一种超声波辅助激光增材制造的装置及其实现方法与流程

本发明属于激光增材制造领域，具体地讲，是涉及一种超声波辅助激光增材制造的装置，通过外加超声波来改善激光增材制造熔池内部质量并减少其内应力。

背景技术：

激光增材制造技术（3D打印技术中的一种）作为铸造锻压焊接等现有材料加工技术的重要补充在复杂结构高性能金属零件的快速成形与修复方面发挥着重要作用。近20年来成为国际材料加工工程与先进制造技术领域前沿研究热点方向之一。目前国内外研究学者针对钛合金、高温合金、合金钢、难熔合金等金属材料的激光增材制造的装备、工艺、组织和性能开展了大量的研究工作，实现了钛合金等材料的实际装机应用。

然而，在激光增材制造成形过程中，材料的熔化、凝固和冷却都是在较快的条件下进行的，熔池内部存在复杂的物理化学与冶金反应，这使得成形工件容易出现气孔夹杂融合不良以及宏观变形开裂和微裂纹等质量缺陷。此外，由于成形方法造成的局部加热和应力分布不均匀导致最终的组织存在较重的微观偏析和特殊的界面结构，对成形件的力学性能也会产生一定影响。

由此可见，为了将激光增材制造技术真正有效地应用与金属加工领域，迫切地需要在成形过程寻找新的行之有效的辅助成形方法，以此减少激光成形金属件冶金缺陷、晶粒粗大等问题，进而提高其力学性能。

技术实现要素：

为克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种超声波辅助激光增材制造的装置，减少激光增材制造成形件内部的气孔、微观偏析、开裂等缺陷，同时可以细化晶粒，获得力学性能优良的成形件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超声波辅助激光增材制造的装置，包括主要由双支撑转台和加工台构成的精密双轴数控转台，设置于加工台上的支撑紧固基座，安置于支撑紧固基座上的带有凹槽的模具，穿过所述加工台和支撑紧固基座设置并与模具底部连接的超声波装置，安置于所述模具上的凹槽内的基板，以及位于基板上方的送粉喷嘴；

其中，所述超声波装置包括依次连接的超声波发射器、超声波换能器、超声波变幅杆和超声波振动杆，所述超声波变幅杆固定于所述加工台上，所述超声波振动杆穿过所述支撑紧固基座并与所述模具底板连接，所述超声波换能器穿过所述加工台与所述超声波变幅杆连接，所述超声波发射器通过线缆与超声波换能器连接。

具体地，所述基板与所述模具上的凹槽相匹配。

进一步地，所述模具上还设有用于限定基板的压块。

作为优选，所述模具为普通模具、水冷铜模具或铝制加热模具。

更具体地，所述水冷铜模具包括带有凹槽的铜模，设置于铜模内部的加工串联孔，与加工串联孔连通的水管，以及与水管连接并与水管和加工串联孔共同构成水冷循环的水冷机。

更具体地，所述铝制加热模具包括带有凹槽的铝模，弯曲地埋置于铝模内部的管状电热元件，以及与管状电热元件连接的温控器。

其中，所述温控器控制管状电热元件的温度范围为150～500℃。

基于上述构造，本发明还提供了该超声波辅助激光增材制造的装置的实现方法，包括如下步骤：

（1）装配：设置精密双轴数控转台使加工台保持平稳，将超声波装置和支撑紧固装置固定在加工台上，在支撑紧固装置上安置模具并将之与超声波装置内的超声波振动杆紧固连接，在模具的凹槽内安置与之匹配的基板，并使用压块将之固定；

（2）启动超声波装置，使产生的超声波直接输入到基板中，调节超声波装置使之产生的超声波频率与所述基板的固有频率接近，并使基板在超声波作用下产生共振；

（3）将送粉喷嘴移动到基板上方的一定位置，开启激光增材制造设备，在数控状态下完成产品的制造；

（4）产品制造完成后，关闭超声波装置。

进一步地，所述模具的不同设置还配置有对应的加工模式：

当所述模具为水冷铜模具时，加工模式为预冷模式，在步骤（1）中安置水冷铜模具，并使之与超声波振动杆紧固连接；在步骤（2）启动超声波装置前，先开启水冷机，设置预冷温度，待水冷循环稳定后再启动超声波装置；

