一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置的制作方法

本专利涉及一种超声滚焊固结-增材制造装置，特别涉及一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置。

背景技术：

増材制造（Additive Manufacturing，AM）技术诞生于20世纪80年代后期，俗称3D打印、快速原型制造（Rapid Prototyping）或者实体自由制造（Solid Free-form Fabrication），其技术核心是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，被认为是近20年来制造领域的重要成果。AM技术从根本上改变了传统的机械制造方式，采用层叠堆积的方式实现了零件的“自由制造”和“近净成形”，解决了复杂结构零件的加工难度和制造成本，极大地提高了制造效率和加工精度，在航空航天、快速模具制造以及生物医学材料领域取得了广泛的应用，并且其发展前景极为广阔。

基于金属超声波焊接的超声增材制造（Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM）技术，于1999年由密西根大学进行成果转化并成立公司，在经历不断的技术更新后，在铝、铜、镍、钛等多种金属及合金中的增材制造中取得了广泛的应用。UAM原理为：通过两层金属箔片间的高频振动摩擦，在此作用下，金属表面的氧化物和杂质得到有效的清理，纯净的金属箔片在超声波的能量辐射作用下实现了高强度的焊接作用，两层金属片间达到原子间的连接，同时配合精密的数控机械加工，层层叠加，周而复始，最终实现近净成形的増材制造目的。

目前超声波増材制造技术在实际应用中存在以下致命缺陷：一是超声波换能器功率受限，单个换能器功率一般在6kw以下且价格昂贵，可连接箔片厚度较小，一般在0.5mm以下且宽度不超过20mm；在现有设备功率的限制下，部分金属材料如铜等导热系数较大，在超声波焊接过程中易产生能量不足，连接强度下降的现象。

技术实现要素：

针对上述技术问题，公开了一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置，可以解决传统超声波焊接单侧换能器功率不足的缺点，可有效提高超声滚焊固结-增材制造装置的功率及效率，并且可长时间连续滚动工作，具有结构简单、易于实现、高功率、高效率的优点。

为了实现上述技术目标，本发明采用以下技术方案：

一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置，其特征在于：包括同轴依次连接的第一换能器、第一调幅器、滚焊压头、第二调幅器和第二换能器，所述滚焊压头的中部同轴设置圆柱状的压滚体，所述第一换能器和第二换能器分别经第一调幅器和第二调幅器安装在滚焊压头两侧组成推挽联合控制式结构；所述第一换能器和第一调幅器的连接节点处形成第一连接轴，所述的第一连接轴上经轮孔固定有第一同步带轮，所述第二换能器和第二调幅器的连接节点处形成第二连接轴，所述的第二连接轴上经轮孔固定有第二同步带轮，所述的第同步带轮和第二同步带轮分别经同步带与动力装置相连接，所述的第一换能器的外端经第一导电滑环与电力装置连接，所述的第二换能器的外端经第二导电滑环与电力装置连接。

通过上述技术方案，本实用新型的一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置，具有一个位于中心的滚焊压头，滚焊压头的两侧分别设有一组相互配合的换能器和调幅器，在第一换能器和第一调幅器的连接节点处，以及第二换能器和第二调幅器的连接接点处各设有一个同步带轮，这两个同步带轮分别经同步带与动力装置连接，这样一来可以通过两个同步带轮带动第一换能器、第一调幅器、滚焊压头、第二调幅器和第二换能器所组成的整体做旋转运动，本技术方案的滚焊动作正是通过滚焊压头的中部设置的压滚体来实现的，压滚体的工作区域为圆柱形，压滚体随整体作旋转运动的同时实现了滚动焊接动作。为了在实现滚焊动作的同时获得由换能器传递的超声波能量，本实用新型在滚焊压头的两侧分别设有一组相互配合的换能器和调幅器，将第一换能器和第二换能器分别经过第一导电滑环和第二导电滑环与电力装置连接，由于第一导电滑环和第二导电滑环均为旋转式导电装置，可以使换能器在随整体旋转的同时获得电能，进而将电功率转换成机械功率（即超声波）再传递至滚焊压头，从而使滚焊压头在超声能量辐射作用下实现金属箔片之间的高强度焊接。

