CN105880589A - 一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法 - Google Patents

一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种感应‑超声复合辅助激光金属成形的方法。将感应加热和超声振动同时用于辅助激光金属成形中，将超声波换能器置于超声载物台内，将基体与超声载物台刚性连接；调整感应线圈位置，使感应线圈中间平面与基体成形表面相距合适距离；先开启感应加热电源，延后开启超声波发生器，通过红外温控系统控制基体温度；成形过程中通过直线步进电机实时调整感应线圈中心平面位置，使感应线圈中心平面与已成形表面保持相对距离不变；在感应加热与超声振动的持续作用下进行激光金属成形，成形结束后先关闭感应加热电源，后关闭超声波发生器。本发明中通过感应加热与超声振动两种辅助效果耦合强化，实现高性能、高致密金属件激光近净成形。

Description

一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法
技术领域
本发明适用于金属增材制造领域，涉及一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，通过感应加热与超声振动的耦合强化，获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的高性能金属成形件。
背景技术
激光金属成形技术是国内外增材制造领域的重要研究方向之一，该技术通过高功率激光熔化同步输送的金属粉末，在基材上逐点逐层堆积材料，通过不断生长制造出成形零件。经过多年的发展，该技术在成形机理、工艺选择、软硬件系统等方面取得一定的进展。但成形零件存在裂纹、气孔、夹杂等缺陷，并且零件中残余应力较大，这些因素严重影响着成形零件的性能，并制约了激光金属成形技术在航空航天、生物医疗、能源、化工等领域的应用步伐。而微观缺陷、组织状态、残余应力等是导致成形件性能较差的主要原因。因此有必要采取一定的措施细化晶粒、改善组织、消除应力、减少内部缺陷。超声波是一种高频的机械振动，其空化、声流和机械效应在金属凝固过程中起到晶粒细化、除气和均匀组织的作用。而感应加热可实时预热基体，降低熔覆层温度梯度，释放残余内应力，能有效抑制裂纹的产生。目前已有将超声振动和感应加热分别引入到激光熔覆成形技术中的相关文献报道，但各自独立辅助效果相对较小。
大连理工大学申请号为201410290489.0的发明专利中提出一种超声辅助激光近净成形陶瓷件的方法，通过加热板对基板实时预热缓冷并与超声振动耦合，来抑制气孔和裂纹。在具体实施的过程中，超声波换能器贯穿于加热板上开设的中心孔并被固定，且加热板与基体之间有隔热板相隔，一方面超声波换能器长期置于高温环境，使其使用寿命降低，振动效果减弱；另一方面随着成形件高度的增长且加热板与基体之间又有隔热板相隔，不仅加热费时且实时预热效果也不理想。只适用于表面熔覆和表面改性工艺，不适合激光金属成形实体零件的制造。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提出了一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，将感应加热引入到超声振动辅助激光金属成形中，两种辅助效果耦合强化，显著提高了抑制激光直接成形金属件裂纹和气孔的能力，强化了超声振动的细晶化效果。
本发明的技术方案是这样解决的：包括以下步骤：
a)根据成形零件的轮廓外形确定感应线圈的形状，形状为零件轮廓的等距外轮廓曲线；
b)将基体置于超声载物台上端，基体和超声载物台刚性连接；通过直线步进电机来调整感应线圈位置，使感应线圈中间平面与基体成形表面相距0.5～2mm；
c)先打开超声波换能器的冷却系统，使超声载物台内充满变压器油，再打开感应加热电源，对基体成形表面附近区域进行实时预热，将预热温度设定至800～1200℃，然后开启超声波发生器，打开激光金属成形系统，进行第一层熔覆成形；
d)一层完成后，上升一个成形层高度0.06～0.8mm，感应线圈上升相同的高度，进行下一层熔覆成形；
e)重复步骤d)，直到完成整个实体零件的成形，依次关闭感应加热电源、超声波发生器和超声波换能器冷却系统。
超声波换能器采用变压器油进行冷却。
超声波换能器的频率为17KHz～34KHz。
采用感应加热对基体及已成形部分实时预热。
本发明的技术效果是：
本发明将感应加热引入到超声振动辅助激光金属成形技术中，通过感应加热对基体实时预热，直线步进电机带动感应线圈实时移动与已成形表面保持相对位置不变，达到最佳预热效果，减缓熔池凝固速度，延长超声振动对熔池的作用时间，强化超声振动在激光金属成形中的作用。感应加热、超声振动与激光金属成形相关参数的匹配优化，进一步增强了两种辅助手段的耦合强化效果。此外，该发明中采用变压器油对换能器进行循环冷却，使换能器的散热效果更佳，延长换能器在激光熔覆成形中的相对使用寿命，充分发挥其振动效果。
附图说明
图1为感应加热与超声振动复合辅助激光金属成形原理示意图。
图中：1同轴送粉喷嘴；2高能激光束；3感应线圈；4基体；5超声载物台；6超声波换能器；7变压器油；8超声波换能器冷却系统；9超声波发生器；10直线步进电机。
具体实施方式
以下根据技术方案和附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参照图1所示，超声波换能器6连接于超声载物台5内，当超声波发生器9驱动超声波换能器6工作时，在超声波换能器冷却系统8的驱动下，变压器油7从冷却管进口进入超声载物台内并从冷却管出口流出再流回超声波换能器冷却系统8，对超声波换能器6进行循环冷却；基体4与超声载物台5刚性连接，开启激光金属成形系统时，同轴送粉喷嘴1送出的金属粉末在高能激光束2照射下熔化并在基体形成熔池，在成形时感应线圈3在直线步进电机10的带动下随成形件的增长实时移动，对已成形部分进行实时预热。
感应-超声辅助激光金属成形TC4钛合金圆柱实体：
基本工艺参数：粉末粒度50～100μm，激光功率120～210W，扫描速度6～10mm/s，送粉量3.5～4.5g/min，△Z＝0.06～0.10mm，扫描间距0.25～0.3mm，感应线圈为单圈圆环形，圆环内径20mm，线圈铜管内径6mm，感应加热设定温度800～1200℃，线圈中间平面位于基体成形表面以上0.5～2mm。
在直径Φ10mm的TC4圆柱基体上成形Φ7mm的TC4钛合金合金圆柱实体，成形高度5mm。
Ⅰ.先将TC4圆柱基体与超声载物台5刚性连接，然后将感应线圈3调整到合适位置，使感应线圈中间平面位于基体4成形表面以上0.8mm位置处；
Ⅱ.先打开超声波换能器6的冷却系统8，使超声载物台5内充满变压器油7，再打开感应加热电源，对基体成形表面附近区域进行预热至900℃，然后开启超声波发生器，调节超声波环能器6频率为17KHz，超声功率为11W，打开激光金属成形系统，进行第一层熔覆成形；
Ⅲ.一层完成后，上升一个成形层高度0.1mm，感应线圈上升相同的高度0.1mm，进行下一层熔覆成形；
Ⅳ.重复Ⅲ步骤，直到获得高度为5mm的圆柱实体,依次关闭感应加热电源、超声波发生器6、超声波换能器冷却系统8。
最终得到晶粒细小、组织致密、无裂纹和无气孔的TC4钛合金圆柱实体。

