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机械工程演变

红外测温的为线+圆弧添加剂生产监控间温度的潜力

莱安德罗·若昂·达席尔瓦1,2,Ruham巴勃罗李嘉欣1和阿梅斯科蒂1,3

1中心焊接工艺的研究和开发,乌贝兰迪亚,MG,巴西 - 乌贝兰迪亚(UFU),Laprosolda联邦大学

3用于制造系统和激光加工,若因维利,SC,巴西SENAI创新研究院

3瑞典特罗尔哈坦焊接技术部生产技术西工程科学系Hógstróm Väst(西大学)

*通讯作者:阿梅斯科蒂,HögströmVAST(大学西),瑞典,电子邮件:americo.scotti@hv.se

投稿方乐动体育注册式:2019年7月30日;发布时间:2019年9月24日

DOI:10.31031 / EME.2019.03.000553

ISSN 2640-9690
第3卷第1期

摘要

本工作旨在介绍和应用到线+圆弧添加剂制造讨论红外测温。的重要性,不同的概念和方法,用于测量层间温度被引入并讨论。与其他技术相比的优点和红外测温的挫折都。基于实验结果,并通过使用用于发射确定和从圆弧/池辐射干扰的减轻可能的解决方案中,示出的是IR高温计可被认为是用于非接触间温度测量具有高空间分辨率(小光点尺寸的可行的技术),有希望的潜力向控制实现。

关键词:添加剂制造;定向能量沉积;WAAM;间温度;测温

介绍

定向能沉积(DED)类别涵盖添加制造(AM)法,其中聚焦热能通过熔化,因为他们正在沉积[1]施加到熔丝材料。线+电弧添加剂制造(WAAM)是DED方法,其采用电弧热能量源和金属线作为原料。它是基于通常用于焊接还适于AM目的有关的过程。约WAAM详细审查可以在现有文献中找到,如每Rodrigues等。[2],Cunningham等人。[3],Pan等。[4],Williams等人。[5]和Ding等人。[6]。这些评论都达到高潮的事实,WAAM的主要优点是节省成本的和高沉积速度的特点。 There are other advantages not widely mentioned, likely more tangible than the term “costsaving”, which turns to be imprecise if the whole design and production constraints are not correctly outlined.

图1:有关WAAM间温度的文献计量学。


虽然有来自学术界,供应商和高层管理者带来WAAM的工业场景共同努力下,一些挑战仍然需要适当之前据说WAAM是一种工业技术准备克服。在这种情况下,根据ASTM F3187-16标准导向件[1],层间温度可以是用于DED工艺和材料的关键变量。(“增材制造”或“3D打印”或“快速成型”)AND:勾勒专题目前的重要性,在WAAM与层间温度文献计量数据通过使用SCOPUS数据库中的作者和下面的搜索语法方面提出(WAAM OR“金属丝电弧”或“线+弧” OR焊接或血浆或爪或GMAW OR“MIG / MAG” OR CMT OR GTAW或TIG)和图1“间温度”或“中间层温度”)。编译后的结果。显示在有关WAAM层间温度的研究感兴趣的显著增加可近年来注意到,这反映了这一监测和控制参数的这种现代制造业路线至关重要。人们似乎没有科学的兴趣下降的迹象(图应该由2019年年底还要高)。这种趋势可能是,根据莱萨马等人提出的方法。[7],分级与WAAM相关联的低到中的成熟度(技术准备水平)。它强调了杂志的研究文章的优势对大多数间温度出版物的调查的范围内。 However, the maturity level will rise with the appearance of patents and open access news on the subject for most of the interpass temperature publications in the context surveyed. However, the maturity level will rise with the appearance of patents and open access news on the subject.

根据焊接工艺[8],层间温度定义为随后焊道熔敷的温度。实际上,出于实际目的,在焊接程序中使用层间温度来限制接头在进行下一道焊道之前可能达到的最高/最低温度。在这种情况下,最低工作温度由预热温度确定。这些温度数据旨在达到一个冷却速度范围,为应用提供安全的微观结构和机械性能。

在添加制造(AM)的情况下,层间温度的意思不是那么清楚。首先,术语“层间”通常用来而不是“中间层”(在DED也常见术语)限定的温度被测定,因为一个层可通过一个或多个沉积的珠子进行开发。其次,层间温度在适当的层形状AM目标监测更高(一般为,以确保目标预成型体的宽度)。有AM间温度在目前的文献指出没有,这与其中温度被测量的位置的第三方面。如在图2中看到的,层间温度的AM可以通过第4位的相关的方法来测量。接近的(a)和(b)本更多相似性对焊接的情况下,但在AM它们具有根据建筑物的高度(层),其具有不同的措施的挫折。在此背景下,吴等人。[9]注意,如果在衬底测得的温度被取为作为层间温度,会引起较大的误差。他们认为,有在衬底测得的温度与实际层间温度之间存在大的差异,尤其是当层和/或沉积遍之间的停留时间很短。

方法(c)的优点是跟踪热量积聚,同时能够监测该位置的冷却速度。严格地说,方法(d)不应归类为层间温度,因为测量值与层间温度无关(在上一层和下一层之间),因为测量是在上一层上正在进行的层间沉积过程中进行的。如果池前面的测量位置正确,则此方法(以下称为“正向层间温度”)可能是最佳选择,因为对于给定的参数化,温度监测将指示达到目标冷却速率和层宽度的热条件。尽管如此,方法(c)和(d)要求使用非接触式温度探头。Hagqvist等人。[10] 提到接触测量方法是不可行的,因为逐层方法的AM。因此,WAAM层间温度的测量必须能够根据前一层的高度改变测量位置。吴等人。[9] 进一步声称,使用非接触技术原位测量层表面温度提供了更准确可靠的数据。

