CN106735200B - 一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置及使用方法，装置包括超声波换能器、变幅杆、锤击头、随动连接架、固定套及回转套；固定套与激光头固连，回转套相对于固定套具有转动自由度，两者之间具有锁紧结构；随动连接架一端固连在回转套上，另一端固装超声波换能器，变幅杆安装在超声波换能器下部，锤击头固定在变幅杆底部。方法步骤为：旋转回转套，使锤击头位于激光头扫描路径上，锁紧回转套；激光头进行沉积作业，启动超声波换能器，将超声振动传递到锤击头，通过锤击头对沉积层进行超声振动锤击；激光头移动到成形件边界时，回转套锁紧解除，回转套旋转180°后重新锁紧，继续对沉积层进行超声振动锤击；如此往复，直到完成成形件的制造。

Description

一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置及使用方法

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，特别是涉及一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置及使用方法。

背景技术

激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing，简称LAM，俗称3D打印技术)，是以合金粉末为原料，通过高功率激光对合金粉末进行原位熔化，并使熔融状态的合金粉末快速凝固并逐级沉积来制造实体零件。

激光增材制造技术的原理为：首先利用计算机三维软件设计出零件的三维模型，然后在计算机中对三维模型进行分层切片处理，使三维模型离散化为一系列的二维层面，最后利用激光进行逐层扫描并逐层添加合金粉末，最终将三维模型零件转换成实体零件。

从复杂形状的零件制造来看，激光增材制造技术与传统制造技术相比具有无法比拟的优点，其可实现近净成形，更加节约材料，无需模具和专用夹具，生产周期短且效率高，所制造的零件具有优异的力学性能，因此，在航空航天领域内，被越来越频繁的用于钛合金零件的快速制造。

但是，在合金的快速熔化和凝固过程中，熔池的凝固是依靠向成形件基体和已沉积层进行热传导实现的，在微观层面上，熔池顶部界面类似椭球体，熔池底部界面近似水平，熔池界面温度从熔池底部到熔池顶部是变化的，且温度梯度变化很大，这会导致已凝固成形的部分存在较大的热应力，且材料相变也存在着组织应力，并导致随时可能出现气孔、缝隙和裂纹，而且成形件表面平整度较差，进而导致成形件的制造质量下降。

为此，有必要采取一定的应力释放措施，以抑制气孔、缝隙和裂纹的出现，并提高成形件表面平整度，改善成形件的制造精度和力学性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置及使用方法，能够有效抑制气孔、缝隙和裂纹的出现，提高成形件表面平整度，改善成形件的制造精度和力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置，包括超声波换能器、变幅杆、锤击头、随动连接架、固定套及回转套；所述固定套固连在激光头上，回转套套装在固定套上，回转套相对于固定套具有转动自由度，回转套与固定套之间具有锁紧结构，回转套的回转中心线与激光头的轴向中心线相重合；所述随动连接架一端固连在回转套上，超声波换能器固装在随动连接架另一端，所述变幅杆竖直安装在超声波换能器下部，锤击头固定设置在变幅杆底部。

所述回转套的转动角度调节方式为自动调节方式。

所述回转套与固定套之间采用自动锁紧方式。

所述的激光增材制造用辅助超声振动锤击装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：激光头在进行当前道次的沉积前，使回转套旋转，带动随动连接架、超声波换能器及变幅杆一同旋转，直到锤击头位于激光头的扫描路径上，且锤击头位于激光头前进方向的后方，然后锁紧回转套；

步骤二：开始激光增材制造，激光头在扫描路径上进行当前道次的沉积作业，此时启动超声波换能器，通过超声波换能器输出超声振动，超声振动通过变幅杆传递到锤击头，随着激光头在扫描路径上的移动，已经凝固但仍处于高温的沉积层将与锤击头接触，通过锤击头对沉积层进行超声振动锤击；

步骤三：当激光头移动到成形件边界时，首先解除回转套的锁紧状态，再使回转套旋转180°，进而使锤击头移动到激光头的另一侧，再重新锁紧回转套；

步骤四：继续激光增材制造，激光头在扫描路径上进行下一道次的沉积作业，随着激光头在扫描路径上的移动，通过锤击头对该道次下的沉积层进行超声振动锤击；

步骤五：激光头在扫描路径上完成剩余道次的沉积作业，通过锤击头对剩余道次下的沉积层进行超声振动锤击，直到完成成形件的制造。

本发明的有益效果：

(一)通过本发明的锤击头对沉积层进行超声振动锤击，有效改变合金内部组织形态，提高组织均匀性，提高力学性能的同时增强塑性，起到抑制裂纹萌生的作用，进而提高成形件的高周疲劳寿命。

(二)通过本发明的锤击头对沉积层进行超声振动锤击，有效降低了气孔的出现几率，通过超声振动锤击还有助于组织应力的释放，也可减少裂纹的产生。

(三)由于熔池顶部界面类似椭球体，导致沉积层表面的平整度并不好，随着沉积层的累积和成形件尺寸的不断增大，容易导致塌边和凹陷等问题，当通过锤击头对沉积层进行超声振动锤击后，可明显改善沉积层表面的平整度，不但避免了塌边和凹陷的发生，还有效提高了成形件的尺寸精度。