当所述模具为铝制加热模具时，加工模式为预热模式，在步骤（1）中安置铝制加热模具，并使之与超声波振动杆紧固连接；在步骤（2）启动超声波装置前，先通过温控器设置预热温度，并在模具温度稳定后再启动超声波装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明利用超声波振动传递至基板，使之产生共振，从而在激光增材制造过程的激光作用下形成的熔池内部进行超声振动搅拌，产生空化效应和机械效应，改善层与层之间的结合状态，减少成形件内部气孔和微观偏析的形成概率，同时细化晶粒并减少残余应力，获得力学性能优良的成形件，并且本发明设计巧妙，结构简单，实用方便，具有广泛的应用前景，适合推广应用。

（2）本发明提出在精密双轴数控转台上进行超声波辅助激光增材制造，利用该精密双轴数控转台的旋转与倾斜，可以对更为复杂的成形工件进行超声波辅助激光增材制造。

（3）本发明提供了普通、预热和预冷三种模具，并基于此构成三种加工模式，从而对成形过程中的冷却速度进行控制，丰富了熔池内部质量控制的研究手段，同时也为非晶材料、定向凝固等材料的激光增材制造提供新途径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中水冷铜模具的结构示意图。

图3为本发明中铝制加热模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图3所示，该超声波辅助激光增材制造的装置，包括主要由双支撑转台2和加工台3构成的精密双轴数控转台，设置于加工台上的支撑紧固基座7，安置于支撑紧固基座上的带有凹槽的模具8，穿过所述加工台和支撑紧固基座设置并与模具底部连接的超声波装置，安置于所述模具上的凹槽内的基板9，以及位于基板上方的送粉喷嘴11；

其中，所述超声波装置包括依次连接的超声波发射器1、超声波换能器4、超声波变幅杆5和超声波振动杆6，所述超声波变幅杆通过外环法兰盘固定于所述加工台上，所述超声波振动杆穿过所述支撑紧固基座并与所述模具底板连接，所述超声波换能器穿过所述加工台与所述超声波变幅杆连接，所述超声波发射器通过线缆与超声波换能器连接。

具体地，所述基板与所述模具上的凹槽相匹配。进一步地，所述模具上还设有用于限定基板的压块。

作为优选，所述模具为普通模具、水冷铜模具或铝制加热模具。

更具体地，所述水冷铜模具包括带有凹槽的铜模14，设置于铜模内部的加工串联孔，与加工串联孔连通的水管13以及与水管连接并与水管和加工串联孔共同构成水冷循环的水冷机12。

更具体地，所述铝制加热模具包括带有凹槽的铝模16，弯曲地埋置于铝模内部的管状电热元件17，以及与管状电热元件连接的温控器15。其中，所述温控器控制管状电热元件的温度范围为150～500℃。

基于上述构造，本发明还提供了该超声波辅助激光增材制造的装置的实现方法，包括如下步骤：

（1）装配：设置精密双轴数控转台使加工台保持平稳，将超声波装置和支撑紧固装置固定在加工台上，在支撑紧固装置上安置模具并将之与超声波装置内的超声波振动杆紧固连接，在模具的凹槽内安置与之匹配的基板，并使用压块将之固定；

（2）启动超声波装置，使产生的超声波直接输入到基板中，调节超声波装置使之产生的超声波频率与所述基板的固有频率接近，并使基板在超声波作用下产生共振，找到其共振的谐振点，可以在熔池内部产生高频振动进行搅拌；

（3）将送粉喷嘴移动到基板上方的一定位置，开启激光增材制造设备，在数控状态下完成产品10的制造；

（4）产品制造完成后，关闭超声波装置。

进一步地，所述模具的不同设置还配置有对应的加工模式：

当所述模具为水冷铜模具时，加工模式为预冷模式，在步骤（1）中安置水冷铜模具，并使之与超声波振动杆紧固连接；在步骤（2）启动超声波装置前，先开启水冷机，设置预冷温度，待水冷循环稳定后再启动超声波装置；

当所述模具为铝制加热模具时，加工模式为预热模式，在步骤（1）中安置铝制加热模具，并使之与超声波振动杆紧固连接；在步骤（2）启动超声波装置前，先通过温控器设置预热温度，并在模具温度稳定后再启动超声波装置。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。