CN108672936B - 一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，包括基板，基板上部设有横向的圆板，圆板外周套装圆环，圆环与圆板外周轴承活动连接，圆板底部设有数个均匀分布的感应加热装置，感应加热装置的下端指向圆板中心轴线与基板顶面交汇处，感应加热装置的上端均固定安装竖杆，竖杆侧部与圆环侧部铰接连接。本发明采用感应加热熔丝与激光复合的方法进行增材制造，焊丝采用感应加热熔化，激光束起到促进金属熔池搅动的作用，制造过程中有单位时间材料送入量大，形成的金属熔池大，增材制造效率高，并且可以同时送入多种材料的焊丝，实现合金材料的增材制造。本发明为增材制造提供一种新的装置和方法。

Description

一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法

技术领域

本发明属于增材制造和快速成型领域，具体地说是一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法。

背景技术

现有对金属材料进行增材制造的方法，主要采用激光、电子束加热、电弧加热等方法对金属材料进行加热，完成零件的快速成型和增材制造。现有的选区激光烧结增材制造方法采用激光在粉末上扫描，将粉末熔化，凝固后逐层累积重复烧结成型。制造过程中存在单位时间内材料熔化量少，粉末需预热，粉床等辅助设备费用高。采用同步送粉方式进行激光烧结成型，同样存在单位时间材料熔化量少，效率低等不足。

发明内容

本发明提供一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置与方法，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，包括基板，基板上部设有横向的圆板，圆板外周套装圆环，圆环与圆板外周轴承活动连接，圆板底部设有数个均匀分布的感应加热装置，感应加热装置的下端指向圆板中心轴线与基板顶面交汇处，感应加热装置的上端均固定安装竖杆，竖杆侧部与圆环侧部铰接连接，圆板底部固定安装激光头，激光头发出的激光束竖直朝下，感应加热装置内均设有焊丝。

如上所述的一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，所述的圆板顶面中间开设盲孔槽，圆板上部设有竖向的螺杆，螺杆的下端与盲孔槽轴承活动连接，螺杆上套装内螺纹套筒，竖杆的上端与内螺纹套筒侧部均通过第一连杆铰接连接。

如上所述的一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，所述的螺杆侧部开设数个上下均匀分布的螺纹盲孔，内螺纹套筒侧部开设横向的长条孔，长条孔内设有第一定位螺栓，第一定位螺栓与对应的螺纹盲孔螺纹配合。

如上所述的一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，所述的螺杆上套装环形板，环形板侧面开设定位孔，定位孔内设有第二定位螺栓，第二定位螺栓能与对应的螺纹盲孔螺纹配合，圆板顶部固定安装竖向的微型电机，微型电机的输出轴的上端固定安装主动偏心轮，主动偏心轮及环形板顶面靠近边缘处均固定安装竖向的柱头，柱头的上端均套装轴承，两个轴承侧部之间通过第二连杆固定连接。

如上所述的一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，所述的感应加热装置包括管状的外壳、阶梯状陶瓷管、感应线圈，外壳下端面中间开设第四通孔，外壳上端面中间开设第五通孔，外壳内固定安装阶梯状陶瓷管，阶梯状陶瓷管的粗管的上端穿过对应的第五通孔后位于外壳的外部，阶梯状陶瓷管的细管穿过对应的第四通孔后位于外壳的外部，感应线圈缠绕在对应的阶梯状陶瓷管上，焊丝位于阶梯状陶瓷管内部。

一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置的使用方法，所述的感应加热装置将融化的焊丝送到基板顶部同一个位置，形成金属熔池，激光头发出的激光束照射在金属熔池中间，形成深熔小孔对金属熔池进行搅拌，促进不同的融化的金属材料与基板之间的融合，金属熔池凝固后形成金属层，激光头与感应加热装置一起移动，形成所需要的轨迹，累积形成面，再逐层累积实现实体的增材制造。

