一种小型钛合金增材制造氛围保护装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造氛围保护装置，具体涉及一种小型钛合金增材制造氛围保护装置及其使用方法。

背景技术

钛合金具有比强度高，耐腐蚀性能高，高温下性能优异，生物相容性好等诸多优点，被广泛应用于航空航天、海洋船舶、生物医药等领域；但是由于钛合金的导热性能差，在机械加工时热量容易在刀具尖端累积，且加工时表面回弹大，容易产生“粘刀”现象，使得钛合金的加工性能不如钢铁及铝合金材料。在航空航天领域，钛合金是重要的金属结构件，如钛合金飞机框梁结构；但在实际的生产制造过程中，由于上述的钛合金的难加工性，使得生产制造一种大型钛合金结构件需要数月的时间。钛合金增材制造技术在近几年得到了蓬勃发展，各大高校和科研院所都大力开展关于钛合金增材制造的研究。

钛合金在常温下，表面会产生一层致密的氧化膜，使得其耐腐蚀性能优异，但在高温下，钛合金容易与空气中的氧发生反应，因此在大气环境中不利于钛合金的增材制造，会产生大量的组织缺陷和气孔缺陷。钛合金的激光增材制造需要在氧浓度含量降低至一定程度后才可进行，通常是100ppm以下。为了使增材制造过程中的氧浓度含量降低至一定范围内，需要使用密闭的保护环境，通常采用向密闭环境中充入氩气的方式来降低环境内的氧浓度含量。密闭环境的体积越大，所能增材制造零件的尺寸也越大，但同时单次充气所消耗的时间及维持氛围环境所需要持续通入氩气的流量也越多。

目前国内存在部分大型企业，已有了大型钛合金构件增材制造的氛围保护舱体，其主要的应用范围是大型钛合金构件的增材制造，其舱体的总体积在60立方米以上，该种氛围保护舱体的充气时间长，氩气消耗量大。对于还处于起步和探索阶段的钛合金增材制造的研究，该种大型的密闭环境保护舱体则不适用，单次实验的成本太高。对于高校实验室的研究工作而言，通常都是在小块试板上进行小块试样的增材制造，大体积环境保护密封舱的建设所需要的成本非常高，因此亟待设计出一种小型的钛合金增材制造所用的密封环境舱，以期降低实验的成本。

中国专利申请号201910479760.8 (公告号CN 110153420 A) ，名为“一种钛合金保护舱装置及激光增材制造方法”提出了一种包括圆形工作台、固定板、基板、薄膜构成的钛合金氛围保护装置及激光增材制造方法。该装置的圆形工作台面上设置有8块T型槽和T型滑块，并通过螺栓将固定板和基板与圆形工作台固定，周围及顶部则是用0.3mm的耐高温薄膜及支撑铁架进行环绕，顶部用密封胶将六轴联动机械手臂与薄膜紧密贴合，下端通过橡胶圈压紧薄膜外侧且与圆形工作台贴合，并通过固定夹夹紧铁架。

该发明创造采用的密封材料是0.3mm的耐高温薄膜，在增材制造过程中高温金属粉末的飞溅，无疑会对顶部和侧面的薄膜进行冲击，在长时间、高功率的钛合金增材制造的条件下，该密封装置的可靠性不高，可能发生薄膜破裂、漏气的风险。该发明创造采用的结构件是铁架、固定架、薄膜和橡胶圈，在六轴联动的打印激光头反复移动作业的过程中，无疑会对上述零件之间的配合关系产生影响，该装置的整体强度不高，一旦结构件之间的配合关系发生改变，容易产生众多漏气点。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型钛合金增材制造氛围保护装置及其使用方法，该装置基于现有的三轴激光熔覆平台进行改进，避免了建立大型环境保护舱所带来的高昂的设备费用，使用成本偏高等问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种小型钛合金增材制造氛围保护装置，其特征在于，包括亚克力箱体、流量控制箱、PLC控制箱，所述亚克力箱体内部设有水冷装置、基板、激光熔覆仪和氧浓度检测仪，所述水冷装置用于对放置在其表面的基板进行冷却，沿所述亚克力箱体的内壁设有用于输入氩气的环形管道，所述环形管道的表面均匀分布有若干气孔；所述氧浓度检测仪固定在亚克力箱体的内壁，并与所述PLC控制箱通过信号线连接；所述环形管道与流量控制箱连接，PLC控制箱接收来自氧浓度检测仪的氧浓度含量数据，调节从流量控制箱向环形管道输入的氩气流量。

进一步的，所述亚克力箱体放置在工作平台上，所述工作平台上设置有移动装置，所述移动装置包括x轴驱动机构和y轴驱动机构和z轴驱动机构，x轴驱动机构滑动连接在工作平台上且横跨于亚克力箱体上方，y轴驱动机构滑动连接在x轴驱动机构上，z轴驱动机构滑动连接在y轴驱动机构上。

