层间收敛腔体壁设有螺旋结构，可使螺旋气流进一步加速，层间收敛腔体腔口下方出口使形成高挺度高速气幕，创造出水下电弧增材制造的局部干燥空间；该方式形成的气幕速度和挺度较现有排水罩更高，因此可减少挡水套的设置，解决了挡水套遮挡焊丝的技术问题，便于获取焊丝与母材之间距离，有利于提高电弧增材制造的工艺质量。进行陆上电弧增材制造时，则无需排水创造干燥空间，宽禁带增材电源关闭压缩气装置，仅打开保护气装置；此时，保护装置起到焊炬喷嘴的保护作用，内筒将焊炬导电嘴喷出的保护气包围，从而形成气体保护层将电弧与空气隔绝，提高陆上电弧增材成型质量。优选地，所述螺旋结构包括沿外罩内壁设置的螺旋线凸纹和绕内筒外壁设置的螺旋形凸起。优选地，所述焊炬远离保护装置的一端固定于潜水送丝机的密封罩上，使潜水送丝机输出的焊丝经过焊炬伸出到内通孔中；潜水送丝机的密封罩还与保护气装置相连，使保护气装置输出的保护气通过潜水送丝机和焊炬流入到内通孔中。优选地，所述进气管为两个以上；各个进气管分别与外罩连接；各个进气管分别与层间收敛腔体相切，以使压缩气体进入层间收敛腔体后形成旋转气流。优选地，还包括用于获取焊丝与母材之间距离的视觉传感器；视觉传感器设置在机器人上，并与机器人信号连接。优选地，所述宽禁带增材电源包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的输入整流滤波电路、宽禁带全桥逆变电路、高频变压器和宽禁带全波整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相工频交流电相连，全波整流滤波电路与增材电弧负载相连。采用优化设计的宽禁带增材电源，硬开关逆变频率可达200kHz乃至更高，从而减小磁性元件体积、提高能量密度，动态响应迅速，有利于实现电弧能量精细化调控，提高增材电弧稳定性。优选地，所述宽禁带全桥逆变电路由宽禁带半导体功率开关管连接成全桥拓扑结构构成；所述宽禁带半导体功率开关管是指SiCMOSFET或SiCIGBT或GaN功率器件；所述宽禁带全波整流滤波电路由宽禁带肖特基二极管以及输出滤波电抗连接成全波整流滤波拓扑结构构成；宽禁带肖特基二极管是指SiC肖特基二极管或GaN肖特基二极管。优选地，所述控制电路包括与三相工频交流电相连并用于供电的供电电路、微处理器，以及与微处理器相连的宽禁带器件高频驱动电路、采样反馈电路和开关信号控制电路；所述宽禁带器件高频驱动电路与主电路的宽禁带全桥逆变电路连接；所述采样反馈电路与宽禁带全波整流滤波电路连接；所述开关信号控制电路连接分别与压缩气装置和保护气装置连接。优选地，所述开关信号控制电路包括达林顿晶体管阵列驱动芯片ULN1和两路驱动单元；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：包括宽禁带增材电源、潜水送丝机、焊炬、保护装置、机器人、压缩气装置和保护气装置；/n所述焊炬与机器人连接，以实现机器人带动焊炬移动进行电弧增材操作；所述宽禁带增材电源、潜水送丝机和焊炬依次连接；所述潜水送丝机还与保护气装置连接；所述宽禁带增材电源分别与压缩气装置和保护气装置连接，以实现压缩气装置和保护气装置的打开和关闭；/n所述保护装置包括内外套设的内筒和外罩；所述内筒形成内通孔；内通孔的顶部通过螺纹与焊炬的端部连接；外罩和内筒之间形成开口向下、呈收敛形的层间收敛腔体；层间收敛腔体壁设有螺旋结构；所述外罩连接有至少一个进气管；压缩气装置通过进气管与层间收敛腔体连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：包括宽禁带增材电源、潜水送丝机、焊炬、保护装置、机器人、压缩气装置和保护气装置；
所述焊炬与机器人连接，以实现机器人带动焊炬移动进行电弧增材操作；所述宽禁带增材电源、潜水送丝机和焊炬依次连接；所述潜水送丝机还与保护气装置连接；所述宽禁带增材电源分别与压缩气装置和保护气装置连接，以实现压缩气装置和保护气装置的打开和关闭；
所述保护装置包括内外套设的内筒和外罩；所述内筒形成内通孔；内通孔的顶部通过螺纹与焊炬的端部连接；外罩和内筒之间形成开口向下、呈收敛形的层间收敛腔体；层间收敛腔体壁设有螺旋结构；所述外罩连接有至少一个进气管；压缩气装置通过进气管与层间收敛腔体连通。


2.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述螺旋结构包括沿外罩内壁设置的螺旋线凸纹和绕内筒外壁设置的螺旋形凸起。


3.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述焊炬远离保护装置的一端固定于潜水送丝机的密封罩上，使潜水送丝机输出的焊丝经过焊炬伸出到内通孔中；潜水送丝机的密封罩还与保护气装置相连，使保护气装置输出的保护气通过潜水送丝机和焊炬流入到内通孔中。


4.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述进气管为两个以上；各个进气管分别与外罩连接；各个进气管分别与层间收敛腔体相切，以使压缩气体进入层间收敛腔体后形成旋转气流。


5.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：还包括用于获取焊丝与母材之间距离的视觉传感器；视觉传感器设置在机器人上，并与机器人信号连接。


6.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述宽禁带增材电源包括主电路和控制电路；
所述主电路包括依次连接的输入整流滤波电路、宽禁带全桥逆变电路、高频变压器和宽禁带全波整流滤波电路；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，钟启明，徐孟嘉，张芩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44