【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种等离子熔丝增材用原位在线控温夹具。所述装置可实现对等离子熔丝增材制造的基板原位动态均匀化加热功能，并针对增材过程中基板余热积累且分布不均造成基板与基体变形与成形材料缺陷的问题提出一种原位式水冷散热方法，以此提高等离子熔丝增材的工作效率。
技术介绍
1、随着实验与研究的推进，学者发现提前预热基板可有效提高等离子熔丝增材基层的熔覆成形质量，但目前应用于等离子熔丝增材的预热手段单一，缺少高效的原位加热方法；等离子熔丝增材以电弧为载能束，热输入量高且热源具备往复性，而在逐层成形的过程中，熔覆层连续堆积引起大量的余热集中积累，向基板传递导致基板温度分布不均引起基板变形、结构开裂等缺陷，且随着逐层熔覆基板减缓变形，因此在增材初期解决基板温度分布差异问题是缓解基板变形的关键；而随逐层沉积分布在成形结构中的累积余热是造成成形材料缺陷的原因，因此在增材初期过后应当及时排散增材余热。
2、解决等离子熔丝增材过程中的温度控制问题，其本质还是为解决增材热输入量大、预热效率低的问题。目前针对焊接用的散热夹具的研究成果大致分为两类，一类是将导热率大的材料制作成导热部件排散焊接热，如专利技术专利（公开号：cn205271265 u）公开一种焊接用散热夹具；另一类是利用喷淋对焊接过程进行降温，如专利技术专利（公开号：cn110883487 a）公开的一种具有水冷散热功能的焊接定位夹具，其水冷散热方式为对加工工件表面直接喷洒降温。但是安全性，和生产效率均需要提高。目前对于焊接预热的加热平台也有研究成果，如专利技术专利（公开号：cn2
技术实现思路
1、专利技术目的：针对目前等离子熔丝增材工艺过程中，基板提前预热往往采用繁琐且低效的非原位预热方式，且现有冷却手段未能实施有效排散增材热积累的不足，本专利技术提供一种等离子熔丝增材用原位在线控温夹具及其操作方法，该装置可对增材过程中的热量自适应控制，实现等离子熔丝增材的原位预热、排热以及热量均匀化处理，提高增材过程的工作效率、稳定性以及成形质量。
2、技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：
3、一种等离子熔丝增材控温夹具装置，主要由装夹模块、加热模块及散热模块构成；所述装夹模块由装夹螺钉、异形夹板、基板与夹具平台构成，所述装夹螺钉、基板与夹具平台实现对基板的机械装夹；所述加热模块由加热棒、加热腔、测温仪、控制器组成，所述加热棒被封装于加热腔内，与所述控制器、控制仪串联，所述测温仪多个测温点均匀分布于基板上表；所述散热模块由控制器、冷却流道、冷水机、波纹管组成，所述冷却流道开设在夹具本体侧面且平行位于加热腔下方，所述波纹管接冷却流道，与所述冷水机出水口与进水口连接形成闭环冷却水路；
4、所述加热模块的加热腔呈封闭式柱状，所述加热腔等距平行于装夹基板平面；
5、所述加热模块的启停受所述控制器控制，所述测温仪将监测点位实时温度作为控制依据反馈至控制器；
6、所述加热腔开设在夹具本体侧面，所述加热棒以加盖封装的方式置于加热腔内，所述测温仪置于夹具本体外；
7、所述散热模块的冷却流道呈贯穿式柱形通孔状，所述波纹管连接同侧冷却流道的端口，实现所述冷却流道首尾相连式“u”形连接。
8、一种等离子熔丝增材控温夹具装置的操作方法，步骤如下：
9、（1）将等离子熔丝增材用基板完成机械装夹后，调节测温仪监测位置均匀分布于基板上表面；
10、（2）开启加热模块工作电源，调节控制器的预热温度、保温时间、散热控制温度区间及基板位移阈值；
11、（3）待等离子熔丝增材完成后，夹具装置顺序运行加热模块与散热模块后，切断总工作电源。
12、有益效果：
13、（1）本夹具装置加热模块可实现对基板的原位加热，其中预热模式可对基板进行均匀化预热，加热模式可在增材过程中对基板进行动态热平衡调节，降低板面温度梯度差异，缓解等离子熔丝增材过程中由于热量集中分布不均带来的基板变形；
14、（2）本夹具装置的散热模块可实现对基板的原位散热，有效快速排散增材熔覆层堆积的热量积累。
15、（3）本专利技术的夹具装置可根据等离子熔丝增材逐层成形过程中对温度分布和形变的要求，顺序调控阵列加热棒与冷水机的启停，通过加热腔—夹具本体—基板的加热路径与基板—夹具本体—冷却流道的散热路径，实现针对增材过程中装夹基板温度的分序、原位调控效果。
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1.一种等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，包括：装夹模块、加热模块及散热模块；所述装夹模块对等离子熔丝增材基板实现机械固定；
