用于金属焊接的流体冷却的接触末端组件制造技术

本发明专利技术提供了一种流体冷却的接触末端组件，该组件可用于这样的方法和系统中：这些方法和系统用于通过实体自由成形制造技术制造各物体，尤其是钛和钛合金物体，其中通过增加穿过金属线的电荷流速来增加沉积速率。

Contact terminal assembly for fluid cooling in metal welding

The present invention provides a fluid-cooled contact end assembly which can be used in methods and systems for manufacturing objects, especially titanium and titanium alloy objects, by means of solid free-form manufacturing technology, in which deposition rate is increased by increasing the charge flow rate through metal wires.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于金属焊接的流体冷却的接触末端组件
本专利技术涉及一种通过实体自由成形制造技术制造物体的方法和装置，上述物体尤其是钛和钛合金物体。
技术介绍
钛或钛合金制成的结构化金属部件通常是通过铸造、锻造或机加工坯料而制成。这些技术的缺点是昂贵的钛金属材料浪费大，并且在金属部件的制造中需要很长的准备时间。完全致密的物理物体可以通过被称为快速成型、快速制作、分层制造、实体自由成形制造、增材制作、增材制造或3D打印的制造技术来制造。这种技术使用计算机辅助设计软件(CAD)来首先构建待制作物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行式切片或层。然后，可以通过铺设连续的原材料层来制造物理物体，所述原材料层为液体糊状物、粉末或其它可分层、可铺展或流体形式，例如熔化的金属，例如来自熔化的焊线，或者预制为类似于虚拟层形状的片状材料，直到整个物体形成。这些层融合在一起，形成一个实心的致密物体。实体自由成形制造是一种灵活的技术，能够以相对较快的生产率制造几乎任何形状的物体，通常每个物体的生产率从几个小时到几天不等。因此，这种技术适合于成形样机和小的生产量，并且可以扩大规模用于大批量生产。分层制造技术可以扩展到包括建筑材料碎片的沉积，也就是说，物体虚拟模型的每个结构层被分成一组碎片，这些碎片并排放置时形成该层。这使得这样形成金属物体：根据物体的虚拟分层模型将金属线焊接到形成每一层的连续条带的基底上，并对每一层重复该过程，直到整个物理物体形成为止。该焊接技术的精度通常太差，不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，成形的物体通常被认为是生坯物体或预成型物，需要加工成可接受的尺寸精度。电子束自由成形制造技术是本领域已知的(例如，参见2002年8月5日至7日在德克萨斯州奥斯汀举行的第十三届实体自由成形制造研讨会上Taminger和Hafley的《电子束自由成形制造技术生产的2219铝的表征》；会议记录，德克萨斯大学奥斯汀分校(2002年)；第三届汽车复合材料年会论文集中《电子束自由成形制造技术：快速金属沉积工艺》，作者Taminger和Hafley，2003年9月9-10日，密歇根州特洛伊市塑料工程师协会(2003年)；以及Taminger和Hafley的《用于低成本近净形制造的电子束自由成形制造技术》，关于通过净形状加工进行成本效益制造的NATO/RTOAVT-139专家会议(荷兰阿姆斯特丹市，2006年)(NATO)，第9-25页))。Taminger和Hafley(2006年)描述了一种直接用计算机辅助设计数据结合电子束自由成形制造(EBF)技术制造结构化金属部件的方法和装置。该结构化部件是通过在金属焊线的连续层上焊接而成的，该金属焊线由电子束提供的热能进行焊接。EBF工艺包括：在高真空环境中，将金属线熔化到由聚焦电子束制造和维持的熔池中。电子束和焊线的定位是通过如下方式来实现的：使电子束炬和支撑基底的致动器沿着一个或更多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接，并通过四轴线运动控制系统调节电子束炬和支撑基底的位置。据称，该工艺在材料使用方面效率接近100％，在功耗方面有95％的效率。该方法既可用于大块金属沉积物，也可用于更精细的细分沉积物，并且与加工金属零件的常规方法相比，该方法声称在缩短准备时间以及降低材料和加工成本方面取得了显著的效果。该电子束技术的缺点是依赖于沉积室中10-1Pa或更低的高真空。已知的是(例如，参见Adams，美国专利公开号2010/0193480)使用TIG焊炬通过实体自由成形制造(SFFF)技术来制造物体，其中在基底上沉积具有低延展性的连续金属原料层。通过使用电极激励流动气体来产生等离子体电弧，该电极具有提供给其的可变大小电流。等离子体流被导向预定的目标区域，以在沉积之前预热工件的预定目标区域。调节电流，将原料材料供给到等离子体流中，从而将熔融原料沉积在预定目标区域中。调节电流，在升高的温度(通常高于原料材料的脆韧性转变温度)下缓慢冷却熔融原料，从而在冷却阶段将材料应力的发生率降到最低。Withers等人(美国专利公开号2006/185473)也描述了通过组合钛进料和合金组分，利用相对低成本的钛进料材料，使用TIG焊炬代替传统上用于实体自由成形制造(SFFF)工艺的昂贵激光器，这样显着降低了原材料成本。Withers等人还描述了使用混合有合金元素的钛海绵材料形成金属线，其中它可以与等离子焊炬或其他大功率能束结合用于SFFF工艺，以生产近净形钛部件。Abbott等人(WO2006/133034，2006年)公开了一种使用激光/电弧混合工艺制造复杂三维形状的直接金属沉积工艺，该工艺包括以下步骤：提供基底；和使用激光辐射在基底上沉积源自金属原料的第一熔融金属层，并公开了电弧。电弧可以通过使用金属原料作为电极的气体金属电弧焊接来提供。Abbott等人教导人们，结合气体金属电弧焊接使用激光辐射使电弧稳定，并且据称提供了更高的加工速率。Abbott等人利用了由金属线引导件引导和引出的金属线。金属线的金属在末端熔化，通过将末端定位在沉积点上来沉积熔融金属。熔化金属线所需的热量由在电极末端和工件/沉积基底之间扩展的电弧和照射沉积区域的激光提供。通过熔化由电弧加热的金属线进行的焊接被称为气体金属电弧焊接(GMAW)，在使用非反应性气体起弧的情况下，也称为金属惰性气体焊接(MIG-welding)。