阅读说明：本技术 一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统及监控方法 (Atmosphere monitoring system and monitoring method for laser/electric arc material increase and decrease manufacturing equipment ) 是由 方学伟 任传奇 杨金波 王帅鹏 白浩 杨健楠 黄科 卢秉恒 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统及监控方法,本发明的红外点温仪设备可直接监测局部点温度或者监测熔池温度,为探索工艺窗口提供必要数据,同步可获得最佳成形温度,为工艺提供数据支撑,防止出现过热堆积或局部高温,及时规避成形过程中的缺陷。本发明能够应用场景于钛合金电弧/激光为热源的熔丝增减材制造过程,其效率高、集增减材一体化制造,其应用不局限与激光/电弧增减材形式,设备操作主体可以为机器人执行器和数控装备系统,多传感器复合可严格监测成形过程气氛环境,同时基于多传感器反馈的数据,控制各执行部件,实现了全过程自动化操作。(The invention discloses an atmosphere monitoring system and an atmosphere monitoring method for laser/electric arc material increase and decrease manufacturing equipment. The invention can be applied to the manufacturing process of increasing and decreasing materials of a fuse wire taking titanium alloy electric arc/laser as a heat source, has high efficiency, integrates the material increase and decrease and is manufactured integrally, the application of the invention is not limited to the material increase and decrease form with laser/electric arc, the equipment operation main body can be a robot actuator and a numerical control equipment system, the atmosphere environment of the forming process can be strictly monitored by compounding multiple sensors, and simultaneously, each execution part is controlled based on the data fed back by the multiple sensors, thereby realizing the automatic operation of the whole process.)

一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统及监控方法

技术领域

本发明属于增减材制造装备领域，具体涉及一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统及监控方法。

背景技术

将现代焊接技术用于制造形状各异的零件，这些方法被冠以一些特定的称谓，如焊接成形、熔化成形、快速原型、自由实体成形、形状金属沉积和三维焊接，但以电弧熔丝增材制造技术(Wire and arc additive manufacturing，WAAM)电弧熔丝3D打印的名称最为普遍。WAAM制造系统一般由电弧热源、自动送丝系统、计算机控制的机器人/数控平台和其他附属机构四部分组成。WAAM技术因其能够以高沉积速率、低设备成本、高材料利用率和由此产生的环境友好型来制造大型金属结构件而日益受到工业制造部门的关注。

减材制造技术是相对“增材制造”而言，即传统的机械加工方式，将原材料或者毛坯件以通用或者专用夹具装夹在工位中，以特定工序通过刀具减少或去除材料的加工方式保证零件的加工表面质量及尺寸公差，如车削、铣削、镗削等，即传统机械加工制造。

目前，3D打印技术已经成功的运用在国际空间、船舶、航空航天、医学、建筑等诸多领域，并取得了显著的进步。然而，仍然存在诸多阻碍其大规模应用发展的限制因素，如打印耗时长、打印质量无法在线监控并及时修改打印参数、打印精度不高需要再重新加工等。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统及监控方法，实现打印件高质量快速增减材。

为了达到上述目的，一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统，包括箱体，箱体内设置有工作台面，箱体内表面上设置有第一传感器组I和第二传感器组II，第一传感器组和第二传感器组对向设置，第一传感器组包括横向依次设置的第一微量氧含量传感器、第一常量氧含量传感器、第一露点仪、第一真空计和第一温度传感器，第二传感器组II包括横向依次设置第二微量氧含量传感器、第二常量氧含量传感器、第二露点仪、第二真空计和第二温度传感器，箱体内相邻的表面上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器，箱体通过管道分别连接真空泵、氩气瓶和压缩空气瓶，真空泵的开启以及箱体内通入氩气和/或压缩空气的量通过控制单元控制。

第一传感器组置于内部箱体有效总高3/4位置处，第二传感器组于内部箱体有效总高1/4位置处，第二传感器组高于工作台面，若实际工作台面的高度大于内部箱体有效总高的1/4，则h_2＝(h₃+150)mm，h₂为第二传感器组II距箱体底部高度，h₃为箱体底部的高度。