进一步的，所述激光熔覆仪通过固定板连接在z轴驱动机构上，激光熔覆仪包括接入了激光传输光纤的激光头，所述激光头下方安装有熔覆头。

进一步的，所述水冷装置的内部有循环流道用于对所述基板进行冷却，所述水冷装置上设有循环水管，循环水管通过在所述亚克力箱体上开设的小孔与外部连接。

进一步的，所述亚克力箱体顶部设有保护罩，所述保护罩通过胶水粘接在亚克力箱体顶部，保护罩的中心处设置有容纳激光头的外壁穿过的孔洞，保护罩的孔洞通过橡胶密封圈固定在激光头的外壁处，使亚克力箱体的上部封闭。

进一步的，所述亚克力箱体的侧壁上有一个可拆卸式连接的透明观察板，亚克力箱体的侧壁上开设有一个恰好容纳所述透明观察板的安装槽，所述透明观察板安装在所述安装槽中将亚克力箱体封闭。

进一步的，所述亚克力箱体底部设置有底板，所述底板位于水冷装置下方，底板上均匀开设有散热孔。

进一步的，所述环形管道通过管路固定器装夹在所述亚克力板的内壁。

本发明还提供了一种小型钛合金增材制造氛围保护装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将敞口的亚克力箱体放置在工作平台的台面上，并将底板放入亚克力箱体的底部，将水冷装置放置在底板上的合适位置，并将水冷装置的循环水管通过亚克力箱体上开设的孔洞引入外部，将基板放置在水冷装置的底座上方；

步骤S2、将氧浓度检测仪固定在亚克力箱体的内壁处，并将信号线引入外部与PLC控制箱连接；

步骤S3、通过工作平台上的移动装置将激光头调整至合适位置，并将保护罩的外围与亚克力箱体的顶端内壁处通过胶粘连接，将保护罩的中心处孔洞穿过激光头，并使用橡胶密封圈密封；

步骤S4、将环形管道与流量控制箱通过管线连接，使用防气密封胶对亚克力箱体上的孔洞空隙部位进行封闭；

步骤S5、打开流量控制箱的阀门，通过环形管道向亚克力箱体内部充入氩气，待氧浓度含量下降至合适浓度后，打开水冷装置的循环系统，并使用集成的激光熔覆系统进行钛合金增材制造。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明所述装置，避免了建立大型环境保护舱所带来的高昂的设备费用，使用成本偏高等问题；解决了高校实验室钛合金增材制造的氛围保护的问题，可以满足科研人员低成本、高效率地对钛合金增材制造技术的工艺—组织—性能之间的关系进行研究；

2、本发明所述装置，体积小，能在较短时间内将整个环境的氧浓度降低至合理范围内，节省了充气环节所需要的时间，加快了实验的进度；同时，较小的环境保护舱也使得操作人员的安全性得到大大地提高，降低了意外事故（如窒息）的发生，降低了安全隐患；

3、本发明所述装置，结构简单，易于拆卸，可用于不同场地，不同加工平台的氛围保护；

4、本发明所述装置，整体结构刚度较好，且亚克力透明塑料材质的箱体，能够实时观察环境舱内部的加工情况，做出相应的调整，装置的漏气风险较低；

5、本发明所述装置，环形管道上均匀分布着气孔，能够实现氩气的均匀充入；

6、本发明所述装置，氧浓度检测仪通过信号线与PLC控制箱连接， PLC控制箱内部植入控制程序，能对进气处的流量控制箱进行调节，从而使密闭环境内部的氧浓度含量控制在一个合理的范围，即保证了钛合金增材制造时对氧浓度含量的要求，也避免了过多的充入氩气，导致生产制造成本的增加。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为氛围保护装置的安装爆炸示意图；

图3为氛围保护装置的俯视图；

图4为图1中隐藏亚克力箱体后的放大示意图；

图5为图4中黑色虚线框中的放大图；

图中，

1.1、工作平台，1.2、y轴驱动机构，1.3、z轴驱动机构，1.4、激光头，1.5、激光传输光纤，1.6、x轴驱动机构，2.1、亚克力箱体，2.2、环形管道，2.4、保护罩，2.5、透明观察板，2.6、管路固定器，2.7、氧浓度检测仪，2.8、管接头，3.1、底板，3.2、水冷装置，3.3、基板，3.4、循环水管，4.1流量控制箱，4.2、PLC控制箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

关于本发明中出现的一些专业术语解释。

微正压是指密闭环境中，内部环境的气压略微大于外部大气环境的气压，使气体的流动总是由内部到外部，避免外部的杂质气体进入密闭环境。

1ppm指气体浓度含量的一百万分之一。

PLC是可编程逻辑控制器（Programmer Logic Controller）的缩写。

本发明提供了一种小型钛合金增材制造氛围保护装置，如图1-2所示，包括亚克力箱体2.1、流量控制箱4.1、PLC控制箱4.2，所述亚克力箱体2.1内部设有水冷装置3.2、基板3.3、激光熔覆仪和氧浓度检测仪2.7，所述水冷装置3.2用于对放置在其表面的基板3.3进行冷却，沿所述亚克力箱体2.1的内壁设有用于输入氩气的环形管道2.2，所述环形管道2.2的表面均匀分布有若干气孔；所述氧浓度检测仪2.7固定在亚克力箱体2.1的内壁，并与所述PLC控制箱4.2通过信号线连接；所述环形管道2.2与流量控制箱4.1连接，PLC控制箱4.2接收来自氧浓度检测仪2.7的氧浓度含量数据，调节从流量控制箱4.1向环形管道2.2输入的氩气流量。