本发明的优点是：焊丝通过送丝装置持续送入到感应加热装置内，本发明工作时，多个感应加热装置内的焊丝融化后从其下端出口流出落到基板顶部同一个位置，形成金属熔池，激光束照射在金属熔池中间，形成深熔小孔，对金属熔池进行搅拌，可以促进不同的融化的金属材料与基板之间的融合，金属熔池凝固后形成金属层，激光头与感应加热装置一起移动，形成所需要的轨迹，累积形成面，再逐层累积实现实体的增材制造。在进行本发明的工作之前，首先将需要加工的金属材料零件参数输入D打印设备计算机中，计算机对所要加工的材料进行分层切片处理。把焊丝装入感应加热装置中，感应加热装置的线圈对焊丝进行加热直到其熔化，然后根据计算机的加工零件层的数据及切片得出的模型形状以及要求得到的金属的零件的强度，精确控制感应加热装置的熔融状金属液态的喷出速度，流出的熔融状金属在熔池中经过激光的照射能够充分搅拌，同时感应加热装置外置冷却喷头对喷出的熔融状态与熔池融合时进行冷却，冷却成形，重复上述步骤，按照计算机输出的参数对所需要的地方进行填充，直到全部完成。本发明采用感应加热熔丝与激光复合的方法进行增材制造，焊丝采用感应加热熔化，激光束起到促进金属熔池搅动的作用，制造过程中有单位时间材料送入量大，形成的金属熔池大，增材制造效率高，并且可以同时送入多种材料的焊丝，实现合金材料的增材制造。本发明为增材制造提供一种新的装置和方法。

本发明与现有技术比较具有的优点有：1、感应加热熔丝与激光复合的增材制造方法中的感应加热作用是把焊丝加热到熔化温度及以上，同时设置个及以上感应加热装置对根及以上焊丝进行加热，这根及以上被加热致熔化的焊丝送入到相同的位置，形成一个金属熔池。2、该复合的增材制造方法中，激光束照射在根及以上焊丝形成的熔池中间位置，形成深熔小孔，加快不同焊丝金属熔液的搅拌作用，促进不同焊丝材料成分的均匀混合。3、该复合的增材制造方法，可实现种及以上焊丝的充分熔合，冷却后合金；该方法采用多根焊丝同时送入，大幅提高了增材制造的材料累积成形速度；该方法在控制不同合金材料成分时可以通过控制焊丝的送入速度、焊丝的直径以及焊丝元素成分进行控制，实现任意成分的合金增材制造快速成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；图2是图1的A向视图的放大图；图3是图1的Ⅰ部的局部放大图；图4是图1的Ⅱ部的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，如图所示，包括基板1，基板1上部设有横向的圆板2，圆板2外周套装圆环25，圆环25与圆板2外周轴承活动连接，圆板2底部设有数个均匀分布的感应加热装置3，感应加热装置3的下端指向圆板2中心轴线与基板1顶面交汇处，感应加热装置3的上端均固定安装竖杆4，竖杆4侧部与圆环25侧部铰接连接，圆板2底部固定安装激光头5，激光头5发出的激光束6竖直朝下，感应加热装置3内均设有焊丝7。焊丝7通过送丝装置持续送入到感应加热装置3内，本发明工作时，多个感应加热装置3内的焊丝7融化后从其下端出口流出落到基板1顶部同一个位置，形成金属熔池23，激光束6照射在金属熔池23中间，形成深熔小孔26，对金属熔池进行搅拌，可以促进不同的融化的金属材料与基板1之间的融合，金属熔池23凝固后形成金属层24，激光头5与感应加热装置3一起移动，形成所需要的轨迹，累积形成面，再逐层累积实现实体的增材制造。在进行本发明的工作之前，首先将需要加工的金属材料零件参数输入3D打印设备计算机中，计算机对所要加工的材料进行分层切片处理。把焊丝7装入感应加热装置3中，感应加热装置3的线圈对焊丝7进行加热直到其熔化，然后根据计算机的加工零件层的数据及切片得出的模型形状以及要求得到的金属的零件的强度，精确控制感应加热装置3的熔融状金属液态的喷出速度，流出的熔融状金属在熔池中经过激光的照射能够充分搅拌，同时感应加热装置3外置冷却喷头对喷出的熔融状态与熔池融合时进行冷却，冷却成形，重复上述步骤，按照计算机输出的参数对所需要的地方进行填充，直到全部完成。本发明采用感应加热熔丝与激光复合的方法进行增材制造，焊丝7采用感应加热熔化，激光束6起到促进金属熔池搅动的作用，制造过程中有单位时间材料送入量大，形成的金属熔池大，增材制造效率高，并且可以同时送入多种材料的焊丝7，实现合金材料的增材制造。本发明为增材制造提供一种新的装置和方法。

