CN103132071B - 一种激光修复用超声振动耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种激光修复用超声振动耦合装置，包括橡胶，环形辅助支座，变幅杆，工作台，冷却装置和超声波换能器。超声波换能器固定在变幅杆的下端。超声波换能器的上端设有冷却装置。变幅杆穿过工作台并和环形辅助支座固定在工作台上。变幅杆处于环形辅助支座的中央。环形辅助支座的上端设有橡胶。环形辅助支座的一侧设有抽真空孔。本发明采用真空负压结构来实现变幅杆和工件的快捷耦合，即在变幅杆上部采用真空吸盘结构，使涂耦合剂的变幅杆上部与工件紧密结合。通过计算吸盘结构尺寸和抽气压力P的大小可精确控制接合力。超声振动耦合装置的超声波振幅在一定范围可调，并能在中心区域产生近似均匀的超声波，将超声波引入到熔池内，同时通过改变作用于熔池内液态金属的振幅（功率），进而获得不同的激光修复效果。

Description

一种激光修复用超声振动耦合装置

技术领域：本发明涉及一种耦合装置，特别是一种耦合装置,属于材料成形领域。

背景技术：二十世纪70年代诞生了激光修复工艺的核心技术——激光修复技术，80年代得到了迅猛发展。由于这种工艺具有操作简便，无污染以及能够缩短生产周期，材料利用率高，特别适合修复复杂结构的难加工金属零件等优点，因此广泛应用在基于钛合金等难加工材料的航空、航天、船舶等领域。在钛合金激光沉积修复过程中，气孔、裂纹，显微组织分布不均匀，结晶不明显，晶粒尺寸粗大是影响修复质量的重要原因，为了改善修复效果，提高修复质量，通常通过添加某些特殊合金元素或氧化物,或通过优化钛合金激光沉积修复工艺等措施来抑制或改善以上缺陷,但以上措施对提高修复层质量没有取得突破性进展。为了改善激光修复层内部质量,一个重要思路是设法使修复层内硬质相均匀分布，在激光修复中采用超声振动耦合装置可以很好的实现这一思路。超声波换能器产生的超声波作用于熔融的金属溶液，促进金属溶液运动，可以促使金属溶液中杂质气体的析出，减小金属溶液的温度梯度，使熔池分布更均匀。传统的超声振动耦合装置大多采用螺纹连接进行工件与变幅杆耦合，修复前工件需要机械加工处理，降低了激光修复效率。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构紧凑，成本低廉，性能稳定，操作方便的超声振动耦合装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光修复用超声振动耦合装置，包括橡胶，环形辅助支座，变幅杆，工作台，冷却装置和超声波换能器。超声波换能器固定在变幅杆的下端。超声波换能器的上端设有冷却装置。变幅杆穿过工作台并和环形辅助支座固定在工作台上。变幅杆处于环形辅助支座的中央。环形辅助支座的上端设有橡胶。环形辅助支座的一侧设有抽真空孔。

优选的，所述的变幅杆采用圆锥-圆柱复合型变幅杆。

优选的，所述的冷却装置为水冷方式。

优选的，所述的超声波换能器频率为17千赫-23千赫。

本发明采用真空负压结构来实现变幅杆和工件的快捷耦合，即在变幅杆上部采用真空吸盘结构，使涂耦合剂的变幅杆上部与工件紧密结合。通过计算吸盘结构尺寸和抽气压力P的大小可精确控制接合力。超声振动耦合装置的超声波振幅在一定范围可调，并能在中心区域产生近似均匀的超声波，将超声波引入到熔池内，同时通过改变作用于熔池内液态金属的振幅（功率），进而获得不同的激光修复效果。

