一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法与流程

本发明涉及cmt铝合金增材制造领域，具体为一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置和方法。

背景技术

cmt(冷金属焊接)增材制造技术是一种将金属cmt焊接技术与快速成形离散堆积原理结合起来的快速成形技术，通过三维实体扫描或直接建模获得目标零件的三维cad实体模型，将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理，以电弧作为热源将金属丝材熔化，按既定的成形路径堆积成形每一薄层，层层堆积最终形成三维实体零件的先进制造技术。cmt增材制造技术可以完成大型金属结构件的高效、低成本快速成形制造，在航空、航天、船舶、汽车行业有很大的产业化应用前景，在2025智能制造国家战略中扮演着重要角色。

铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好、成本低等一系列优点，在20世纪初期就已经是航空工业中应用最广泛的材料之一了。目前cmt增材制造铝合金技术虽然取得了一定的成就，但是在实际应用方面中仍有不少问题。主要表现在工艺方面，cmt增材制造大型铝合金结构件的过程中，由于温度梯度大，造成残余应力大，造成成形件变形过大，使得成形过程不能继续。另外cmt增材制造铝合金存在着诸多微观组织缺陷如气孔、晶粒大小不均匀、微裂纹等，这都是造成成形件的力学性能差的原因。鉴于上述原因，极大的影响了cmt铝合金增材制造的进一步产业化应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置和方法，结构独特，设计合理，使用方便，效果明显，不仅可以细化成形件的晶粒降低成形件孔隙率，而且能够实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，有效控制增材制造过程中的变形。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置，包括工作台，基板，用于将基板固定在工作台上的基板固定装置，以及x向超声激振系统、y向超声激振系统和z向超声激振系统；

所述x、y和z向超声激振系统分别与基板接触进行超声激振，同时向电弧形成的熔池处传递x、y和z向的超声高频能量波；

所述基板固定装置通过硬质橡胶垫块将基板压紧固定在工作台上。

优选的，所述基板固定装置包括多组相同的螺栓压紧机构，所述的硬质橡胶垫块包括第一硬质橡胶垫块和第二硬质橡胶垫块；

螺栓压紧机构包括压板、紧固螺栓、紧固螺母和垫块；紧固螺栓的螺帽端固定在工作台内，螺杆一侧开设有卡槽；卡槽与基板相邻侧面之间压紧设置第二硬质橡胶垫块；紧固螺栓穿过压板于紧固螺母紧固配合，压板的一端与基板表面之间压紧设置第一硬质橡胶垫块，另一端通过垫块压紧工作台；基板固定装置通过硬质橡胶垫块固定基板后，基板的振动幅值最大不超过0.5mm。

优选的，x向超声激振系统包括x向超声激振装置和y向运动机构；

所述x向超声激振装置包括第二激振端、第二变幅杆、第二换能器和第二超声波发生器；所述第二超声波发生器与第二换能器电连接，所述第二换能器、第二变幅杆和第二激振端依次固定连接，且一起安装固定在y向运动机构上；第二激振端与基板平行于y向的一边边缘接触，将x向高频超声振动能量传递给基板，再由基板传递给成形件；

所述y向运动机构用于调整第二激振端的位置始终与电弧形成熔池的连线平行x轴方向。

优选的，y向超声激振系统包括y向超声激振装置和x向运动机构；

所述y向超声激振装置包括第三激振端、第三变幅杆、第三换能器和第三超声波发生器；第三超声波发生器与第三换能器电连接，第三换能器、第三变幅杆和第三激振端依次固定连接，且一起安装固定在x向运动机构上；第三激振端与基板平行于x向的一边边缘接触，将y向高频超声振动能量传递给所述基板，再由基板传递给成形件；

所述x向运动机构用于调整第三激振端的位置始终与电弧形成熔池的连线平行y轴方向。

优选的，z向超声激振系统包括z向超声激振装置和固定装置；

所述z向超声激振装置包括第一激振端、第一变幅杆、第一换能器和第一超声波发生器；第一超声波发生器与第一换能器电连接，第一换能器与第一变幅杆和第一激振端依次固定连接，且一起安装固定置在固定装置上；第一激振端穿过工作台与基板的底部中心位置接触，将z向高频超声振动能量传递给基板，再由基板传递给成形件；

