CN103600166A - 辅助加热式超声快速成型方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于快速成型技术领域，特别涉及一种通过额外辅助加热与超声波焊接联合实现金属箔带多层堆焊的方法。该方法通过对快速成型中的金属箔或者基体材料预热，利用外加热场预热软化金属箔或基体材料，并配以良好的气体保护，然后在超声波焊接功率受限的条件下增加金属箔片的可焊厚度与宽度，进而实现金属箔多层一次或者多层多次堆垛超声波焊接，通过固相连接的方式形成三维固态块状实体。最后配以数控程序控制的机械加工平台，实现所需要的零件的几何特征加工。用该方法成型金属件具有成本低廉、效率高、组织致密、无铸态组织等优点，并可实现功能梯度材料的快速成型。
Description
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，具体地说是一种利用辅助加热的方法实现对快速成型中金属箔或者基体材料的预热，降低待焊材料的硬度，提高其超声焊接性，然后在超声波焊接功率受限的条件下利用超声波焊接的方式制作金属箔多层堆垛固相连接金属块状实体，辅以机械加工，最终实现零件快速成型的辅助加热式超声快速成型方法及装置。
背景技术
增量制造技术也即快速成型技术，诞生于20 世纪80 年代后期，区别于利用车削铣磨等传统加工方法的制造技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20 年来制造领域的一个重大成果。是基于材料累加原理的快速成型操作过程，实际上是逐层叠加制造零件，可以形象化理解成一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。具有不受零件复杂程度限制,完全数字化控制等特点。制造出的零部件接近成品，只需要很少后期加工或者几乎不需要后期加工。增量制造技术在铸造、模具快速制造、微纳结构快速制造以及生物制造等行业有着切实的应用前景。
超声波金属滚焊或者缝焊作为一种传统的焊接方法，对同种材料或者异种材料间的焊接适用性较好，从宏观形状来说该方法又特别适合于金属箔片之间的连接或者金属箔片与厚板材料之间的连接。因此可以通过将多层箔片堆叠焊接在一起形成块状实体，然后通过机械加工实现特定几何形状零件的快速成型。
但是目前超声波滚焊或者缝焊存在两个致命的弱点，所以其应用前景有限。首先是超声波发生器的功率太小，一般在5kW以下，这使得采用该方法可以连接的箔片厚度与宽度较小，一般在0.5mm以下，宽度在20mm以下。例如美国专利（US 20120061027 A1）设计了一个能够利用双超声波发生器耦合进行焊接的系统总成，可以将两个4.5kW的超声波发生器组合在一起形成推-挽超声波焊接设备，功率提高到9Kw,即使如此其焊接的有效箔片厚度也受到了一定的限制，一般是0.16mm的镍、铝及钛等有色金属箔。
其次，超声波滚焊或者缝焊的材料适用性还有待提高，一些高硬度的材料，比如一些硬度比较高的不锈钢，采用超声波焊接进行多层箔片堆叠的焊接过程无法实现。但是如果将钢质箔片进行预热后，钢箔的硬度可以有极大地降低，在硬度降低的条件下，便可以采用超声波焊接进行钢质箔片的多层堆垛焊接。
综上所述，受限于箔片厚度、宽度以及超声波焊接适用范围几方面的影响，目前单纯采用超声波焊接进行快速成型在增量制造领域就效率和适用范围来说，并没有任何优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、效率高并且可制作组织致密、无铸态组织的基于箔带连续堆积的快速成型方法及装置。
为了达到上述目的，本发明通过对箔片或者基体进行有效预热，软化金属，使其适于超声焊接，有效地解决了目前超声波焊接功率较低而导致的其可焊金属箔的宽度和厚度受到限制，以及较硬金属难以超声波焊接等问题，提出了一种基于预热与超声波焊接结合的新型辅助加热式超声快速成型方法及装置。
本发明可以通过如下技术方案达到：
