一种金属增材制造用液氮速冷装置

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种金属增材制造用液氮速冷装置。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，是一种采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。增材制造不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，更不需要模具，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，因此受到了人们的青睐，得到了快速的发展。然而由于增材制造中固有的热循环梯度，导致合金中出现粗大的柱状晶，严重影响合金性能，阻碍了增材制造技术发展。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种金属增材制造用液氮速冷装置，其能够在增材制造的每层制造过程中或者每层制造结束后，对增材制造合金进行快速冷却，并且快速清除速冷产生的水蒸气，消除热梯度，从而克服柱状晶形成的问题，改善增材制造合金性能。

本发明的技术方案是：

一种金属增材制造用液氮速冷装置，包括通过紧固螺杆连接的两个液氮速冷模块，且两个液氮速冷模块通过紧固螺杆固定在增材制造设备的激光头或电弧头上，

所述液氮速冷模块包括冷却模块与吸气模块，其中冷却模块包括液氮冷却喷头，吸气模块包括用于抽吸水蒸气的吸气头。本方案的金属增材制造用液氮速冷装置的具体使用如下，将两个液氮速冷模块置于增材制造设备的激光头或电弧头的相对两侧，然后通过锁紧紧固螺杆，使两个液氮速冷模块抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。在增材制造时（激光头或电弧头进行逐层堆积制造时），能够在每层制造过程中或者每层制造结束后，通过液氮冷却喷头向增材制造合金吹雾化的液氮，从而对增材制造合金进行快速冷却，并通过吸气模块的吸气头将速冷产生的水蒸气快速的抽吸清除，从而消除热梯度，从而克服柱状晶形成的问题，改善增材制造合金性能。另外，快速的冷却还可增加过冷度，增加合金形核，细化晶粒，有助形成等轴晶，从而进一步改善增材制造合金性能。

作为优选，冷却模块包括：

升降机构，升降机构带动所述液氮冷却喷头上下升降；

平移机构，平移机构带动所述的升降机构和液氮冷却喷头一同平移。如此，可以根据实际增材制造零部件的形状与尺寸，通过升降机构和平移机构来调节液氮冷却喷头的位置，以适应不同形状与尺寸的增材制造零部件的速冷需要。另一方面，随着增材制造的进行，增材制造零部件的尺寸逐渐增加，还可以通过升降机构和平移机构来调节液氮冷却喷头的高度与水平方向的位置，从而满足不断增大的增材制造零部件速冷需求。

作为优选，液氮冷却喷头为能够旋转的液氮冷却喷头。如此，可以调节液氮冷却喷头吹液氮的方向，有利于满足增材制造合金的冷却需求。

作为优选，液氮冷却喷头的喷口内设有风向调节结构，风向调节结构用于调节由液氮冷却喷头的喷口喷出的液氮方向。如此，有利于满足增材制造合金的冷却需求。

作为优选，风向调节结构包括转动设置在液氮冷却喷头的喷口内上下调节板与左右调节板。

作为优选，吸气头包括细孔组与粗孔组，细孔组包括若干设置在吸气头上的吸气细孔，粗孔组包括若干设置在吸气头上的吸气粗孔，吸气粗孔的横截面积大于吸气细孔的横截面积。

作为优选，吸气粗孔内设有控制吸气粗孔通断的开关阀板。如此，在增材制造时，若蒸汽量大时，吸气头包括细孔组与粗孔组均打开，处于工作状态，将速冷产生的水蒸气快速的抽吸清除。在增材制造时，若蒸汽量小，可以通过开关阀板关闭吸气粗孔，仅细孔组处于工作状态，将速冷产生的水蒸气抽吸清除。

作为优选，同一液氮速冷模块包括两个所述的冷却模块，同一液氮速冷模块中的两个冷却模块分布在吸气模块的相对两侧。如此，可以通过同一液氮速冷模块中的两个冷却模块的液氮冷却喷头对增材制造合金的相对两侧同时进行冷却，提高冷却均匀性。

