本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種電弧增材制造過程中的同步急速冷卻裝置和工藝方法?？梢韵娀≡霾闹圃爝^程中的熱堆積現(xiàn)象，改善構(gòu)件顯微組織，提升構(gòu)件的力學(xué)性能，大幅提高增材效率。

背景技術(shù)：

1、增材制造技術(shù)(additive?manufacturing,am)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用材料逐層累加的方法制造產(chǎn)品和零件的制造技術(shù)。其成形過程不受傳統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則約束，材料利用率高，無需模具，能夠?qū)崿F(xiàn)形狀復(fù)雜零件的快速成形。增材制造作為制造業(yè)核心競爭力提升和智能制造技術(shù)發(fā)展的重要方向和重點領(lǐng)域。

2、am技術(shù)依據(jù)熱源特征可分為電弧增材制造(waam)、激光增材制造(lam)和電子束增材制造(ebam)三類。waam)作為一種基于電弧焊接技術(shù)的am方法，因其高效、低成本的特點，受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過熔化金屬絲材，利用電弧為熱源逐層堆積材料，從而實現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速制造。相比于lam和ebam，waam具有設(shè)備成本較低、材料利用率高、生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)勢，尤其適用于中等復(fù)雜程度大尺寸構(gòu)件的快速增材制造。

3、在waam過程中，極高的熱輸入會使得工件急速升溫，隨著打印體積的增加，構(gòu)件的散熱條件變差，產(chǎn)生的熱堆積會影響金屬凝固成型，改變顯微組織，降低構(gòu)件性能。目前的生產(chǎn)過程大多采用層間停機冷卻的方法降低構(gòu)件溫度，冷卻效果差，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。目前也有一些輔助冷卻的方法，主要分為構(gòu)件整體冷卻和構(gòu)件基板冷卻。針對構(gòu)件整體的冷卻技術(shù)主要是通過液體浸入法和固體接觸法。液體浸入法在打印過程中液體蒸發(fā)的蒸汽容易入侵熔池，使構(gòu)件產(chǎn)生額外的缺陷，而固體接觸法只適用小尺寸直壁構(gòu)件的制造，不適用與形狀特殊和大尺寸構(gòu)件的制造。針對構(gòu)件基板的冷卻技術(shù)主要是通過液體循環(huán)冷卻基板，冷卻效果會隨著構(gòu)件沉積高度的增加而降低，對于多層構(gòu)件的冷卻效果十分有限。綜上所述，當(dāng)前waam過程中的冷卻方法均存在一定弊端。因此，亟待研發(fā)出一種不影響制造過程和構(gòu)件質(zhì)量，又具備良好冷卻效果的裝置與方法，從而有效提升制造效率，滿足實際生產(chǎn)需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種電弧增材制造過程急速冷卻裝置及工藝方法，通過液氬隨動冷卻和基板循環(huán)水冷卻，實現(xiàn)對打印過程的保護和高效冷卻，目的在于消除電弧增材制造過程中的熱堆積現(xiàn)象，改善waam構(gòu)件顯微組織，提升力學(xué)性能，大幅提高增材效率。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明的一種電弧增材制造過程急速冷卻裝置，其特征在于，包括基板冷卻卡具(25)、冷卻水箱(29)、液氬噴頭(24)；

3、所述基板冷卻卡具(25)，包括蓋板(1)、密封圈(3)、通水凹版(6)、基座(7)、冷卻水槽(8)，基座(7)上表面設(shè)有上設(shè)有一長方體凹槽即冷卻水槽(8)，冷卻水槽(8)基座(7)側(cè)邊設(shè)有進出水口(9)與冷卻水槽(8)連通，使得冷卻水在卡具內(nèi)充分循環(huán)；基座(7)的上表面為通水凹板(6)，通水凹板(6)的上表面設(shè)有一長方形凹槽，長方形凹槽用于放置基板(2)，長方形凹槽底部設(shè)有多個通水孔(4)，通水孔(4)使得冷卻水能夠直接接觸基板；通水凹板(6)的上面對應(yīng)為框架式蓋板(1)；蓋板(1)中間位置設(shè)有開口窗，蓋板(1)同時放置在基板(2)上方，用于壓緊基板(2)邊緣，使用螺栓通過固定螺孔(5)將連接蓋板(2)、通水凹版(6)和卡具基座(7)固定連接在一起，實現(xiàn)基板的裝卡固定；同時基板(2)放置在長方形凹槽內(nèi)之后，在基板(2)與通水凹板(6)之間設(shè)置密封圈(3)，防止冷卻水外溢入侵熔池。