(四)通过本发明的锤击头对沉积层进行超声振动锤击，在改善沉积层表面平整度的同时，还使沉积层产生了微变形，并使金属晶体晶格发生变形，从而形成形变储能，促进金属恢复再结晶，实现组织应力的释放，进而减小了成形件的变形，不但提高了成形件的尺寸精度，还扩大了成形件的尺寸极限。

(五)通过调整变幅杆的振幅、频率及作用时间，可实现锤击头对沉积层进行超声振动锤击的次数和力度，进而实现对合金内部组织形态及组织应力释放的调节，最终实现对成形件尺寸精度和力学性能的调节。

附图说明

图1为本发明的一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置结构示意图；

图中，1-超声波换能器，2-变幅杆，3—锤击头，4-随动连接架，5-固定套，6—回转套，7-激光头，8-沉积层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置，包括超声波换能器1、变幅杆2、锤击头3、随动连接架4、固定套5及回转套6；所述固定套5固连在激光头7上，回转套6套装在固定套5上，回转套6相对于固定套5具有转动自由度，回转套6与固定套5之间具有锁紧结构，回转套6的回转中心线与激光头7的轴向中心线相重合；所述随动连接架4一端固连在回转套6上，超声波换能器1固装在随动连接架4另一端，所述变幅杆2竖直安装在超声波换能器1下部，锤击头3固定设置在变幅杆2底部。

所述回转套6的转动角度调节方式为自动调节方式。

所述回转套6与固定套5之间采用自动锁紧方式。

所述的激光增材制造用辅助超声振动锤击装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：激光头7在进行当前道次的沉积前，使回转套6旋转，带动随动连接架4、超声波换能器1及变幅杆2一同旋转，直到锤击头3位于激光头7的扫描路径上，且锤击头3位于激光头7前进方向的后方，然后锁紧回转套6；

步骤二：开始激光增材制造，激光头7在扫描路径上进行当前道次的沉积作业，此时启动超声波换能器1，通过超声波换能器1输出超声振动，超声振动通过变幅杆2传递到锤击头3，随着激光头7在扫描路径上的移动，已经凝固但仍处于高温的沉积层将与锤击头3接触，通过锤击头3对沉积层进行超声振动锤击；

步骤三：当激光头7移动到成形件边界时，首先解除回转套6的锁紧状态，再使回转套6旋转180°，进而使锤击头3移动到激光头7的另一侧，再重新锁紧回转套6；

步骤四：继续激光增材制造，激光头7在扫描路径上进行下一道次的沉积作业，随着激光头7在扫描路径上的移动，通过锤击头3对该道次下的沉积层进行超声振动锤击；

步骤五：激光头7在扫描路径上完成剩余道次的沉积作业，通过锤击头3对剩余道次下的沉积层进行超声振动锤击，直到完成成形件的制造。

本发明的辅助超声振动锤击装置还可进行扩展使用，与增材制造机器人或电弧成形增材制造设备配装使用。与增材制造机器人配装使用时，由于增材制造机器人能够实现空间复杂曲面运动，能够制造具有复杂结构的成形件，当辅助超声振动锤击装置与增材制造机器人协同工作时，便可改善复杂结构成形件的尺寸精度和力学性能。与电弧成形增材制造设备配装使用时，由于电弧的稳定性对成形件的形貌平整性影响较大，当电弧的稳定性稍弱时，可以通过辅助超声振动锤击装置对成形件的形貌平整性进行加强，同时改善成形件的尺寸精度和力学性能。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种激光增材制造用辅助超声振动锤击装置，其特征在于：包括超声波换能器、变幅杆、锤击头、随动连接架、固定套及回转套；所述固定套固连在激光头上，回转套套装在固定套上，回转套相对于固定套具有转动自由度，回转套与固定套之间具有锁紧结构，回转套的回转中心线与激光头的轴向中心线相重合；所述随动连接架一端固连在回转套上，超声波换能器固装在随动连接架另一端，所述变幅杆竖直安装在超声波换能器下部，锤击头固定设置在变幅杆底部；所述回转套的转动角度调节方式为自动调节方式；所述回转套与固定套之间采用自动锁紧方式。

2.权利要求1所述的激光增材制造用辅助超声振动锤击装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：激光头在进行当前道次的沉积前，使回转套旋转，带动随动连接架、超声波换能器及变幅杆一同旋转，直到锤击头位于激光头的扫描路径上，且锤击头位于激光头前进方向的后方，然后锁紧回转套；

步骤二：开始激光增材制造，激光头在扫描路径上进行当前道次的沉积作业，此时启动超声波换能器，通过超声波换能器输出超声振动，超声振动通过变幅杆传递到锤击头，随着激光头在扫描路径上的移动，已经凝固但仍处于高温的沉积层将与锤击头接触，通过锤击头对沉积层进行超声振动锤击；

步骤三：当激光头移动到成形件边界时，首先解除回转套的锁紧状态，再使回转套旋转180°，进而使锤击头移动到激光头的另一侧，再重新锁紧回转套；

步骤四：继续激光增材制造，激光头在扫描路径上进行下一道次的沉积作业，随着激光头在扫描路径上的移动，通过锤击头对该道次下的沉积层进行超声振动锤击；

步骤五：激光头在扫描路径上完成剩余道次的沉积作业，通过锤击头对剩余道次下的沉积层进行超声振动锤击，直到完成成形件的制造。