一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置和方法，包括增材制造设备、连接装置、双侧激光加热装置、激光发射器、结构光相机、反馈调节装置。在电弧增材过程中双侧激光加热装置位于焊枪前侧并与焊枪保持同步运动，电弧增材制造前利用双侧激光加热装置预置温度梯度，改变了沉积层的凝固方式以及沉积层的浸润角，实现对成形件形状的控制。将结构光相机中提取到表面轮廓形貌信息传输到反馈调节装置与预沉积的表面形貌进行比较所得信息作为控制信号，控制两侧激光发射器发射功率，达到改善增材时因为边缘热输入不足，导致的材料浸润不足，层与层直接结合不良的缺陷和焊枪中心线两侧温度不一致或送丝偏心导致的表面成形缺陷的目的。的表面成形缺陷的目的。的表面成形缺陷的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置和方法


[0001]本专利技术属于增材制造领域，尤其涉及一种电弧增材制造过程中改善沉积层组织性能及尺寸的装置和方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术又被称为“3D打印”、“快速成型”，是基于分层制造原理，采用材料逐层堆积的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。其成型过程不受传统设计准则的约束，材料利用率高，能够实现形状复杂零件的快速成型。增材制造技术按照热源可以分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造等，其中电弧增材制造由于其高沉积速率、设备简单低成本等优点受到了人们广泛关注。但是其也存在增材制造过程中局部大热输入，使沉积层组织粗大；在进行增材制造过程中，如果基板以及已沉积沉积层的表面温度与需要增材制造沉积的下一层之间的温差较大，极易造成成型件成形的缺陷，影响加工指标；增材制造过程中热积累增大，出现沉积层塌陷、成形精度低等问题。
[0003]具体而言，增材制造过程中沉积层边缘热输入不足，形成咬边等缺陷；同时由于热输入分布不均匀，使熔池流动性不足，产生增材表面凹陷等缺陷；增材制造多层堆积过程中会存在层与层之间熔合不良以及多层堆积后沉积层塌陷等问题。现有的研究大多数通过对沉积层整体预热或者在增材之后快速降温冷却或二者并用的方式，能够在一定程度上改善沉积层的组织性能，但对沉积层形貌改变较小。对此本专利技术提出一种在增材制造过程中随增材制造过程局部预置温度梯度控制成形并改善沉积层组织性能的装置和方法。在电弧增材过程中双侧激光加热装置位于焊枪前侧并与焊枪保持同步运动，电弧增材制造前利用双侧激光加热装置预置温度梯度，改变了沉积层的凝固方式以及沉积层的浸润角，实现对成形件形状的控制。同时在增材制造过程中，将结构光相机中提取到表面轮廓形貌信息传输到反馈调节装置与预沉积的表面形貌进行比较所得信息作为控制信号，控制两侧激光发射器发射功率，达到改善增材时因为边缘热输入不足，导致的材料浸润不足，层与层直接结合不良的缺陷和焊枪中心线两侧温度不一致或送丝偏心导致的表面成形缺陷的目的，解决增材制造过程中出现的表面缺陷问题。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种在电弧增材制造过程中通过预置温度梯度改善沉积层组织并控制成形的装置和方法，满足不同需求下的电弧增材制造。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种电弧增材制造过程中控制成形及改善组织性能的装置，其特征在于：包括：增材制造设备、连接装置、双侧激光加热装置、激光发射器、结构光相机、反馈调节装置；所述的增材制造设备包括焊枪、焊接电源、气瓶、送丝装置；在电弧增材制造过程中，两侧激光加热装置由连接装置连接，位于焊枪前一定距离并随着焊枪同时运动。通过调节连接装置，实现两侧激光加热装置与焊枪以及加热区域位置的调节；增材制造过程中热源由与焊枪连接
的焊接电源以及激光加热装置提供；送丝装置通过送丝装置连接板与焊枪上的连接装置相连，使焊枪和送丝装置同步运动。结构光相机装夹于焊枪后侧，配合合适的滤光片，检测沉积层表面轮廓形貌。
[0007]所述两侧激光加热装置位于焊枪前侧，在增材过程之前对需增材沉积区域两侧边缘处进行加热，使待沉积区域形成一个两侧温度高中间温度低的预置温度梯度。通过激光器调节激光发射功率，随着激光功率的增加，使两侧激光加热装置对加热区域的温度也提高，预置温度梯度增大，使沉积凝固过程中垂直于焊枪运动方向所产生的温度梯度减小，在后续凝固过程中改变了沉积层凝固的方式，使沉积层倾向于同时凝固；同时由于两侧温度较高，熔滴的浸润角变大，有利于熔滴向两侧运动，使沉积层宽度增加；预置温度场给沉积层边缘提供了足够的热输入，增加了熔滴的润湿性能，有利于于已沉积区域结合。同时两侧激光加热装置沉积第一层时对基板也起预热作用，能改善了沉积层的组织性能。
[0008]所述连接装置包括连接块、M10的长螺杆、YOZ平面调位装置；连接块固定在焊枪上，作为两侧加热装置与焊枪相对位置调位的基准结构件；焊枪、连接块、M10长螺杆，YOZ平面调位装置以及两侧激光加热装置通过螺栓依次连接。通过调节连接装置调节两侧激光加热装置与焊枪的前后位置以及增材区域待加热区域位置，使激光加热装置处于一个合适位置。
[0009]所述结构光相机装夹于焊枪后侧，配合滤光片检测沉积层表面轮廓形貌信息；根据结构光相机检测到的沉积层表面轮廓形貌信息，实时调节两侧激光发射器的激光功率，控制两侧激光加热装置预置的温度梯度，改善增材制造过程中层间及侧边形貌不平整缺陷，获得表面平整，成形良好的沉积层。