本发明的有益效果：

一是可以很好改善激光修复的效果，提高修复质量，具体表现如下：

（1）该超声振动耦合装置可以使热影响区域更均匀，增大其作用范围并向熔池周围渗透。

（2）该超声振动耦合装置能显著改善修复层显微结构，使其分布更均匀，细化晶粒。

（3）该超声振动耦合装置能很好的抑制钛合金粉末激光修复层的气孔并使其细微化。

（4）该超声振动耦合装置能在一定程度上提高修复层的显微硬度。

二是本发明结构紧凑，性能稳定，满足试验安装的空间要求，并能在工作区域产生振幅（功率）可调的超声波，能很好的发挥振动效果，改善技术背景中提及的问题和缺陷。

附图说明：

图1是本发明结构示意图。

图2用于平板类工件的变幅杆结构示意图。

图3用于圆柱类工件的变幅杆结构示意图。

图4用于曲面类工件的变幅杆结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示：一种激光修复用超声振动耦合装置，包括橡胶3，环形辅助支座4，变幅杆7，工作台8，冷却装置9和超声波换能器10。超声波换能器10固定在变幅杆7的下端。超声波换能器10的上端设有冷却装置9。变幅杆7穿过工作台8并和环形辅助支座4固定在工作台8上。变幅杆7处于环形辅助支座4的中央。环形辅助支座4的上端设有橡胶3。环形辅助支座4的一侧设有抽真空孔11。

工作原理：

振动耦合装置设置在激光熔敷装置的下端，所述的激光熔敷装置包括激光器12，聚焦镜1，送粉器13，同轴送粉喷嘴2和保护气装置14。激光器和聚焦镜平行设置，同轴送粉喷嘴2设在聚焦镜的下端。送粉器13与同轴送粉喷嘴2连接。保护气装置设置在同轴送粉喷嘴的下端。工件5放置在橡胶3上，通过抽真空孔11将环形辅助支座4和工件5形成的腔体抽真空，橡胶3起到密封的作用。振动电源发出一定超声频率的正弦波形电流，以此驱动换能器中的压电陶瓷产生振动，最终以超声波的形式释放出去，通过改变电源功率可调节超声波振幅的大小，从而获得不同的激光修复效果，图1中的6为工件和变幅杆上的振动波形；换能器通过其中的压电陶瓷将电能转换为一定频率的声能，并传至换能器的表面；冷却系统是通过水泵带动循环水给换能器降温，使换能器工作温度保持在60℃以下，有利于超声振动耦合装置稳定工作；真空吸盘型变幅杆是用来聚能以便放大振幅满足工作需要，另一方面用于稳定夹持待修复工件，提高工件与变幅杆的耦合性，此外，使待修复件与换能器隔开，避免激光沉积修复过程中产生的高温传至换能器，影响换能器正常工作。

如图2所示：平板类工件类型是比较容易通过真空负压方式使工件与变幅杆紧密接合，此接合方式方便快捷有利于提高激光修复效率。超声振动耦合装置安装在工作台的辅助板上，通过变幅杆的节点处的法兰固定，待修复件耦合到变幅杆的顶端，共同构成了复合型变幅杆，连接处用甘油进行耦合，以便将其中的空气除净，根据超声波电源的频率自动跟踪功能来实现工件质量变化时依然能达到共振状态，功率可调功能实现在不同振幅下进行激光修复试验。

如图3所示：圆柱类工件类型比平板类工件与变幅杆连接相对复杂一些，为保证工件与变幅杆紧密结合，变幅杆顶端和与工件连接橡胶的形状都要与圆柱结构尺寸相匹配。由于橡胶具有一定的收缩性，因此圆柱类工件直径变化不大的情况下是不需更换橡胶圈的。为保证圆柱类工件与变幅杆的耦合性，连接处应适当增加耦合剂。

如图4所示：超声振动耦合装置能够适用曲率较小的工件，此类工件与变幅杆耦合性较差，应在安装前与变幅杆连接处进行打磨处理，有利于提高其耦合性。虽然橡胶具有一定的收缩性，但橡胶与曲面工件连接很难达到完全匹配，可通过提高抽气压力增加其接合力。

Claims (4)

1.一种激光修复用超声振动耦合装置，其特征在于：包括橡胶，环形辅助支座，变幅杆，工作台，冷却装置和超声波换能器；超声波换能器固定在变幅杆的下端，超声波换能器的上端设有冷却装置，变幅杆穿过工作台并和环形辅助支座固定在工作台上，变幅杆处于环形辅助支座的中央，环形辅助支座的上端设有橡胶，环形辅助支座的一侧设有抽真空孔。

2.如权利要求1所述的一种激光修复用超声振动耦合装置，其特征在于：所述的变幅杆采用圆锥-圆柱复合型变幅杆。

3.如权利要求1所述的一种激光修复用超声振动耦合装置，其特征在于：所述的冷却装置为水冷方式。

4.如权利要求1所述的一种激光修复用超声振动耦合装置，其特征在于：所述的超声波换能器频率为17千赫-23千赫。