所述固定装置将z向超声激振装置固定在基板的正下方。

优选的，还包括堆积后表面超声冲击系统和温度控制系统；

所述堆积后表面超声冲击系统用于对堆积后的表面进行超声冲击处理；

所述温度控制系统用于根据铝合金发生塑性变形温度区间中的一个预设定值，对每一层开始堆积后起点处的表面温度进行监测，当低于预设定值时，向堆积后表面超声冲击系统发出信号，开始对堆积后表面进行超声冲击。

进一步，堆积后表面超声冲击系统包括机器人运动机构、第四超声波发生器、超声冲击枪和工控机；

工控机用于控制机器人运动机构的运动轨迹和设定第四超声波发生器的功率以及超声冲击枪的振幅；还用于控制x向超声激振系统和y向超声激振系统在对应方向上的运动，以及x向超声激振系统、y向超声激振系统和z向超声激振系统的超声频率和激振振幅；

机器人运动机构夹持超声冲击枪，并依据工控机指令按路径轨迹移动；

温度控制系统包括热像仪；热像仪用于成形过程温度的监控，输出端连接工控机的输入端传送监控数据；工控机根据每一层开始堆积后起点处的表面温度与预设定值对比，确定是否开始进行超声冲击。

一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的方法，包括以下步骤：

1)将基板底部的中心位置对准所述z向超声激振装置的激振端，采用基板固定装置将基板固定在工作台上，并调整基板底部的中心位置对准z向超声激振装置的第一激振端，并保持第一激振端与基板的底面接触；

2)以cmt铝合金增材第一层开始打印焊枪的初始位置为基准，调整所述y向运动机构使x向超声激振装置的第二激振端与焊枪连线平行于x向；调整x向运动机构，使y向超声激振装置的第三激振端与焊枪连线平行于y向；

3)根据不同种类的铝合金材料、工艺参数和打印不同层时对应x、y、z向超声激振装置的功率和振幅的最优值，预先设定x、y、z向的超声激振装置打印不同层时的功率和振幅，由工控机控制打开x、y、z向的超声激振装置；

4)开始启动cmt焊接装置移动焊枪开始打印第一层，同时打开x、y、z向的超声激振装置；

5)在打印过程中，工控机控制调整y向运动机构进行运动，使x向超声激振装置的第二激振端始终与焊枪连线平行于x向；控制调整x向运动机构进行运动，使y向超声激振装置的第三激振端始终与焊枪连线平行于y向；

6)热像仪监控每一层开始堆积后起点处的表面温度，当最开始打印位置处的温度降低到预设值t1时，工控机控制所述超声冲击枪以和打印成形相同的速度开始对堆积后表面进行超声冲击；

7)待该层打印完成并且超声冲击结束后，工控机关闭三个方向的超声激振装置和超声冲击装置；

以下一层开始打印焊枪的初始位置为基准，调整所述y向运动机构使x向超声激振装置第二激振端与焊枪连线平行于x向，调整x向运动机构，使y向超声激振装置第三激振端与焊枪连线平行于y向；激活热像仪对已成形层的温度进行监测，当所测得最高温度降低到设定温度t2后；启动cmt焊接装置移动焊枪开始下一层的成形，并同时打开x、y、z向的超声激振装置；

8)重复步骤5)，6)，7)依次完成各层堆积成形，最后得到成形件。

进一步，步骤3)中，x、y、z向的超声激振装置中的超声波发生器额定功率为100w-1kw之间，超声频率为20khz，激振端的最大振幅30μm-80μm。

再进一步，步骤6)中，当每一层开始堆积后起点处的表面温度温度降低到200℃-400℃之间的预设值t1时，工控机控制超声冲击枪以和打印成形相同的速度开始对堆积后表面进行超声冲击；所述超声冲击枪工作频率20khz，最大振幅50μm-100μm，超声冲击枪输入端连接的第四超声波发生器的额定功率为1kw-3kw；当已成形层的最高温度降低到到70-100℃之间的预设值t2时，启动cmt焊接装置移动焊枪开始下一层的成形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在电弧形成熔池处不仅引入三个方向的超声耦合作用，会对金属熔池产生明显超声搅拌作用，而且采用基板固定装置通过硬座橡胶垫块实现对基板的固定，使基板在传递超声高频能量波的同时产生三个方向微小高频振动，由于振动幅值很小，不会影响成形效果，金属熔池会跟着产生三个方向微小高频振动。由于熔池金属凝固过程中受到三个方向的高频超声搅拌和基板微小高频振动的综合作用，促使金属熔体流动，干预材料结晶过程，大的晶粒破碎，重新形成细小而且均匀的晶粒，而且促进溶解在熔体中气体的析出，降低增材制造成形件孔隙率，提高成形件的力学性能。对刚堆积后形成的表面易塑性变形的区域进行超声冲击处理，可以在成形过程中，实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，并且在表面形成残余压应力，提高成形件的疲劳强度，可以有效控制增材制造过程中的变形。最终实现对cmt铝合金增材制造目标零件的高质量成形。

附图说明

图1为本发明实施例中所述的一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置的结构俯视图。

图2为图1的aa剖视图。

图中：1-机器人运动机构，2-第四超声波发生器，3-超声冲击枪，4-焊枪，5-成形件，6-基板，7-第一硬质橡胶垫块，8-第二硬质橡胶垫块，9-压板，10-紧固螺栓，11-垫块，12-第一激振端，13-第一变幅杆，14-第一换能器，15-第一超声波发生器，16-工作台，17-工控机，18-热像仪，19-第二超声波发生器，20-第二换能器，21-第二变幅杆，22-第二激振端，23-y向运动机构，24-x向运动机构，25-第三激振端，26-第三变幅杆，27-第三换能器，28-第三超声波发生器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的目的正是针对cmt铝合金增材制造技术成形工艺的难点，提供了一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置和方法；本装置和方法在电弧形成的焊接熔池处引入三个方向的高频超声能量的耦合搅拌作用，而且采用基板固定装置配合硬质橡胶垫块对基板进行固定，从而使基板在传递超声高频能量波的同时产生微小高频振动，使得熔池金属凝固过程中受到三个方向的高频超声搅拌和基板微小高频振动的综合作用，使得材料在结晶过程，大的晶粒破碎，重新形成细小的晶粒，而且促进溶解在熔体中气体的析出，降低增材制造成形件孔隙率，提高成形件的力学性能。

对刚堆积后形成的表面易塑性变形的区域进行超声冲击处理，可以在成形过程中，实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，产生微量的塑性变形，并且在表面形成残余压应力，可以有效控制增材制造过程中的变形。

通过上述多超声作用下可以实现cmt铝合金目标零件增材制造的高质量成形，减小应力变形，使铝合金元素均匀分布，细化晶粒，降低孔隙率，成形件的力学性能得到很大提高。

本发明一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的装置，如图1和图2所示，包括：堆积后表面超声冲击系统、x向超声激振系统、y向超声激振系统、z向超声激振系统、基板固定装置和温度控制系统。所述堆积后表面超声冲击系统用于对堆积后的表面进行超声冲击处理。所述x向超声激振系统作用在成形基板6上，用于电弧形成的熔池处传递x向的超声高频能量波。所述y向超声激振系统作用在成形基板6上，用于电弧形成的熔池处传递y向的超声高频能量波。所述z向超声激振系统作用在成形基板6底部，用于向电弧形成的熔池传递z向的超声高频能量波。所述基板固定装置用于固定基板，在基板受到x向、y向和z向超声激振系统作用时，在受到产生微小高频振动，基板固定装置通过硬质橡胶垫块固定基板后，基板的振动幅值最大不超过0.5mm。所述温度控制系统根据每一层开始堆积后起点处的表面温度位于铝合金发生塑性变形温度区间的某一预设定值时，开始对堆积后表面进行超声冲击。

其中，如图2所示，所述基板固定装置由四组相同的螺栓压紧机构组成，每一螺栓压紧机构中紧固螺栓10的螺帽位于工作台16内，螺杆无螺纹部分一侧开有卡槽，通过卡槽卡紧紧挨着基板侧面的长方形的第二硬质橡胶垫块8，而且通过压板9压紧基板上表面长方形的第一硬质橡胶垫块7，通过拧紧紧固螺母使螺栓位置固定，分别限制基板6水平和竖直方向的自由度；压板9的一端与基板表面之间压紧设置第一硬质橡胶垫块7，另一端通过垫块11压紧工作台16，对压板9的另一端进行支撑。由于采用硬质橡胶垫块与基板接触，在基板受到x向、y向和z向超声激振系统作用时，硬质橡胶垫块会在三个方向上产生微量弹性变形，从而使基板在传递超声高频能量波的同时产生微小高频振动，基板的振动的幅值最大不超过0.5mm。基板的振动会使成形件晶粒细化，有利于熔池内气体的溢出降低成形件孔隙率。四组相同的螺栓压紧机构可以均匀对称设置，可以分别设置在对称的两个边上，也可以分别设置在四个边上，同时还能够增加螺栓压紧机构的数量；本优选实例中，四组相同的螺栓压紧机构分别垂直设置在基板6的四个边上，且分别对应设置在四个拐角的相邻位置，呈卍型设置。

堆积后表面超声冲击系统包括机器人运动机构1、第四超声波发生器2、超声冲击枪3、工控机17。工控机17控制机器人运动机构1的运动轨迹和设定第四超声波发生器2的功率以及超声冲击枪3的振幅。机器人运动机构1夹持超声冲击枪3，并依据工控机17指令按照零件成形路径轨迹移动，使得超声冲击枪的移动轨迹与零件成形路径轨迹相同。所述第四超声波发生器2额定功率1kw-3kw，本优选实例中以2kw为例进行说明。所述超声冲击枪3工作频率20khz，最大振幅50μm-100μm，本优选实例中以80μm为例进行说明。所述机器人运动机构1，用于夹持超声冲击枪3，可以实现灵活移动超声冲击枪3对堆积后的表面进行超声冲击。

温度控制系统包括热像仪18和工控机17。所述热像仪18用于成形过程温度的监控，并且将数据传递给工控机17。所述工控机17根据每一层开始堆积后起点处的表面温度确定是否开始进行超声冲击，由热像仪18获取成形件每一层开始堆积后起点处的表面温度，并将温度数据传输给工控机17。对于铝合金取位于200℃-400℃之间某一预设值t1时，当起始点的温度降低到t时，工控机17控制机器人运动机构1使超声冲击枪3以和打印成形相同的速度开始对堆积后表面进行超声冲击，本优选实例中，当最开始打印位置处的温度降低到300℃时，开始超声冲击。

x向超声激振系统包括x向超声激振装置和y向运动机构23。所述x向超声激振装置包括第二激振端22、第二变幅杆21、第二换能器20、第二超声波发生器19，所述第二超声波发生器19与第二换能器20电连接，所述第二换能器20、第二变幅杆21和第二激振端22机械连接在一起。x向超声激振装置通过第二激振端22与基板6平行于y向的一边边缘接触，将x向高频超声振动能量传递给基板6，再由基板6传递给成形件5。第二超声波发生器19额定功率为100w-1kw之间，超声频率为20khz，激振端的最大振幅30μm-80μm。本优选实例中，第二超声波发生器19的额定功率150w，超声频率为20khz，激振端最大振幅50μm。所述y向运动机构23用于调整第二激振端22的位置始终位于与电弧形成熔池的连线平行x轴方向，使x向的超声能量能以最短距离和最佳方向传递作用在熔池上。目标零件成形过程中，工控机17根据焊枪所在的位置，控制y向运动机构23使第二激振端22与焊枪4的连线始终平行x向。使x向的超声能量能以最短距离和最佳方向传递作用在熔池上。

y向超声激振系统包括y向超声激振装置和x向运动机构24。所述y向超声激振装置包括第三激振端25、第三变幅杆26、第三换能器27、第三超声波发生器28，第三超声波发生器28与第三换能器27电连接，第三换能器27与第三变幅杆26和第三激振端25机械连接在一起。y向超声激振装置通过第三激振端25与基板6平行于x向的一边接触，将y向高频超声振动能量传递给所述基板6，再由基板6传递给成形件5。第三超声波发生器28额定功率为100w-1kw之间，超声频率为20khz，所述第二激振端的最大振幅30μm-80μm，本优选实例中第三超声波发生器28的额定功率150w，超声频率为20khz，第三激振端25最大振幅50μm。所述x向运动机构24用于调整第三激振端25的位置始终位于与电弧形成熔池的连线平行y轴方向，使y向的超声能量能以最短距离和最佳方向传递作用在熔池上。目标零件成形过程中，工控机17根据焊枪所在的位置，控制x向运动执行机构23使第三激振端25与焊枪4的连线始终平行y向。使y向的超声能量能以最短距离和最佳方向传递作用在熔池上。

z向超声激振系统包括z向超声激振装置和固定装置。所述z向超声激振装置包括第一激振端12、第一变幅杆13、第一换能器14、第一超声波发生器15，第一超声波发生器15与第一换能器14电连接，第一换能器14与第一变幅杆13和第一激振端12机械连接在一起。z向超声激振装置通过第一激振端12穿过工作台16与基板6的底部中心位置接触，将z向高频超声振动能量传递给基板6，再由基板6传递给成形件5。第一超声波发生器15额定功率为100w-1kw之间，超声频率为20khz，第三激振端的最大振幅30μm-80μm，本优选实例中，第一超声波发生器15额定功率为200w，超声频率为20khz，第一激振端12最大振幅60μm。所述固定装置将z向超声激振装置的第一换能器14、第一变幅杆13、第一激振端12固定在相应合适的位置。

本发明一种多超声辅助增强cmt铝合金增材制造成形质量的方法，包括以下步骤：

1)将基板底部的中心位置对准所述z向超声激振装置第一激振端12，采用所述的基板固定装置固定基板6；具体的采用第一硬质橡胶垫块7、压板9、紧固螺栓10、垫块11固定基板6在工作台16上，调整基板底部的中心位置对准z向超声激振装置第一激振端12，并第一激振端12与基板6保持接触。

2)以cmt铝合金增材第一层开始打印的初始位置为基准，调整所述y向运动机构23使x向超声激振装置第二激振端22与焊枪4连线平行于x向，调整x向运动机构24，使y向超声激振装置第三激振端25与焊枪4连线平行于y向。

3)开始每一层打印成形前，根据不同种类的铝合金材料和工艺参数和打印不同层时对应所述x、y、z向超声激振装置的功率和振幅的最优值，根据所做的工艺优化结果，预先设定x、y、z向的超声激振装置打印不同层时与的功率和振幅，与对应的最优值相等。具体的，为了方便说明，打印不同层时x、y向超声激振装置的超声波发生器额定功率均为150w，超声频率均为20khz，最大振幅均为50μm。打印不同层时z向超声激振装置的超声波发生器额定功率均为200w，超声频率均为20khz，最大振幅均为60μm，工控机17控制x、y、z向的超声激振装置的打开和关闭。

4)开始启动cmt焊接装置移动焊枪4开始打印第一层并同时开启所述x、y、z向的超声激振装置。

5)在打印过程中，控制调整y向运动机构进行运动，使x向超声激振装置第二激振端22与焊枪4连线平行于x向，控制调整x向运动机构24进行运动，使所述y向超声激振装置第三激振端25与所述焊枪4连线平行于y向。

6)热像仪监控每一层开始堆积后起点处的表面温度，当最开始打印位置处的温度降低到200℃-400℃之间某一预设值t1时，本优选实例中以300℃为例，当最开始打印位置处的温度降低到300℃时，工控机17控制超声冲击枪3以和打印成形相同的速度开始对堆积后表面进行超声冲击。

7)待该层打印完成并且超声冲击结束后，工控机17关闭三个方向的超声激振装置和超声冲击装置。以下一层开始打印焊枪的初始位置为基准，调整所述y向运动机构23使x向超声激振装置第二激振端22与焊枪4连线平行于x向，调整x向运动机构24，使y向超声激振装置第三激振端25与焊枪4连线平行于y向。激活热像仪对已成形层的最高温度进行监测，当所测得最高温度降低到70-100℃之间某一预设值t2时，本优选实例中以70℃为例。启动cmt焊接装置移动焊枪4开始下一层的成形并同时打开x、y、z向的超声激振装置。

8)cmt焊接装置进行第2层堆积成形，重复步骤5)，6)，7)；焊接装置进行第3层堆积成形，重复步骤5)，6)，7)······焊接装置进行最后一层的堆积成形，重复步骤5)，6)，7)最终完成目标零件的堆积成形。

本发明通过多超声辅助的综合作用，可以解决现有cmt增材制造铝合金的工艺难题，在电弧形成的焊接熔池处引入三个方向的高频超声能量的耦合作用，而且采用基板固定装置，从而使基板在传递超声高频能量波的同时产生微小高频振动，使得熔池金属凝固过程中受到三个方向的高频超声能量波和基板微小高频振动的综合作用，可以在三个方向都能够细化晶粒，促进溶解在熔体中气体的析出，降低增材制造成形件孔隙率，提高成形件的力学性能，在成形过程中，实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，控制目标零件的变形，提高成形件的疲劳强度。最终实现对cmt铝合金增材制造目标零件的高质量成形，具有很大的实用价值和广阔的应用前景。