一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于通过额外辅助加热与超声波焊接结合实现金属箔带三维方向多层堆焊，具体为：通过对快速成型中的金属箔或者基体材料预热，利用外加热场预热并软化金属箔或基体材料后，在超声波焊接功率受限的条件下增加金属箔片的可焊厚度与宽度，改善材料之间的焊接结合质量，进而实现金属箔多层一次或者多层多次有效堆叠的超声波焊接，通过固相超声焊接的方式形成三维固态块状实体，最后配以数控程序控制的机械加工平台，实现所需要的零件的几何特征加工。
本发明采用多层箔带超声波焊接的方式完成三维固态块状实体的制备，金属箔可以以多层竖排不交错的方式连续堆积，也可以以多层竖排交错堆积的方式进行连续堆积。
本发明所述辅助加热式超声快速成型方法中辅助加热可以如下多种加热方式之一：（1）采用在加工台面下或者超声压头内部放置电热丝，通过电热丝使金属箔片或者基体金属得到预热；（2）由电磁感应加热的方式提供，在超声焊接压头前方安装电磁线圈，通过感应加热的方式实现对金属箔和基体金属的预热；（3）由电阻缝焊滚轮在超声焊接压头前滚压，并且通电来进行预热；（4）通过对金属箔片进行通电，依靠金属箔在通电状态下的自身电阻产热实现对金属箔片的预热；（5）采用TIG电弧对金属箔或者基体金属在超声压头的前方进行预热。
本发明中用于超声快速成型的金属箔或者基体材料根据不同的材质在焊接前预热温度可在50-500摄氏度之间。
本发明为了避免预热对金属箔或者基体金属带来的氧化，可以对预热过程及超声波焊接过程中操作区域进行实时通气保护，一般所用气体为氩气、氦气或者氮气进行保护。
本发明在对金属箔或者金属基体的预热同时，采用红外测温的方式进行实时监测与反馈，避免焊接过程成形成铸态组织，保证整个焊接界面的固相连接特性。
本发明所述的辅助加热式超声快速成型方法及装置，由于采用了超声波焊接前预热的方式，超声滚焊或缝焊压头的宽度可以明显增加，一般不大于30mm，可单次焊接的金属箔片厚度也可以明显增加，一般不大于2mm，本发明中所采用的辅助加热方式主要有电阻热、电磁感应加热或者电弧来提供，这几种热源均具有容易实现，装置添加方便，对操作平台的空间占用小，热量输入控制方便等特点。快速成型过程中操作平台和控制平台的简化意味着生产效率的提高。而且本发明中所采用的电阻热或电磁感应等加热方法所采用的设备投入低，并且可以实现流水线式加热，因此非常适合零件快速成型的批量生产。
本发明还提出了一种用于实现上述辅助加热式超声快速成型方法的装置，其特征在于包括加热单元、焊接单元以及分别与加热单元和焊接单元相连接的控制单元，还设有与控制单元相连接的温度检测单元。
本发明在超声快速成型的基础上对金属箔或者基体金属材料辅助加热，在相对金属材料熔点较低的温度下进行预热，使待焊接材料的塑性提高，硬度降低，从而改善其超声焊接性，在目前超声功率受限制的情况下也能对较厚和较宽金属箔进行超声焊接。由于焊接过程中还是超声固相连接起主要作用，而非金属的熔化连接，层间结合以固相结合为主，排除了材料熔化形成的铸态组织，因此结合质量较高。同时在本发明中，对快速成型区域进行了有效的惰性气体保护，从而可以防止预热导致的金属材料表面氧化，进一步保证了结合质量。因此，采用本发明成型的零件强度高、组织致密性好，并且可以实现多功能梯度零件的快速成型。
附图说明
附图1为本发明的操作示意图。
附图2为本发明采用电磁感应方式预热时的操作示意图。
附图3为本发明采用电阻缝焊接单元预热时的操作示意图。
附图标记：超声滚压焊接压头1、金属箔2、加热单元3、保护气罩4、操作台5、电磁线圈6、电阻缝焊单元7。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明在快速成型开始前将金属箔2放在操作台5上，通过加热单元3对待焊金属材料进行预热，同时通过保护气罩4通入保护气减少加工区域待焊金属受热氧化程度，随后超声滚压焊接压头1对该层金属箔2进行滚压焊接，焊接完成后进行按相同步骤进行下一层焊接，从而实现在基板上的增量制造过程。
实施例1