本实用新型在增材制造过程中，滚焊压头上的压滚体以一定的压力压在金属箔带上，同时在同步带轮的带动下滚焊压头做旋转运动，在换能器的作用下超声能量开启，调幅器对换能器输出振幅进行范围调节，使振幅达到所焊材料的敏感振幅。最后通过滚焊压头对振动传导作用将其施加于金属箔材之上，从而完成了在超声波的能量作用下将基板和金属箔带、金属箔带和金属箔带之间实现可靠的固相连接，重复上述过程，终而复始、不断叠层实现增材制造过程。本实用新型在滚焊压头的两侧分别设置了一组换能器组成推挽式结构，解决了传统超声波焊接单侧换能器功率不足的缺点，可有效提高超声滚焊固结-增材制造装置的功率及效率，并且可实现长时间连续滚动工作。

进一步，本实用新型所述的第一换能器和第二换能器分别设有可通入气体为其冷却的气体输入装置，与第一换能器的外端连接的第一导电滑环上设有旋转接头，旋转接头的一端与进气管连接，旋转接头的另外一端与第一换能器上的气体输入装置连接；与第二换能器的外端连接的第二导电滑环上设有旋转接头，旋转接头的一端与进气管连接，旋转接头的另外一端与第二换能器上的气体输入装置连接。

由于换能器使用过程中会发热，温度升高会导致压电陶瓷性能下降，极大的影响换能器的工作状态与使用寿命，因此急需为本装置提供一种换能器的冷却机构。通过上述技术方案，本实用新型在第一导电滑环和第二导电滑环上均设置了旋转接头，旋转接头是一种360°旋转输送介质的密闭旋转连接器，可以将液体从管道的一侧输入到旋转或往复运动的设备中。本技术方案在导电滑环上增加了旋转接头，实质上使第一导电滑环和第二导电滑环均成为旋转式导电通气装置，在本装置的第一换能器、第一调幅器、滚焊压头、第二调幅器和第二换能器所组成的整体做旋转运动进行滚焊动作时既可以通过导电滑环完成对换能器的电力提供，又可以在旋转中为换能器的气体输入装置输入气体进行冷却。

进一步，本实用新型还包括顶部的装置固定板，所述第一导电滑环和第二导电滑环的外端分别经挂板与顶部的装置固定板固定连接。

进一步，本实用新型所述滚焊压头还设有第一环形槽和第二环形槽，所述的第一环形槽和第二环形槽对称分布在压滚体的两侧，所述的第一环形槽和第二环形槽上分别设有用于稳定滚焊压头转动状态的圆弧形钳口板，所述的圆弧形钳口板分别与第一环形槽和第二环形槽间隙配合，圆弧形钳口板的顶端与装置固定板固定连接。

进一步，本实用新型所述的第一调幅器和第二调幅器的外形尺寸和性能特征完全一致，第一换能器和第二换能器的外形尺寸和性能完全一致，所述的第一换能器、第一调幅器、第二调幅器、第二换能器以滚焊压头为中心向两侧且呈对称式分布。

本实用新型所述的滚焊压头为全波长焊头，所述的第一换能器和第二换能器振动频率均为20KHz；本实用新型第一调幅器和第二调幅器调幅比例均为2:1；本实用新型第一换能器内的压电陶瓷与第二换能器内的压电陶瓷在任一时刻极化方向均相反，通过两个对称分布的换能器内压电陶瓷在任一时刻极化方向均相反的方式实现推挽式结构。

本实用新型的有益效果在于：1. 本实用新型通过同步带轮带动第一换能器、第一调幅器、滚焊压头、第二调幅器和第二换能器整体旋转，进而使滚焊压头中部压滚体实现了滚动焊接动作，同时本实用新型在滚焊压头的两侧分别设有一组相互配合的换能器和调幅器，换能器在随整体旋转的同时获得电能，进而将电功率转换成超声波传递至滚焊压头，从而使滚焊压头在能量辐射作用下实现金属箔片之间的高强度焊接，终而复始、不断叠层实现增材制造过程。2. 本实用新型在滚焊压头的两侧分别设置了一组换能器组成推挽式结构，解决了传统超声波焊接单侧换能器功率不足的缺点，可有效提高超声滚焊固结-增材制造装置的功率及效率，并且可实现长时间连续滚动工作。3. 本实用新型通过调幅器对换能器输出振幅进行范围调节，实现所焊材料敏感振幅在该振幅调节范围内，最后通过滚焊压头对振动传导作用将材料的敏感振幅施加于在其本体上，实现滚焊高强度固结，最终实现增材制造过程。4. 本实用新型的导电滑环为旋转式导电通气装置，在本装置进行滚焊动作同时，既可以通过导电滑环完成对换能器的电力提供，又可以在旋转中为换能器的气体输入装置输入气体进行冷却。