作为优选，液氮速冷模块还包括弧形连接板，同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块均通过螺栓连接在弧形连接板上。如此，可以通过更换不同内径的弧形连接板，来调节同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块的位置，有利于使同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块与不同外径小激光头或电弧头形成紧密配合，使两个液氮速冷模块能够更加稳定的抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。

作为优选，两个液氮速冷模块的相对两外侧壁为与激光头或电弧头配合的弧形侧壁。如此，有利于两个液氮速冷模块与激光头或电弧头形成紧密配合，使两个液氮速冷模块能够更加稳定的抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。

本发明的有益效果是：在增材制造时，能够在每层制造过程中或者每层制造结束后，通过液氮冷却喷头向增材制造合金吹雾化的液氮，从而对增材制造合金进行快速冷却，并通过吸气模块的吸气头将速冷产生的水蒸气快速的抽吸清除，从而消除热梯度，从而克服柱状晶形成的问题，改善增材制造合金性能。另外，快速的冷却还可增加过冷度，增加合金形核，细化晶粒，有助形成等轴晶，从而进一步改善增材制造合金性能。

附图说明

图1是本发明的一种金属增材制造用液氮速冷装置的一种三维结构示意图。

图2是本发明的一种金属增材制造用液氮速冷装置的液氮冷却喷头的一种局部结构示意图。

图3是本发明的一种金属增材制造用液氮速冷装置的吸气头的一种局部结构示意图。

图中：

液氮速冷模块1；

冷却模块2，液氮冷却喷头2.1，升降机构2.2，升降调节手柄2.21，平移机构2.3，平移导槽2.31，平移调节手柄2.32，冷却模块壳体2.4；

吸气模块3，吸气头3.1，吸气细孔3.11，吸气粗孔3.12，开关阀板3.13；

弧形连接板4；

紧固螺杆5。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

具体实施例一，如图1所示，一种金属增材制造用液氮速冷装置，包括通过紧固螺杆5连接的两个液氮速冷模块1。两个液氮速冷模块1通过紧固螺杆5固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。本实施例中，紧固螺杆5为两根，两根紧固螺杆分布在增材制造设备的激光头或电弧头的两侧。液氮速冷模块1包括冷却模块2与吸气模块3，其中冷却模块包括液氮冷却喷头2.1，吸气模块包括用于抽吸水蒸气的吸气头3.1。

本实施例的金属增材制造用液氮速冷装置的具体使用如下，将两个液氮速冷模块置于增材制造设备的激光头或电弧头的相对两侧，然后通过紧固螺杆连接两个液氮速冷模块，并锁紧该紧固螺杆，使两个液氮速冷模块抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。在增材制造时（激光头或电弧头进行逐层堆积制造时），能够在每层制造过程中或者每层制造结束后，通过液氮冷却喷头向增材制造合金吹雾化的液氮，从而对增材制造合金进行快速冷却，并通过吸气模块的吸气头将速冷产生的水蒸气快速的抽吸清除，从而消除热梯度，从而克服柱状晶形成的问题，改善增材制造合金性能。另外，快速的冷却还可增加过冷度，增加合金形核，细化晶粒，有助形成等轴晶，从而进一步改善增材制造合金性能。

具体的，如图1所示，两个液氮速冷模块对称分布。同一液氮速冷模块1包括两个冷却模块2和一个吸气模块3。同一液氮速冷模块中的两个冷却模块分布在吸气模块的相对两侧。如此，可以通过同一液氮速冷模块中的两个冷却模块的液氮冷却喷头对增材制造合金的相对两侧同时进行冷却，提高冷却均匀性。

进一步的，如图1所示，液氮速冷模块1还包括弧形连接板4。同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块均通过螺栓连接在弧形连接板上，同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块通过弧形连接板连为一体。如此，可以通过更换不同内径的弧形连接板，来调节同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块的位置，有利于使同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块与不同外径小激光头或电弧头形成紧密配合，使两个液氮速冷模块能够更加稳定的抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。