该装置基于现有的三轴激光熔覆平台进行改进，避免了建立大型环境保护舱所带来的高昂的设备费用，使用成本偏高等问题。解决了高校实验室钛合金增材制造的氛围保护的问题，可以满足科研人员低成本、高效率地对钛合金增材制造技术的工艺—组织—性能之间的关系进行研究。

实施例2

本发明提供了一种小型钛合金增材制造氛围保护装置，在实施例1的基础上，进一步的，如图1-5所示，所述亚克力箱体2.1放置在工作平台1.1上，工作平台1.1上设置有移动装置，移动装置包括x轴驱动机构1.6和y轴驱动机构1.2和z轴驱动机构1.3，x轴驱动机构1.6滑动连接在工作平台1.1上且横跨于亚克力箱体2.1上方，y轴驱动机构1.2滑动连接在x轴驱动机构1.6上，z轴驱动机构1.3滑动连接在y轴驱动机构1.2上。x轴驱动机构1.6、z轴驱动机构1.3、y轴驱动机构1.2采用常规的丝杆或气动滑台来实现对激光头1.4空间位置的调整。

进一步的，激光熔覆仪通过固定板连接在z轴驱动机构1.3上，激光熔覆仪包括接入了激光传输光纤1.5的激光头1.4，所述激光头1.4下方安装有熔覆头。

进一步的，水冷装置3.2的内部有循环流道用于对所述基板3.3进行冷却，所述水冷装置3.2上设有循环水管3.4，循环水管3.4通过在所述亚克力箱体2.1上开设的小孔与外部连接。

进一步的，亚克力箱体2.1顶部设有保护罩2.4，所述保护罩2.4通过胶水粘接在亚克力箱体2.1顶部，保护罩2.4的中心处设置有容纳激光头1.4的外壁穿过的孔洞，保护罩2.4的孔洞通过橡胶密封圈固定在激光头1.4的外壁处，使亚克力箱体2.1的上部封闭。

进一步的，亚克力箱体2.1的侧壁上可拆卸式连接有一个的透明观察板2.5，亚克力箱体2.1的侧壁上开设有一个恰好容纳所述透明观察板2.5的安装槽，所述透明观察板2.5安装在所述安装槽中将亚克力箱体2.1封闭，通过所述透明观察板可以方便打印过程观察。

进一步的，亚克力箱体2.1底部设置有底板3.1，底板3.1位于水冷装置3.2下方，底板3.1上开设有均匀的散热孔。

进一步的，所述环形管道2.2通过管路固定器2.6装夹在所述亚克力板的内壁。

实施例3

在实施例2的基础上，本发明提供了一种小型钛合金增材制造氛围保护装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、将亚克力箱体2.1放置在工作平台1.1的表面，并将底板3.1放入亚克力箱体2.1的底部，将水冷装置3.2放置在底板3.1上的合适位置，并将水冷装置3.2的进水管和回水管通过亚克力箱体2.1上的小孔引入外部，将基板3.3放置在水冷底座上。将氧浓度检测仪2.7固定在亚克力箱体2.1的内壁处，并将信号线通过亚克力箱体2.1中的孔洞引入外部与PLC控制箱4.2连接。

步骤二、通过工作平台1.1的移动装置将激光头1.4调整至合适位置，工作平台1.1上的x轴驱动机构1.6控制激光头1.4的前后移动，y轴驱动机构1.2控制激光头1.4的左右移动，z轴驱动结构控制激光头1.4的上下移动。随后，将顶部保护罩2.4的外围边缘部分与亚克力箱体2.1的顶端内壁处通过胶水粘接，并放置一段时间后待其完全凝固，将顶部保护罩2.4的中心处的孔洞穿过激光头1.4，并调整至激光头1.4中部与之匹配的位置处，使用橡胶圈压紧，从而将亚克力箱体2.1的上部区域密封。

步骤三、打开流量控制箱4.1的阀门，向亚克力箱体2.1内部持续充入氩气，待氧浓度含量下降至100ppm以下，此时PLC控制箱4.2内的程序会向流量控制箱4.1发出指令，减少氩气进气量的流量，因为维持环境的氧浓度含量在100ppm以下只需要很小的流量即可，随后打开水冷装置3.2的循环系统，水冷装置3.2的表面和内部的散热结构均使用导热性能良好的纯铜材料制作，并使用与工作平台1.1集成的激光熔覆系统进行钛合金增材制造。

本发明中，激光熔覆系统的激光功率为1000W～5000W，光斑直径2mm～4mm，光纤芯径600um。

本发明中，增材制造的材料也可以是其它在高温在易与氧发生化学反应的合金。

本发明中，对于增材制造的零件体积较小，整体热输入不高的情况下，可以去掉水冷装置3.2，直接将基板3.3放置在底板3.1上方，并用密封胶将亚克力箱体2.1上循环水管3.4进出的开口小孔密封。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。