附图说明

图1为本实用新型部分连接结构示意图。

图2为本实用新型的整体结构示意图。

图3为同种金属大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造示意图。

图4为异种金属大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造示意图。

1-第一换能器；2-第一调幅器；3-滚焊压头；3a-压滚体；3b-第一环形槽；3c-第二环形槽；4-第二调幅器；5-第二换能器；6-第一同步带轮；7-第二同步带轮；8-第一导电滑环；9-第二导电滑环；10-基板；11-铝箔；12-铜箔；A-装置固定板；B-挂板；C-圆弧形钳口板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示的一种大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造装置，包括同轴依次连接的第一换能器1、第一调幅器2、滚焊压头3、第二调幅器4和第二换能器5，所述的滚焊压头为全波长焊头，所述的第一换能器和第二换能器振动频率均为20KHz，所述的第一调幅器和第二调幅器调幅比例均为2:1，所述滚焊压头的中部同轴设置圆柱状的压滚体3a，所述第一换能器1和第二换能器5分别经第一调幅器2和第二调幅器4安装在滚焊压头3两侧，其中第一换能器1内的压电陶瓷与对称分布在第二换能器5内的压电陶瓷在任一时刻极化方向均相反，通过两个对称分布的换能器内压电陶瓷在任一时刻极化方向均相反的方式实现推挽式结构。所述第一换能器1和第一调幅器2的连接节点处形成第一连接轴，所述的第一连接轴上经轮孔固定有第一同步带轮6，所述第二换能器5和第二调幅器4的连接节点处形成第二连接轴，所述的第二连接轴上经轮孔固定有第二同步带轮7，所述的第一同步带轮6和第二同步带轮7分别经同步带与动力装置相连接，所述的第一换能器1的外端经第一导电滑环8与电力装置连接，所述的第二换能器5的外端经第二导电滑环9与电力装置连接，本实施例的增材制造装置还包括顶部的装置固定板A，所述第一导电滑环8和第二导电滑环9的外端分别经挂板B与顶部的装置固定板A固定连接。所述滚焊压头还设有第一环形槽3b和第二环形槽3c，所述的第一环形槽3b和第二环形槽3c对称分布在压滚体3的两侧，所述的第一环形槽和第二环形槽上分别设有用于稳定滚焊压头转动状态的圆弧形钳口板C，所述的圆弧形钳口板C分别与第一环形槽3b和第二环形槽3c间隙配合，圆弧形钳口板C的顶端与装置固定板A固定连接。本实施例中使用的第一调幅器2和第二调幅器4的外形尺寸和性能完全一致，第一换能器1和第二换能器5的外形尺寸和性能完全一致，所述的第一换能器1、第一调幅器2、第二调幅器4、第二换能器5以滚焊压头3为中心向两侧且呈对称式分布。

使用本装置时增材制造过程在基板10上完成，在基板10上固定一块金属箔带，滚焊压头3以一定的压力压在该金属箔带上，超声能量开启，同时滚焊压头3做旋转运动，在超声波的能量作用下基板10和金属箔带实现可靠的固相连接。再将第二块金属箔带固定在第一块金属箔带上方，重复上述过程，终而复始，实现增材制造过程。

如图3所示，为本实施例对同种金属大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造过程，在基板10上固定一块厚度为0.2mm的铝箔11，滚焊压头3以一定的压力压在铝箔15上，超声能量开启，同时滚焊压头3做旋转运动，在超声波的能量作用下铝箔11和基板10实现可靠的固相连接。再将第二块铝箔固定在第一块铝箔上方，重复上述过程，终而复始，得到铝叠层零件。

如图4所示，为本实施例对异种金属大功率推挽式超声滚焊固结-增材制造过程在基板10上固定一块厚度为0.2mm的铝箔11，滚焊压头3以一定的压力压在铝箔11上，超声能量开启，同时滚焊压头3做旋转运动，在超声波的能量作用下铝箔11和基板10实现可靠的固相连接。然后将厚度为0.2mm的铜箔12固定在第铝箔11上方，超声能量开启，同时滚焊压头3做旋转运动，在超声波的能量作用下铜箔12和铝箔11实现可靠的固相连接。再将的铝箔11固定在铜箔12上方，重复上述过程，周而复始，得到铝铜复合叠层材料。