本实施例中，两个液氮速冷模块的相对两外侧壁为与激光头或电弧头配合的弧形侧壁。具体的，各冷却模块和吸气模块均有一外侧壁为弧形壁，同一液氮速冷模块的两个冷却模块和吸气模块中的弧形壁构成所述的弧形侧壁。如此，有利于两个液氮速冷模块与激光头或电弧头形成紧密配合，使两个液氮速冷模块能够更加稳定的抱紧固定在增材制造设备的激光头或电弧头上。

进一步的，如图1所示，冷却模块2包括升降机构2.2与平移机构2.3。升降机构带动液氮冷却喷头2.1上下升降。平移机构带动所述的升降机构和液氮冷却喷头一同平移。本实施例中，冷却模块包括冷却模块壳体2.4，升降机构与平移机构设置在冷却模块壳体上。升降机构为丝杆升降机，该丝杆升降机为手动丝杆升降机或电动丝杆升降机。本实施例中，升降机构为手动丝杆升降机，手动丝杆升降机包括升降调节手柄2.21，通过升降调节手柄来带动液氮冷却喷头上下升降。平移机构2.3包括平移驱动机构及平移导轨或平移导槽2.31，升降机构沿平移导轨或平移导槽移动，平移驱动机构驱动升降机构沿平移导轨或平移导槽移动。平移驱动机构为气缸或电动推杆。本实施例中，平移驱动机构为手动丝杆驱动机构，其包括带有平移调节手柄2.32的丝杆及与升降机构连接的螺母，该丝杆转动设置在冷却模块壳体上并与螺母配合，通过平移调节手柄驱动丝杆转动，进而带动升降机构沿平移导轨或平移导槽移动。如此，可以根据实际增材制造零部件的形状与尺寸，通过升降机构和平移机构来调节液氮冷却喷头的位置，以适应不同形状与尺寸的增材制造零部件的速冷需要。另一方面，随着增材制造的进行，增材制造零部件的尺寸逐渐增加，还可以通过升降机构和平移机构来调节液氮冷却喷头的高度与水平方向的位置，从而满足不断增大的增材制造零部件速冷需求。

进一步的，液氮冷却喷头为能够旋转的液氮冷却喷头。如此，可以调节液氮冷却喷头吹液氮的方向，有利于满足增材制造合金的冷却需求。

进一步的，如图2所示，液氮冷却喷头2.1的喷口2.11内设有风向调节结构，风向调节结构用于调节由液氮冷却喷头的喷口喷出的液氮方向。风向调节结构包括转动设置在液氮冷却喷头的喷口内上下调节板与左右调节板、用于调节上下调节板的角度的上下调节手柄2.12及用于调节左右调节板的角度的左右调节手柄2.13。如此，可以调节由液氮冷却喷头的喷口喷出的液氮方向，有利于满足增材制造合金的冷却需求。

进一步的，吸气模块还包括排气泵或排气扇，吸气头与排气泵或排气扇连接。通过排气泵或排气扇与吸气头连通，将将速冷产生的水蒸气快速的抽吸到设备外。

如图3所示，吸气头3.1包括细孔组与粗孔组。细孔组包括若干设置在吸气头上的吸气细孔3.11。粗孔组包括若干设置在吸气头上的吸气粗孔3.12，吸气粗孔的横截面积大于吸气细孔的横截面积。

本实施例中，吸气粗孔内设有控制吸气粗孔通断的开关阀板3.13。具体的，开关阀板铰接在吸气粗孔内，吸气粗孔的内壁上设有阀板限位台阶面，阀板限位台阶面位于开关阀板的上方，开关阀板通过档杆螺栓固定在吸气粗孔的内壁上。如此，在增材制造时，若蒸汽量大时，吸气头包括细孔组与粗孔组均打开（开关阀板通过档杆螺栓固定在吸气粗孔的内壁上，粗孔组以使打开），处于工作状态，将速冷产生的水蒸气快速的抽吸清除。在增材制造时，若蒸汽量小，可以通过开关阀板关闭吸气粗孔（即将档杆螺栓拆卸，在抽吸力的作用下开关阀板往上转动并抵在阀板限位台阶面上，以关闭吸气粗孔），仅细孔组处于工作状态，将速冷产生的水蒸气抽吸清除。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。