Claims (4)

1.一种感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，其特征在于，成形过程主要包括以下几个步骤：
a)根据成形零件的轮廓外形确定感应线圈(3)的形状，形状为零件轮廓的等距外轮廓曲线；
b)将基体(4)置于超声载物台(5)上端，基体(4)和超声载物台(5)刚性连接；通过直线步进电机(10)来调整感应线圈(3)位置，使感应线圈(3)中间平面与基体成形表面相距0.5～2mm；
c)先打开超声波换能器(6)的冷却系统(8)，使超声载物台(5)内充满变压器油(7)，再打开感应加热电源，对基体成形表面附近区域进行实时预热，将预热温度设定至800～1200℃，然后开启超声波发生器，打开激光金属成形系统，进行第一层熔覆成形；
d)一层完成后，上升一个成形层高度0.06～0.8mm，感应线圈(3)上升相同的高度，进行下一层熔覆成形；
e)重复步骤d)，直到完成整个实体零件的成形，依次关闭感应加热电源、超声波发生器(6)和超声波换能器冷却系统(8)。
2.如权利要求1所述的感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，其特征在于：超声波换能器采用变压器油进行冷却。
3.如权利要求1所述的感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，其特征在于：超声波换能器的频率为17KHz～34KHz。
4.如权利要求1所述的感应-超声复合辅助激光金属成形的方法，其特征在于：采用感应加热对基体及已成形部分实时预热。
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