如图2所示，使用0.5mm厚的铝箔在电磁感应加热方式下进行超声快速成型，先将第一层铝箔放置在操作台5上装卡好，然后将一层铝箔放置在第一层铝箔上，利用超声滚压焊接对两层铝箔进行焊接，焊接过程中电磁线圈6（加热单元）通电，对正在焊接部位的铝箔进行加热，同时在超声滚压焊接压头1上施加压力和超声震动，使两层铝箔快速连接在一起，该层焊接完成后，再将下一层铝箔放置好，按上面步骤进行循环焊接，最终得到快速成型的铝零件。
实施例2
如图3所示，使用0.4mm厚的镍合金箔在4mm厚的钛合金板上超声快速成型，先将钛合金装卡在操作台5上，然后将一层镍合金放置在钛合金板上进行超声滚压焊接，在超声滚压焊接压头1的前方安装有电阻缝焊滚轮7（加热单元），利用小功率的电阻缝焊对镍合金箔与钛合金板进行碾压预热，随后用超声滚压焊接完成最终连接，该层焊接完成后，再将下一层镍合金箔放置好，按以上步骤进行循环焊接，最终得到快速成型的具有功能梯度的零件。
本发明与现有技术相比，由于采用了超声波焊接前预热的方式，超声波焊接压头的宽度可以明显增加，一般不大于30mm，可单次焊接的金属箔片厚度也可以明显增加，一般不大于2mm，本发明中所采用的辅助加热方式主要有电阻热、电磁感应加热或者电弧来提供，这几种热源均具有容易实现，装置添加方便，对操作平台的空间占用小，热量输入控制方便等特点。快速成型过程中操作平台和控制平台的简化意味着生产效率的提高。而且本发明中所采用的电阻热或电磁感应等加热方法所采用的设备投入低，并且可以实现快速精确加热，因此非常适合零件快速成型的批量生产。
Claims (7)
1. 一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于通过额外辅助加热与超声波焊接结合实现金属箔带三维方向多层堆焊，具体为：通过对快速成型中的金属箔或者基体材料预热，利用外加热场预热并软化金属箔或基体材料后，在超声波焊接功率受限的条件下增加金属箔片的可焊厚度与宽度，改善材料之间的焊接结合质量，进而实现金属箔多层一次或者多层多次有效堆叠的超声波焊接，通过固相超声焊接的方式形成三维固态块状实体，最后配以数控程序控制的机械加工平台，实现所需要的零件的几何特征加工。
2.根据权利要求1所述的一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于采用多层箔带超声波焊接的方式完成三维固态块状实体的制备，金属箔以多层竖排不交错的方式连续堆积，或以多层竖排交错堆积的方式进行连续堆积。
3.根据权利要求1所述的一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于预热操作通过以下多种加热方式之一达到：（1）采用在加工台面下或者超声压头内部放置电热丝，通过电热丝使金属箔片或者基体金属得到预热；（2）由电磁感应加热的方式提供，在超声焊接压头前方安装电磁线圈，通过感应加热的方式实现对金属箔和基体金属的预热；（3）由电阻缝焊滚轮在超声焊接压头前滚压，并且通电来进行预热；（4）通过对金属箔片进行通电，依靠金属箔在通电状态下的自身电阻产热实现对金属箔片的预热；（5）采用TIG电弧对金属箔或者基体金属在超声压头的前方进行预热。
4.根据权利要求3所述的一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于在焊接前金属箔或者基体预热温度在50-500摄氏度之间。
5.根据权利要求4所述的一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于对预热过程及超声波焊接过程中操作区域进行实时通气保护，所用气体为氩气、氦气或者氮气。
6.根据权利要求4所述的一种辅助加热式超声快速成型方法，其特征在于在对金属箔或者金属基体的预热同时，采用红外测温的方式对金属箔或者金属基体的温度进行实时监测与反馈，避免焊接过程中形成铸态组织，保证整个焊接界面的固相连接特性。
7.一种用于实现如权利要求1-6中任意一项所述辅助加热式超声快速成型方法的装置，其特征在于包括加热单元、焊接单元以及分别与加热单元和焊接单元相连接的控制单元，还设有与控制单元相连接的温度检测单元。
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