本发明与现有技术比较具有的优点有：1、感应加热熔丝与激光复合的增材制造方法中的感应加热作用是把焊丝7加热到熔化温度及以上，同时设置2个及以上感应加热装置3对2根及以上焊丝7进行加热，这2根及以上被加热致熔化的焊丝7送入到相同的位置，形成一个金属熔池23。2、该复合的增材制造方法中，激光束6照射在2根及以上焊丝7形成的熔池中间位置，形成深熔小孔26，加快不同焊丝7金属熔液的搅拌作用，促进不同焊丝7材料成分的均匀混合。3、该复合的增材制造方法，可实现2种及以上焊丝7的充分熔合，冷却后合金；该方法采用多根焊丝7同时送入，大幅提高了增材制造的材料累积成形速度；该方法在控制不同合金材料成分时可以通过控制焊丝7的送入速度、焊丝7的直径以及焊丝7元素成分进行控制，实现任意成分的合金增材制造快速成形。

具体而言，如图所示，本实施例所述的圆板2顶面中间开设盲孔槽8，圆板2上部设有竖向的螺杆9，螺杆9的下端与盲孔槽8轴承活动连接，螺杆9上套装内螺纹套筒10，竖杆4的上端与内螺纹套筒10侧部均通过第一连杆11铰接连接。通过转动螺杆9来调节内螺纹套筒10的高度可以方便的对所有的金属材料棒感应装置3的倾斜角度α进行同步调节，方便工作人员的使用。

具体的，如图所示，本实施例所述的螺杆9侧部开设数个上下均匀分布的螺纹盲孔12，内螺纹套筒10侧部开设横向的长条孔13，长条孔13内设有第一定位螺栓14，第一定位螺栓14与对应的螺纹盲孔12螺纹配合。通过第一定位螺栓14与对应的螺纹盲孔12螺纹配合可以使内螺纹套管10在螺杆9上的高度基本得到固定，从而对所有的感应加热装置3的角度进行了限制，避免在工作的过程中感应加热装置3的角度自动发生较大的变化。