箱体与真空泵连接的管路上设置有真空泵调节电磁阀，箱体与氩气瓶连接的管路上设置有氩气电磁阀和氩气减压阀，箱体与压缩空气瓶连接的管路上设置有压缩空气电磁阀，真空泵调节电磁阀、氩气电磁阀和压缩空气电磁阀连接控制单元。

控制单元采用西门子S7-1200PLC和与之匹配西门子模拟量输入输出模块，模拟量输入模块支持4-20mA标准信号、0-10V标准信号，优选西门子TC模块用以采集温度信号。

一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤一，在箱体内进行洗气操作，使氩气环境下压力达到大气压P值，微氧含量和水含量将至阈值；

步骤二，在箱体内进行激光/电弧增减材制造，过程中第一传感器组、第二传感器组、持续采集箱体内数据，若采集数据超出阈值范围，则发出停止信号，并进行步骤一；

步骤三，增材成形过程结束后执行减材过程或者增减材同步执行，带最终减材过程结束后，开启真空泵抽出箱体内的氩气，然后通入压缩空气，待空气压力达到阈值内，打开仓门，取出样件。

步骤一中，洗气操作的具体方法如下：

第一步，根据需要通过控制单元控制开启真空泵，使箱体内达到所需真空度，关闭真空泵，在箱体内通入氩气，使箱体内气氛达到所需气氛环境压力，关闭氩气通入；

第二步，重复若干次第一步，完成洗气操作。

关闭真空泵之前，先关闭真空泵调节电磁阀。

与现有技术相比，本发明的红外点温仪设备可直接监测局部点温度或者监测熔池温度，为探索工艺窗口提供必要数据，同步可获得最佳成形温度，为工艺提供数据支撑，防止出现过热堆积或局部高温，及时规避成形过程中的缺陷。本发明能够应用场景于钛合金电弧/激光为热源的熔丝增减材制造过程，其效率高、集增减材一体化制造，其应用不局限与激光/电弧增减材形式，设备操作主体可以为机器人执行器和数控装备系统，多传感器复合可严格监测成形过程气氛环境，同时基于多传感器反馈的数据，控制各执行部件，实现了全过程自动化操作。

本发明的监控方法通过对密闭箱体内气氛环境的监控，首先完成激光/电弧熔丝增材制造环境的气氛要求；其次，增材过程或者增减材复合过程中，实时监控环境条件，压力条件、水氧含量及气氛温度作为阈值判断，当环境条件不满足，及时通过传感器反馈给控制单元进行补偿动作；成形结束后，待环境气氛及温度条件稳定后，再取出产品，确保操作安全可靠；全自动化步骤，操作便捷。

进一步的，本发明所有关闭真空泵之前，先关闭真空泵调节电磁阀，能够防止泄露发生，防止大气通过真空泵进入内部箱体。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的流程图；

其中，1、第一微量氧含量传感器，2、第一常量氧含量传感器，3、第一露点仪，4、第一真空计，5、第一温度传感器，6、箱体，7、视觉传感器，8、第二微量氧含量传感器，9、第二常量氧含量传感器，10、第二露点仪，11、第二真空计，12、第二温度传感器，13、氩气电磁阀，14、压缩空气电磁阀，15减压阀，16、手动调节阀，17、压缩空气瓶，18、氩气瓶，19工作台面，20、控制单元，21、真空泵调节电磁阀，22、真空泵，23、红外点测温传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统，包括箱体19，箱体19内设置有工作台面22，箱体19内表面上设置有第一传感器组I和第二传感器组II，第一传感器组I和第二传感器组II对向设置，第一传感器组I包括横向依次设置的第一微量氧含量传感器1、第一常量氧含量传感器2、第一露点仪3、第一真空计4，第一温度传感器5，第二传感器组II包括横向依次设置的第二微量氧含量传感器8、第二常量氧含量传感器9、第二露点仪10和第二真空计11、第二温度传感器12，箱体19内相邻的表面上，设置有视觉传感器7，箱体19通过管道分别连接真空泵,22、氩气瓶18和压缩空气瓶17，真空泵22的开启以及箱体19内通入氩气和/或压缩空气的量通过控制单元20控制。