[0010]所述反馈调节装置与结构光相机和两侧激光发射器相连。结构光相机中提取到表面轮廓形貌信息传输到反馈调节装置与预沉积的表面形貌进行比较，将比较所得信息作为控制信号，控制两侧激光发射器发射功率，达到改善增材时因为边缘热输入不足，导致的材料浸润不足，层与层直接结合不良的缺陷和焊枪中心线两侧温度不一致或送丝偏心导致的表面成形缺陷的目的。
[0011]所述激光器发射激光为线激光，两侧激光加热装置能调控的温度范围为50
‑
1200℃
[0012]所述的焊丝种类为不锈钢、铝合金、碳钢、镁合金、钛合金、铜合金、镍合金等。
[0013]所述进行增材材料的导热系数为5
‑
80W/(m
·
K)时，激光的功率为200
‑
400W；当进行增材材料的导热系数为80
‑
300W/(m
·
K)时，激光的功率为400
‑
1000W；当进行增材材料的导热系数为300
‑
500W/(m
·
K)时，激光的功率为600
‑
1200W。
[0014]一种电弧增材制造过程中改善沉积层组织性能及尺寸的装置和方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一：调节连接装置使两侧激光加热装置线激光在所需沉积层边缘内侧1mm位置,调位结束后紧固连接装置，使两侧激光加热装置与焊枪能够保持相对运动的同步关系。
[0016]步骤二：启动两侧激光加热装置后再启动增材装置，两侧激光加热装置相对在焊枪前，先对基板进行温度场预置。焊枪、连接装置、两侧激光加热装置、焊接电源协同运动进行增材制造，获得成形较好的沉积层；根据结构光相机检测到的沉积层表面轮廓形貌信息，与反馈调节装置中预设的沉积层表面形貌进行对比：若发现焊枪中心线两侧沉积层不对
称，存在一侧多另一侧少的情况，则反馈调节装置输出一个提高沉积层少一侧激光功率、降低沉积层多一侧激光功率的信号到两侧激光发射器，实时调节两侧激光发射器的激光功率，改善增材时因为焊枪中心线两侧温度不一致或送丝偏心导致的表面成形缺陷；若发现沉积层两侧浸润角小于预沉积浸润角，则反馈调节装置输出一个提高两侧激光功率的信号到激光发射器，反之则是输出一个降低两侧激光功率的信号到激光发射器，实时调节两侧激光发射器的激光功率，改善增材时因为边缘热输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置，其特征在于：包括增材制造设备、连接装置(5)、双侧激光加热装置(4)、激光发射器(9)、结构光相机(6)、反馈调节装置(2)；所述的增材制造设备包括焊枪(1)、焊接电源(8)、气瓶(7)、送丝装置(3)；在电弧增材制造过程中，焊枪(1)的侧部设有结构光相机(6)，结构光相机(6)及双侧激光加热装置(4)由连接装置(5)连接为整体，该整体位于焊枪(1)前一定距离并随着焊枪(1)同时运动；通过调节连接装置(5)，实现两侧激光加热装置(4)与焊枪(1)以及加热区域位置的调节；在电弧增材制造过程中，熔丝增材的热源由与焊枪(1)相连的焊接电源(8)，以及与双侧激光加热装置(4)相连的激光发射器(9)提供；送丝装置(3)通过送丝装置连接板与焊枪(1)上相连，使焊枪(1)和送丝装置(3)同步运动；焊枪(1)还与气瓶(7)相连；反馈调节装置(2)与结构光相机(6)和两侧激光发射器(9)相连。2.根据权利要求1所述一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置，其特征在于：所述连接装置(5)包括连接块(5
‑
1)、M10的长螺杆(5
‑
2)、YOZ平面调位装置(5
‑
3)；所述连接块(5
‑
1)固定在焊枪(1)上，作为两侧激光加热装置(4)与焊枪(1)相对位置调位的基准结构件；焊枪(1)、连接块(5
‑
1)、M10长螺杆(5
‑
2)，YOZ平面调位装置(5
‑
3)以及两侧激光加热装置(4)通过螺栓依次连接。3.根据权利要求1所述一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置，其特征在于：通过调节连接装置(5)调节两侧激光加热装置(4)位于焊枪(1)的位置，以及激光照射位置位于待增材沉积区域边缘处；在增材沉积之前，对待增材沉积区域边缘处进行加热，使待增材沉积区域边缘处存在一个两侧温度高中间温度低的预置温度梯度，改变沉积层的凝固方式以及沉积层的浸润角，使沉积层宽度增加、表面平整，实现对成型件成形的控制，同时两侧激光加热也对基板整体起预热作用，改善沉积层的组织性能。4.根据权利要求1所述一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置，其特征在于：激光发射器(9)发射的激光为线激光，随着激光发射器(9)发射激光功率的增加，两侧激光加热装置(4)对加热区域的温度也提高；根据激光功率、行走速度和温度的关系以及所用增材材料，在增材制造前选择激光功率，对待沉积区域边缘进行加热，形成一个中间低两边高的预置温度梯度。5.根据权利要求1所述一种电弧增材制造中控制成形及改善性能的装置，其特征在于：结构光相机(6)装夹于焊枪(1)后侧，配合滤光片检测沉积层表面轮廓形貌信息；根据结构光相机(6)检测到的沉积层表面轮廓形貌信息，实时调节两侧激光发射器(9)的激光功率，控制两侧激光加热装置预置的温度梯度，改善增材制造过程中层间及侧边形貌不平整缺陷，获得表面平整，成形良好的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国凯，许志合，蒋凡，陈树君，徐斌，彭勇，
申请(专利权)人：广东艾迪特智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：