图2:不同的方法来测量AM间温度:

(a)在所述减法(接触式或非接触式探针)固定点;

(b)在预成型体侧面(接触式或非接触式探针)的给定位置的固定点;

(c) 在预制件侧面(非接触式探头)上垂直位置的活动点,保持距离点顶面相同;

(d) 弧前上表面(非接触式探头)的可移动点。


不稳定或控制不当的层间温度可能会对预制件造成有害影响。根据作者进行的实验,图3展示了在受控的前层间温度(在轨迹末端自然冷却的层间空闲时间)和不受控温度(不间断沉积)下制造的壁状预制件WAA的示例。在这种情况下,使用图2的方法(d)测量层间温度。对于不受控制的程序,由于热积累,前向层间温度随着层的沉积而升高。通过相应的横截面图,可以很容易地看出热积累对预制件几何结构的负面影响,在横截面图中,由于熔池的扩大,预制件的形状宽度随着形状的增大而增大。相比之下,在控制前方层间温度的情况下,宽度沿建筑物高度保持非常恒定。除了破坏几何结构外,热积累还可能导致预制件塌陷[11]、过度氧化[12]、变形/残余应力[13]、粗糙的微观结构[14]等。值得一提的是,这些有害后果不仅限于WAAM,其他DED方法也有报告,例如激光金属沉积-LMD[15]。

图3:下IR-测温正向平均层间温度和几何轮廓由铝合金壁WAAM与对照和非间温度接近(两个壁状预制品保藏在相同的沉积参数和层的数量)。


红外测温:优点和挫折

根据Hagqvist等人。[10] 由于红外高温计具有可调焦的光学特性,除了红外/热像仪外,还可以选择使用小光斑进行高空间分辨率的测量。尽管提供了一个广泛的全景图,热相机使数据分析更加困难,因为表面特征,从而发射率,在检查区域不同。此外,相机光学系统聚焦等离子体反射的风险更高,会误导结果。通过使用红外高温计和聚焦光学头(很难使杂散反射击中探测器),可以降低这种风险。

哈格维斯特在阿尔。[10] 用金属丝和LMD一起工作。在WAAM中有一个额外的倒退,这与弧光的干扰有关,因为弧光辐射整个光谱。此外,高温计的光谱范围较热相机(8至13μm)窄(3至5μm)。作者使用的方法(图2),高温计焦点位于电弧中心线之前,高温计头部的位置应使来自电弧和熔池的红外辐射的入射率通过其水平距离和火炬喷嘴的配置最小化。这是为了避免上述挫折。

关于使用红外测温仪的挫折是准确的温度测量需要的对象的辐射的知识。Hagqvist等。[10]认为,通常有上用于商业合金的发射率和温度的波长依赖性的数据。同样没有可用的数据考虑在表面氧化,加热/在氧的存在下熔融的活性金属时,这是不可避免的结果。因此,在IR高温测定的不确定性的最突出的来源之一是被测量表面的发射率的估计。

虽然有几种方法来确定发射率,其中许多人被限制在一个实验室的情况。实验由Brandt等进行。[16]表明,表面的发射率可以通过施加到表面上的油漆参考待测量的装置和通过从所述未涂覆表面与来自基准涂料辐射比较辐射来估计。此外,发射率可通过电加热腔,其温度已与外表面的比较来估计。由于腔体内部多次反射,当地的辐射率接近100%。然而,用于调节辐射的最常见的方法是通过高温计IR温度用热电偶的数据进行比较,如Wu等进行。[9]。

在这项工作中,如Wu等辐射率以类似的方式估计。[9]。然而,随着入射IR点是从沉积池不知何故远,所测量的温度的作为从圆弧中心线(拟合曲线)的距离的函数的趋势的判断,提出并应用。因此,对于给定的操作条件(WAAM参数并执行几何形状和材料)所需的“正向间温度”被获得。热流模拟正在开发使这个任务更通用。

最近,IR高温计的演进已达到的状态下,如在两个或多个波长被使用,通常被称为多色高温计,辐射率因子可以消除提供在不同的光谱区域发射率之间的比率是已知的[17]。然而,尽管成本较高,多色高温计需要发射率比率是恒定的,并且不随温度[10]改变。正如透露,尽管DED AM期间监测间温度,因为强调了WAAM的重要性,可用的方法仍在改善。

结论

与可聚焦光学器件的IR高温计是用于非接触间温度监测具有高的空间分辨率,因此,为性能WAAM控制一个强大的工具的选项。关于使用IR高温测定的挫折在于,精确的温度测量要求对象的发射率,这是相当难以确定,但可能通过用热电偶测量比较的知识。发射率可以通过使用多波长IR高温计,计数其放射率比率是恒定的,并且不随温度变化来消除。从WAAM热源(弧线)和熔池IR辐射的干扰可以通过提前弧中心线的靶向IR来减轻。

承认

作者感谢Uberl–ndia联邦大学焊接工艺研发中心(Laprosolda)的实验室支持。

基金

这项工作是由巴西协调高等教育人才的改进(CAPES),通过金融码001,并通过巴西国家委员会科学和技术发展(的CNPq),通过赠款302863 / 2016-8和二千零十八分之三十一万五千零九十二支持-1。

参考

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