要解决的问题是在基材上沉积材料以形成工件的速度。可以提高金属线的温度从而在金属线与电弧焊炬的电弧相互作用之前预热金属线。这可以通过增加通过电极的电荷流速(电流安培)或调节金属线的横截面来加强电极的电阻加热来实现。加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会被氧化。因此，有必要保护通过分层自由成形制造形成的需焊接和加热的物体免受周围大气中氧气的影响。然而，使用高电流会产生许多问题。如果电流变化不受控制，金属线可能会快速过热，导致金属线回烧到接触末端。回烧会导致金属线与接触末端融合，使得不得不更换接触末端。使用高电流也会引起接触末端本身发热，并会导致接触末端过热。接触末端过热的结果之一就是末端伸长。根据接触末端的构造，这种伸长可能导致接触末端被重新定位成更靠近金属线，这会增加接触末端和金属线之间的摩擦，可能损坏或划伤金属线。过热引起的对接触末端几何形状的调整也可能因为热致伸长或不均匀性而导致不均匀的接触末端磨损。这可能使接触末端内形成电弧。接触末端的过热也可能导致在接触末端中形成微孔，这可能引起焊接设备不稳定地工作。这些由于接触末端处使用大电流会引起的问题可能导致需要频繁更换接触末端，在最坏的情况下，需要清洗焊接设备。而更换接触末端和/或清洁设备需要关闭设备，停止生产。这使成本高，并会对生产力产生负面影响。本领域还需要一种经济的方法以增大的金属沉积速率进行直接金属沉积。本领域还需要一种设备，该设备使直接金属沉积形成的产品的产量和收益增加，而没有由于过热而频繁更换接触末端的风险。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种设备，该设备使直接金属沉积形成的产品的产量和收益增加，而没有由于过热而频繁更换接触末端的风险。另一个目的是提供一种用于直接金属沉积形成的产品生产的设备，该设备可以利用高流速的电荷。本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流体冷却的接触末端组件，包括：引导件；电接触单元，包括：接触末端，连接到电源；和冷却系统，包括：冷却剂入口；进入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；排出冷却剂通道，连接到所述进入冷却剂通道并与所述进入冷却剂通道流体连通；和冷却剂出口，连接到所述排出冷却剂通道并与所述排出冷却剂通道流体连通；以及压线组件，被配置成按压金属线以使金属线与所述电接触元件的所述接触末端接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.08 US 15/206,1581.一种流体冷却的接触末端组件，包括：引导件；电接触单元，包括：接触末端，连接到电源；和冷却系统，包括：冷却剂入口；进入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；排出冷却剂通道，连接到所述进入冷却剂通道并与所述进入冷却剂通道流体连通；和冷却剂出口，连接到所述排出冷却剂通道并与所述排出冷却剂通道流体连通；以及压线组件，被配置成按压金属线以使金属线与所述电接触元件的所述接触末端接触。2.根据权利要求1所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件包括：纵向中心轴线、第一端、相反的第二端和中心孔，所述中心孔沿着所述引导件的所述纵向中心轴线从所述第一端延伸并延伸到所述相反的第二端，金属线能够通过所述相反的第二端进给；和冷却系统，包括：冷却剂入口，能连接成与冷却剂供应入口流体连通；流入冷却剂通道，连接到所述冷却剂入口并与所述冷却剂入口流体连通；流出冷却剂通道，连接到所述流入冷却剂通道并与所述流入冷却剂通道流体连通；和冷却剂出口，连接到所述流出冷却剂通道并与所述流出冷却剂通道流体连通。3.根据权利要求1-2中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述进入冷却剂通道包括在所述接触末端附近的多个互连的平行通道。4.根据权利要求1-3中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件还包括底部开口。5.根据权利要求1-4中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述引导件还包括钛或钛合金。6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述电接触单元包括铜或铜合金。7.根据权利要求1-6中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述接触末端包括铜或铜合金。8.根据权利要求1-7中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中压组件包括弹簧，所述弹簧施加压力使得压线组件按压所述金属线以使所述金属线与所述接触末端接触。9.根据权利要求8所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述压线组件包括绝缘末端，当按压所述金属线以使所述金属线与所述接触末端接触时，所述绝缘末端接触所述金属线。10.根据权利要求1-9中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述压组件包括钛或钛合金，并连接到电接触单元。11.根据权利要求1-10中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，还包括：支撑元件，所述引导件和所述电接触单元连接到所述支撑元件；和金属线输送源。12.根据权利要求11所述的流体冷却的接触末端组件，还包括位于所述支撑元件和所述电接触单元之间的隔热材料。13.根据权利要求11所述的流体冷却的接触末端组件，其中所述支撑元件还包括：冷却剂供应入口，能连接成与所述引导件的冷却剂入口流体连通；和冷却剂供应出口，能连接成与所述引导件的冷却剂出口流体连通。14.根据权利要求1-13中任一项所述的流体冷却的接触末端组件，其中在所述金属线穿过所述引导件之后，所述金属线接触位于工件上方的等离子体电弧。15.一种通过实体自由成形制造技术制造金属材料的三维物体的方法，包括：将金属材...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤姆埃里克·法拉，阿尔内·拉姆斯兰，
申请(专利权)人：挪威钛公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO