一种用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置

1.本发明涉及金属激光熔化沉积成形设备技术领域，具体涉及一种用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置。


背景技术：

2.随着绿色可持续发展理念的不断深入，3d打印技术以其特有的增材成形方式，极大地减少了原料的浪费，成为一种极具发展前景的先进制造技术。激光熔化沉积技术作为3d打印技术在金属领域的一个重要发展方向，采用激光同轴送粉的工作方式，在电脑控制下，逐道、逐层实现金属制品的成形。在激光熔化沉积设备工作过程中，金属粉末与保护气同步从激光熔化沉积设备的喷嘴喷射而出，金属粉末在保护气氛围下进行熔化与凝固。采用现有激光熔化沉积设备成形的金属零件内部存在大量呈定向排布的长条状晶体组织，导致零件在垂直于定向组织方向受力时存在明显脆性。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有激光熔化沉积设备成形过程中易产生定向凝固组织的问题，提出一种用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置。
4.本发明用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置由基板、控温板、风冷仓、水冷仓、固定基座和超声振子构成；
5.基板设置在控温板的上表面且通过螺栓固定连接；风冷仓设置在控温板下方，风冷仓的底板为固定基座，风冷仓的侧壁开有通风口，通风口内设置有风扇；水冷仓设置在风冷仓内，水冷仓的底板与风冷仓的内壁固接；水冷仓的顶板上设置有多个通孔，每个通孔下方的水冷仓的底板上设置有安装孔，风冷仓中设置有数个超声振子，超声振子下端为超声波换能器，上端为与超声波换能器固接的变幅杆，变幅杆上端部为螺纹杆；变幅杆中部设置有环形凸缘；变幅杆依次穿过水冷仓的底板的安装孔、水冷仓顶板的通孔和风冷仓的顶板上设置的阶梯孔，变幅杆上端部的螺纹杆旋入至控温板的下表面，变幅杆设置在水冷仓内，超声波换能器设置在风冷仓内，水冷仓的底板上设置的安装孔与超声振子之间设置有密封组件，超声振子的环形凸缘设置在风冷仓的顶板上设置的阶梯孔内；
6.所述密封组件由橡胶套、压板和密封胶带构成，压板为环形，水冷仓的底板上表面安装孔的周围设置有环形的防漏凹槽，橡胶套套设在变幅杆下部，橡胶套的上部设置在防漏凹槽内且通过压板和螺栓固定；橡胶套的下部与变幅杆通过密封胶带缠绕密封；
7.控温板为中空平板，控温板内设置有制冷液循环管和电阻丝，制冷液循环管和电阻丝均呈蛇形排布在控温板内；制冷液循环管的进液端与制冷液箱的出液口连接，制冷液循环管的出液端与制冷液箱的进液口连接；控温板上表面设置有多个控温板温度传感器；控温板外部设置有控温板温度控制器，控温板温度控制器设置在控温板控制箱内；电阻丝的两端分别与电源的两极连接，电阻丝的一端设置有控制开关；水冷仓上设置有冷却水进水管和冷却水回水管，冷却水进水管和冷却水回水管分别与冷却水箱的进水口和出水口连
接。
8.本发明原理及有益效果为：
9.1、本发明装置中，超声振子安装在控温板下方，超声波换能器能够产生超声振动，变幅杆能够增大超声波振幅，超声振子的变幅杆浸泡在水冷仓内，超声振子的超声波换能器处于风冷仓中，如此设置能够防止来自基板的热量和超声波换能器自身产热导致超声波换能器损坏，提高了使用效果，延长了使用寿命。
10.2、本发明在激光熔化沉积成形过程中，超声振子在基板表面产生高频超声场，超声波被原位加载到激光熔化沉积过程中，超声波的高频率振动在熔池内部产生声压场，加速激光熔化沉积过程中熔池内部熔质流动，并破碎凝固枝晶，搅拌熔质，实现成形制品组织的均匀化与晶粒细化，提高激光熔化沉积制品的强度。
11.3、本发明通过在基板下方安装有可变温度的控温板，实现了基板温度的控制。热电阻丝可起到加热保温作用，能够对基板进行预热，并使基板处于某一温度范围内，有效的降低了激光熔化沉积制件因温度梯度较大而发生开裂的几率。基板内设置的制冷液管能够将制冷液导入到控温板内，降低控温板和基板的温度，满足低温环境下的激光熔化沉积成形要求。
12.4、本发明通过在控温板温度控制箱和冷却水循环控制箱内设置冷却水进水泵、冷却水出水泵、制冷液进水泵和制冷液出水泵，充分利用了冷媒的冷却作用，起到了节约资源的作用。
附图说明
13.图1为实施例1中用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置的结构示意图；
14.图2为实施例1中超声振子6与安装孔之间的密封组件处放大图；
15.图3为实施例1中水冷仓4的底板上表面的防漏凹槽6
‑
4的结构示意图；
16.图4为实施例1中控温板2上表面的结构示意图；
17.图5为实施例1中控温板2的温度控制部分连接示意图；
18.图6为实施例1中橡胶套6
‑
3的主视图；
19.图7为图6的俯视图。
具体实施方式
20.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
21.具体实施方式一：本实施方式用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置由基板1、控温板2、风冷仓3、水冷仓4、固定基座5和超声振子6构成；
22.基板1设置在控温板2的上表面且通过螺栓固定连接；风冷仓3设置在控温板2下方，风冷仓3的底板5为固定基座，风冷仓3的侧壁开有通风口，通风口内设置有风扇7；水冷仓4设置在风冷仓3内，水冷仓4的底板与风冷仓3的内壁固接；水冷仓4的顶板上设置有多个通孔，每个通孔下方的水冷仓4的底板上设置有安装孔，风冷仓3中设置有数个超声振子6，超声振子6下端为超声波换能器6
‑
1，上端为与超声波换能器6
‑
1固接的变幅杆6
‑
2，变幅杆6
‑
2上端部为螺纹杆；变幅杆6
‑
2中部设置有环形凸缘6
‑
5；变幅杆6
‑
2依次穿过水冷仓4的底
板的安装孔、水冷仓4顶板的通孔和风冷仓3的顶板上设置的阶梯孔，变幅杆6
‑
2上端部的螺纹杆旋入至控温板2的下表面，变幅杆6
‑
2设置在水冷仓4内，超声波换能器6
‑
1设置在风冷仓3内，水冷仓4的底板上设置的安装孔与超声振子6之间设置有密封组件，超声振子6的环形凸缘6
‑
5设置在风冷仓3的顶板上设置的阶梯孔内；
23.所述密封组件由橡胶套6
‑
3、压板6
‑
6和密封胶带6
‑
7构成，压板6
‑
6为环形，水冷仓4的底板上表面安装孔的周围设置有环形的防漏凹槽6
‑
4，橡胶套6
‑
3套设在变幅杆6
‑
2下部，橡胶套6
‑
3的上部设置在防漏凹槽6
‑
4内且通过压板6
‑
6和螺栓固定；橡胶套6
‑
3的下部与变幅杆6
‑
2通过密封胶带6
‑
7缠绕密封；
24.控温板2为中空平板，控温板2内设置有制冷液循环管9和电阻丝10，制冷液循环管9和电阻丝10均呈蛇形排布在控温板2内；制冷液循环管9的进液端与制冷液箱8的出液口连接，制冷液循环管9的出液端与制冷液箱8的进液口连接；控温板2上表面设置有多个控温板温度传感器22；控温板2外部设置有控温板温度控制器12，控温板温度控制器12设置在控温板控制箱11内；电阻丝10的两端分别与电源的两极连接，电阻丝10的一端设置有控制开关；水冷仓4上设置有冷却水进水管15和冷却水回水管16，冷却水进水管15和冷却水回水管16分别与冷却水箱19的进水口和出水口连接。
25.本实施方式具备以下有益效果：
26.1、本实施方式装置中，超声振子安装在控温板下方，超声波换能器能够产生超声振动，变幅杆能够增大超声波振幅，超声振子的变幅杆浸泡在水冷仓内，超声振子的超声波换能器处于风冷仓中，如此设置能够防止来自基板的热量和超声波换能器自身产热导致超声波换能器损坏，提高了使用效果，延长了使用寿命。
27.2、本实施方式在激光熔化沉积成形过程中，超声振子在基板表面产生高频超声场，超声波被原位加载到激光熔化沉积过程中，超声波的高频率振动在熔池内部产生声压场，加速激光熔化沉积过程中熔池内部熔质流动，并破碎凝固枝晶，搅拌熔质，实现成形制品组织的均匀化与晶粒细化，提高激光熔化沉积制品的强度。
28.3、本实施方式通过在基板下方安装有可变温度的控温板，实现了基板温度的控制。热电阻丝可起到加热保温作用，能够对基板进行预热，并使基板处于某一温度范围内，有效的降低了激光熔化沉积制件因温度梯度较大而发生开裂的几率。基板内设置的制冷液管能够将制冷液导入到控温板内，降低控温板和基板的温度，满足低温环境下的激光熔化沉积成形要求。
29.4、本实施方式通过在控温板温度控制箱和冷却水循环控制箱内设置冷却水进水泵、冷却水出水泵、制冷液进水泵和制冷液出水泵，充分利用了冷媒的冷却作用，起到了节约资源的作用。
30.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述橡胶套6
‑
3为漏斗形。
31.具体实施方式三：本实施方式与体实施一或二不同的是：所述水冷仓4的顶板上设置有5个通孔。
32.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述风冷仓3中设置有5个超声振子6。
33.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述制冷液
循环管9的进液端设置有制冷液进液泵13
‑
1，制冷液循环管9的出液端设置有制冷液回液泵13
‑
2。
34.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述制冷液进液泵13
‑
1的控制器的控制信号输入端和制冷液回液泵13
‑
2的控制器的控制信号输入端分别与控温板温度控制器12的控制信号输出端连接。制冷液循环管9和电阻丝10用以调整控温板2的温度，控温板温度传感器22用于监测控温板2的温度；当需要低温环境时控温板温度控制器12启动制冷液进液泵13
‑
1的控制器利用制冷液循环管9对控温板2降温；当需要高温环境时控温板温度控制器12启动电阻丝10的控制开关向电阻丝10供电，利用电阻丝10对控温板2升温。
35.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述控温板温度传感器22嵌入在控温板2上表面。
36.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述电阻丝10的控制开关的控制信号输入端与控温板温度控制器12的控制信号输出端连接；控温板温度传感器22的信号线设置在控温板2上表面的导线槽内且信号线的输出端与控温板温度传感器22信号输入端连接。控温板温度传感器22获得的温度信号传输至控温板温度控制器12。
37.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述冷却水进水管15上设置有进水泵20，冷却水回水管16上设置有回水泵17，水冷仓4的侧壁上安装有水冷仓温度传感器14。
38.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：水冷仓4外部设置有水冷仓温度控制器21和水冷仓温度控制箱18。
39.具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：所述水仓温度控制器21设置在水冷仓温度控制箱18内，回水泵17的控制器的控制信号输入端和进水泵20的控制器的控制信号输入端分别与水冷仓温度控制器21的控制信号输出端连接；水冷仓温度传感器14的信号线的输出端与水冷仓温度控制器21的信号输入端连接。水冷仓温度传感器14用于监测水冷仓4的温度，水冷仓温度控制器21用于控制进水泵20和回水泵17对水冷仓4的温度进行调整。
40.实施例1：
41.结合图1～7说明，本实施例用于激光熔化沉积成形的超声原位加载装置由基板1、控温板2、风冷仓3、水冷仓4、固定基座5和超声振子6构成；
42.基板1设置在控温板2的上表面且通过螺栓固定连接；风冷仓3设置在控温板2下方，风冷仓3的底板5为固定基座，风冷仓3的侧壁开有通风口，通风口内设置有风扇7；水冷仓4设置在风冷仓3内，水冷仓4的底板与风冷仓3的内壁固接；水冷仓4的顶板上设置有5个通孔，每个通孔下方的水冷仓4的底板上设置有安装孔，风冷仓3中设置有5个超声振子6，超声振子6下端为超声波换能器6
‑
1，上端为与超声波换能器6
‑
1固接的变幅杆6
‑
2，变幅杆6
‑
2上端部为螺纹杆；变幅杆6
‑
2中部设置有环形凸缘6
‑
5；变幅杆6
‑
2依次穿过水冷仓4的底板的安装孔、水冷仓4顶板的通孔和风冷仓3的顶板上设置的阶梯孔，变幅杆6
‑
2上端部的螺纹杆旋入至控温板2的下表面，变幅杆6
‑
2设置在水冷仓4内，超声波换能器6
‑
1设置在风冷仓3内，水冷仓4的底板上设置的安装孔与超声振子6之间设置有密封组件，超声振子6的环形凸
缘6
‑
5设置在风冷仓3的顶板上设置的阶梯孔内；
43.所述密封组件由橡胶套6
‑
3、压板6
‑
6和密封胶带6
‑
7构成，所述橡胶套6
‑
3为漏斗形；压板6
‑
6为环形，水冷仓4的底板上表面安装孔的周围设置有环形的防漏凹槽6
‑
4，橡胶套6
‑
3套设在变幅杆6
‑
2下部，橡胶套6
‑
3的上部设置在防漏凹槽6
‑
4内且通过压板6
‑
6和螺栓固定；橡胶套6
‑
3的下部与变幅杆6
‑
2通过密封胶带6
‑
7缠绕密封；
44.控温板2为中空平板，控温板2内设置有制冷液循环管9和电阻丝10，制冷液循环管9和电阻丝10均呈蛇形排布在控温板2内；制冷液循环管9的进液端与制冷液箱8的出液口连接，制冷液循环管9的出液端与制冷液箱8的进液口连接；控温板2上表面设置有多个控温板温度传感器22；控温板2外部设置有控温板温度控制器12，控温板温度控制器12设置在控温板控制箱11内；电阻丝10的两端分别与电源的两极连接，电阻丝10的一端设置有控制开关；水冷仓4上设置有冷却水进水管15和冷却水回水管16，冷却水进水管15和冷却水回水管16分别与冷却水箱19的进水口和出水口连接；
45.所述制冷液循环管9的进液端设置有制冷液进液泵13
‑
1，制冷液循环管9的出液端设置有制冷液回液泵13
‑
2；所述制冷液进液泵13
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1的控制器的控制信号输入端和制冷液回液泵13
‑
2的控制器的控制信号输入端分别与控温板温度控制器12的控制信号输出端连接；所述控温板温度传感器22嵌入在控温板2上表面；所述电阻丝10的控制开关的控制信号输入端与控温板温度控制器12的控制信号输出端连接；控温板温度传感器22的信号线设置在控温板2上表面的导线槽内且信号线的输出端与控温板温度传感器22信号输入端连接，控温板温度传感器22获得的温度信号传输至控温板温度控制器12；
46.所述冷却水进水管15上设置有进水泵20，冷却水回水管16上设置有回水泵17，水冷仓4的侧壁上安装有水冷仓温度传感器14；所述水冷仓4外部设置有水冷仓温度控制器21和水冷仓温度控制箱18，水冷仓温度控制器21设置在水冷仓温度控制箱18内，回水泵17的控制器的控制信号输入端和进水泵20的控制器的控制信号输入端分别与水冷仓温度控制器21的控制信号输出端连接；水冷仓温度传感器14的信号线的输出端与水冷仓温度控制器21的信号输入端连接。
47.1、本实施例装置中，超声振子安装在控温板下方，超声波换能器能够产生超声振动，变幅杆能够增大超声波振幅，超声振子的变幅杆浸泡在水冷仓内，超声振子的超声波换能器处于风冷仓中，如此设置能够防止来自基板的热量和超声波换能器自身产热导致超声波换能器损坏，提高了使用效果，延长了使用寿命。
48.2、本实施例在激光熔化沉积成形过程中，超声振子在基板表面产生高频超声场，超声波被原位加载到激光熔化沉积过程中，超声波的高频率振动在熔池内部产生声压场，加速激光熔化沉积过程中熔池内部熔质流动，并破碎凝固枝晶，搅拌熔质，实现成形制品组织的均匀化与晶粒细化，提高激光熔化沉积制品的强度。
49.3、本实施例通过在基板下方安装有可变温度的控温板，实现了基板温度的控制。热电阻丝可起到加热保温作用，能够对基板进行预热，并使基板处于某一温度范围内，有效的降低了激光熔化沉积制件因温度梯度较大而发生开裂的几率。基板内设置的制冷液管能够将制冷液导入到控温板内，降低控温板和基板的温度，满足低温环境下的激光熔化沉积成形要求。
50.4、本实施例通过在控温板温度控制箱和冷却水循环控制箱内设置冷却水进水泵、
冷却水出水泵、制冷液进水泵和制冷液出水泵，充分利用了冷媒的冷却作用，起到了节约资源的作用。