第一传感器组1置于内部箱体有效总高3/4位置处，第二传感器组于内部箱体有效总高1/4位置处，第二传感器组高于工作台面19。

箱体19与真空泵22连接的管路上设置有真空泵调节电磁阀21，箱体19与氩气瓶18连接的管路上设置有氩气电磁阀13和氩气减压阀15，箱体19与压缩空气瓶17连接的管路上设置有压缩空气电磁阀14，真空泵调节电磁阀21、氩气电磁阀13和压缩空气电磁阀14连接控制单元20。

控制单元20采用西门子S7-1200PLC和与之匹配西门子模拟量输入输出模块，模拟量输入模块支持4-20mA标准信号、0-10V标准信号，优选西门子TC模块用以采集温度信号。

一种激光/电弧增减材制造装备气氛监控系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤一，根据需要通过控制单元20控制开启真空泵22，使箱体19内达到所需真空度，关闭真空泵22，在箱体19内通入氩气，使箱体内气氛达到所需气氛环境压力，关闭氩气通入；

步骤二，重复若干次第一步，完成洗气操作，使氩气环境下压力达到大气压P值，微氧含量和水含量将至阈值；

步骤三，在箱体19内进行激光/电弧增减材制造，过程中第一传感器组I、第二传感器组II、持续采集箱体19内气氛环境数据，若采集数据超出阈值范围，则发出停止信号，并进行步骤一和步骤二；

步骤四，增材成形过程结束后执行减材过程或者增减材复合过程，待最终减材过程结束后，开启真空泵22抽出箱体19内的氩气，然后通入压缩空气，待空气压力达到阈值内，打开仓门，取出样件。

实施例：

参见图2，将密封腔体抽真空至压力为30-100pa；真空泵、气动挡板阀关断，氩气减压阀打开并调节压力，然后氩气电磁阀打开，开始通入高纯度氩气，待内部腔体气氛环境压力升至(P1、P2)90±％5Kpa，氩气电磁阀关断，真空泵打开，真空泵挡板阀打开，真空泵继续动作抽真空，至30-100pa继续充氩气，重复上述操作，进行初步洗气操作；待氩气环境下压力达到大气压P值，微氧(OL1、OL2)含量降低至20-50ppm，水含量(W1、W2)降至50-100ppm时，给出信号可以进行激光/电弧增材成形操作，真空环境保证后方可进行增材成形，同步说明在此环境下根据实际工件需要可以进行增减材复合制造，即每次执行或者执行一段时间的增材后，执行减材过程，该过程值得是零件整个制造的过程中的工序子过程。

成形过程中，各传感器协同工作，控制器判断各传感器阈值来发出信号，若超出阈值范围，发出停止信号，表明此工况下已经不适合电弧/激光熔丝增材成形，需再次执行步骤一和步骤二，待达到工艺条件后，继续进行增材过程，增材过程各传感器同步工作，用以监测实时气氛环境变化P1和P2压力值在(Q＝P-300pa，N＝P+300paP为大气压值)，微氧(OL1、OL2)含量维持在(20-50ppm)，水含量(W1、W2)维持在(50-100ppm)，气氛(T1、T2)温度维持在(10-50℃)，如果不满足上述条件执行步骤一和步骤二；增材成形过程结束后执行减材过程或者增减材复合制造制造过程，待最终减材过程结束后，为确保操作人员的安全，取出样件需要先抽走气氛中的氩气，然后通入压缩空气，待压力接近大气压±0.5％范围内，氧含量接近当前空气含量ON±0.5％后可打开仓门，取出样件。

电弧增材制造逐层累积过程中会有大量热量产生，一定程度上会产生氧化夹杂等缺陷，不同的金属材料对成形气氛环境工况有不同的要求，钛合金材料成形需要较低的水氧含量，因此本发明对稳定、高效、高质量快速制造具有重要意义。实时监控打印环境，及时进行反馈补偿，给打印提供一个良好稳定的环境，确保打印产品的质量。

本发明的箱体适用于各种不同规格和形式的密封箱体，包括但不限于完全规则形状的箱体结构。