4、所述液氬噴頭(24)，包括液氬供給管(10)、固定支具(11)、焊槍頭(12)、萬向接頭(13)、液氬噴嘴(14)，兩路液氬供給管(10)通過固定支具(11)并排固定在焊槍頭(12)兩側(cè)，在增材過程中與焊槍頭(12)同步運動；每路路液氬供給管(10)的底端通過萬向接頭(13)連接液氬噴嘴(14)，可以實現(xiàn)高度和角度的隨意調(diào)節(jié)，確保液氬噴射至指定冷卻區(qū)域，兩路液氬噴嘴(14)可以同時對焊槍頭(12)下端的兩個區(qū)域進行冷卻。

5、密封腔由柔性密封罩(21)和透明密封框(23)組成，所述基板冷卻卡具(25)位于密封腔內(nèi)，增材機器人手臂(17)與焊槍固定，使得焊槍頭(12)位于密封腔內(nèi)基板冷卻卡具(25)對應(yīng)的基板(2)處；柔性密封罩(21)可以在密封的同時不影響增材機器人手臂(17)的正常運動；透明密封框(23)為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以為密封腔提供支撐，同時透明設(shè)計不影響對增材過程的觀察；冷卻循環(huán)水管道(27)與進出水口(9)連接；

6、所述密封腔設(shè)置有單向氣閥(20)，密封腔內(nèi)氣壓高時氣體會通過單向氣閥排出，單向氣閥設(shè)置于密封框上部，確保密度較低的空氣排盡；

7、密封腔設(shè)有氧氣濃度儀(22)，其氧氣測量范圍為0％～30％，精度為0.1％，帶有數(shù)字顯示屏，可以實時顯示氧氣含量。

8、液氬供給管(10)通過液氬輸送管(16)與自增壓液氬罐(26)連接。

9、冷卻水箱(29)內(nèi)設(shè)有循環(huán)泵(28)，冷卻循環(huán)水管道(27)與循環(huán)泵(28)連接，冷卻水箱(29)自帶冷卻風(fēng)機和換熱器，可以確保在一定范圍內(nèi)冷卻水溫度恒定。

10、自增壓液氬罐(26)設(shè)有氣相閥和液相閥，可以選擇輸出氬氣或液氬，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量。液氬輸送管(16)外部包有保溫棉，減少液氬在管道內(nèi)的損耗。

11、本發(fā)明包括以下步驟：

12、步驟一，將經(jīng)過打磨清潔處理的基板裝卡固定在基板冷卻卡具上，將冷卻卡具放入密封框內(nèi)，打開循環(huán)水泵，接通冷卻水箱，確?？ň呙芊馇依鋮s水穩(wěn)定循環(huán)，避免冷卻水入侵熔池；

13、步驟二，通過操控機器人手臂，將裝配有兩個液氬噴頭的焊槍調(diào)節(jié)至增材起點位置，調(diào)整萬向接頭，確定液氬噴射位置；

14、步驟三，閉合柔性密封腔，打開自增壓液氬罐氣體閥門，利用氬氣將密封腔內(nèi)空氣從單向氣閥排出，當(dāng)氧氣濃度儀示數(shù)低于0.2％時，確認(rèn)空氣排盡，避免空氣凝結(jié)水影響熔池；

15、步驟四，打開自增壓液氬罐液體閥門，調(diào)整流量至液氬穩(wěn)定噴射狀態(tài)，使用相應(yīng)的工藝參數(shù)運行焊機和機器人，進行急速冷卻下的電弧增材制造。

16、本發(fā)明包括以下有益效果：

17、1、高效冷卻，采用液氬隨動冷卻和基板循環(huán)水冷卻相結(jié)合的方式，能夠快速帶走電弧增材制造過程中產(chǎn)生的熱量，有效消除熱堆積現(xiàn)象，冷卻效果顯著。

18、2、提升構(gòu)件質(zhì)量，良好的冷卻效果使得金屬凝固成型過程更加穩(wěn)定，改善了構(gòu)件的顯微組織，進而提升了構(gòu)件的力學(xué)性能，如硬度、抗拉強度。

19、3、提高生產(chǎn)效率，大幅降低了增材過程中的層間停留時間，在保證冷卻效果的同時，可連續(xù)進行增材制造，大幅提高了增材效率。

20、4、適用范圍廣，該裝置和工藝方法適用于多種形狀和尺寸的構(gòu)件制造，無論簡單形狀零件還是復(fù)雜構(gòu)件，均能發(fā)揮良好的冷卻效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

21、5、熔池保護效果，通過密封組件和合理的氣體置換過程，液氬在完成冷卻任務(wù)后，會氣化為氬氣，這些氬氣直接作為熔池的保護氣。不僅有效規(guī)避了空氣與凝結(jié)水對熔池的侵?jǐn)_，更確保了熔池的穩(wěn)定性與純凈度，有利于提高增材制造的質(zhì)量。