2.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述装夹模块包括：夹具本体（10）、异形压板（2）、装夹螺钉（5），所述夹具本体呈方形块状，上表面布置阵列螺纹孔，配合所述装夹螺钉与异形压板实现基板固定；夹具本体水平向设有两层空腔，其中上层空腔内置加热棒，下层空腔内接通冷却水。
3.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述加热模块包括：加热棒、加热腔、测温仪、激光位移传感器、控制器；所述加热腔水平向位于夹具本体内，端部开口于夹具本体侧面，所述加热棒阵列排布封装于加热腔内，所述加热棒作为热源，通过加热腔之间构建的传热路径与所述控制器形成闭环加热回路，所述测温仪监控装夹基板表面多点位为所述控制器提供加热棒功率调控信号，所述激光位移传感器监测装夹基板的垂直方向变形量为加热棒提供功率控制信号，测温仪和激光位移传感器均连接至控制器。
4.根据权利要求1所述的等离子熔丝增
5.根据权利要求书1或2所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述加热腔呈柱状封闭式，所述加热腔等距平行于夹具本体内。
6.根据权利要求书1或4所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述散热模块的冷却流道呈贯穿式柱形通孔状，借助波纹管连接同侧冷却流道的端口，实现所述冷却流道首尾相连式U形连接。
7.根据权利要求书1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述的异形压板截面呈“Z”字形，一端用于压制基板侧边，另一端借助装夹螺钉5固定于夹具本体10上。
8.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具的操作方法，其特征在于，步骤（4）的运行加热模块具体操作是：等离子熔丝增材完成，加热模块退出预热模式进入加热模式，加热棒功率增大，激光位移传感器开始工作，测温仪监测增材过程中基板表面的实时温度分布状况，由控制器接收信号动态调节各加热棒功率使板面温度分布均匀以缓解基板变形，当激光位移传感器监测到基板边缘变形超出阈值后，控制器切断加热棒电源，加热模块终止工作的同时开启散热模块。
10.根据权利要求8所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具的操作方法，其特征在于，步骤（4）的运行散热模块具体操作是：当散热模块开始工作时，控制器根据测温仪反馈温度自适应调节冷水机在冷却流道的流量或者流速以调节板面温度达到预设温度值，待增材结束，基板温度低于预设值后终止散热模块运行。
...【技术特征摘要】
1.一种等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，包括：装夹模块、加热模块及散热模块；所述装夹模块对等离子熔丝增材基板实现机械固定；
2.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述装夹模块包括：夹具本体（10）、异形压板（2）、装夹螺钉（5），所述夹具本体呈方形块状，上表面布置阵列螺纹孔，配合所述装夹螺钉与异形压板实现基板固定；夹具本体水平向设有两层空腔，其中上层空腔内置加热棒，下层空腔内接通冷却水。
3.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述加热模块包括：加热棒、加热腔、测温仪、激光位移传感器、控制器；所述加热腔水平向位于夹具本体内，端部开口于夹具本体侧面，所述加热棒阵列排布封装于加热腔内，所述加热棒作为热源，通过加热腔之间构建的传热路径与所述控制器形成闭环加热回路，所述测温仪监控装夹基板表面多点位为所述控制器提供加热棒功率调控信号，所述激光位移传感器监测装夹基板的垂直方向变形量为加热棒提供功率控制信号，测温仪和激光位移传感器均连接至控制器。
4.根据权利要求1所述的等离子熔丝增材用原位在线控温夹具，其特征在于，所述散热模块包括：冷却流道、冷水机、控制器、波纹管、控制器；所述冷却流道开设在所述夹具本体侧面且平行位于所述加热腔下方，所述波纹管连接所述散热路径和所述冷水机，与所述控制器形成闭环散热回路，所述测温仪监控基板温度为所述控制器提供流量调控信号。
5.根据权利要求书1或2所述的等离子熔丝增...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱宁，瞿佳豪，孙世豪，苏宏华，傅玉灿，赵建社，陈玉荣，杨浩骏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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