进一步的，如图所示，本实施例所述的螺杆9上套装环形板15，环形板15侧面开设定位孔16，定位孔16内设有第二定位螺栓17，第二定位螺栓17能与对应的螺纹盲孔12螺纹配合，圆板2顶部固定安装竖向的微型电机18，微型电机18的输出轴的上端固定安装主动偏心轮19，主动偏心轮19及环形板15顶面靠近边缘处均固定安装竖向的柱头20，柱头20的上端均套装轴承21，两个轴承21侧部之间通过第二连杆22固定连接。使用本发明进行工作时，微型电机18工作带动主动偏心轮19转动，主动偏心轮19通过第二连杆22可以带动环形板15进行一定角度的往复转动，螺杆9随之进行一定角度的往复转动，当第一定位螺栓14未与长条孔13内侧端接触时，内螺纹套筒10仅仅随螺杆9的转动而进行竖直方向的移动，此时感应加热装置3的倾斜角度α的大小会发生轻微的变化，内螺纹套筒10上移时α增大，内螺纹套筒10下移时α减小，当第一定位螺栓14与长条孔13内侧端接触时，第一定位螺栓14拨动内螺纹套筒10转动，此时内螺纹套筒10通过第一连杆11及竖杆4带动所有的感应加热装置3绕圆板2中心轴转动一定的角度，由于螺杆9是进行一定角度的往复转动的，因此感应加热装置3随螺杆9的往复转动进行倾斜角度α大小的交替变化及绕圆板2中心轴转动一定角度往复转动，焊丝7随之进行有规律的移动，该设计可以使基板1顶面的金属熔池23内多根焊丝7及基板1的熔融金属混合物得到自动均匀混合，进一步的提高凝固后的金属层24内的金属融合程度。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的感应加热装置3包括管状的外壳31、阶梯状陶瓷管32、感应线圈33，外壳31下端面中间开设第四通孔27，外壳31上端面中间开设第五通孔28，外壳31内固定安装阶梯状陶瓷管32，阶梯状陶瓷管32的粗管的上端穿过对应的第五通孔28后位于外壳31的外部，阶梯状陶瓷管32的细管穿过对应的第四通孔27后位于外壳31的外部，感应线圈33缠绕在对应的阶梯状陶瓷管32上，焊丝7位于阶梯状陶瓷管32内部。陶瓷阶梯状陶瓷管32为耐高温材质且不导电，适合对焊丝7加热，阶梯状陶瓷管32分为粗管与细管，细管能精确的控制熔融状态金属流出后在基板1上的落点。

更进一步的，本实施例所述的感应加热装置3将融化的焊丝7送到基板1顶部同一个位置，形成金属熔池23，激光头5发出的激光束6照射在金属熔池23中间，形成深熔小孔26对金属熔池进行搅拌，促进不同的融化的金属材料与基板1之间的融合，金属熔池23凝固后形成金属层24，激光头5与感应加热装置3一起移动，形成所需要的轨迹，累积形成面，再逐层累积实现实体的增材制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，其特征在于：包括基板（1），基板（1）上部设有横向的圆板（2），圆板（2）外周套装圆环（25），圆环（25）与圆板（2）外周轴承活动连接，圆板（2）底部设有数个均匀分布的感应加热装置（3），感应加热装置（3）的下端指向圆板（2）中心轴线与基板（1）顶面交汇处，感应加热装置（3）的上端均固定安装竖杆（4），竖杆（4）侧部与圆环（25）侧部铰接连接，圆板（2）底部固定安装激光头（5），激光头（5）发出的激光束（6）竖直朝下，感应加热装置（3）内均设有焊丝（7），圆板（2）顶面中间开设盲孔槽（8），圆板（2）上部设有竖向的螺杆（9），螺杆（9）的下端与盲孔槽（8）轴承活动连接，螺杆（9）上套装内螺纹套筒（10），竖杆（4）的上端与内螺纹套筒（10）侧部均通过第一连杆（11）铰接连接，螺杆（9）侧部开设数个上下均匀分布的螺纹盲孔（12），内螺纹套筒（10）侧部开设横向的长条孔（13），长条孔（13）内设有第一定位螺栓（14），第一定位螺栓（14）与对应的螺纹盲孔（12）螺纹配合，螺杆（9）上套装环形板（15），环形板（15）侧面开设定位孔（16），定位孔（16）内设有第二定位螺栓（17），第二定位螺栓（17）能与对应的螺纹盲孔（12）螺纹配合，圆板（2）顶部固定安装竖向的微型电机（18），微型电机（18）的输出轴的上端固定安装主动偏心轮（19），主动偏心轮（19）及环形板（15）顶面靠近边缘处均固定安装竖向的柱头（20），柱头（20）的上端均套装轴承（21），两个轴承（21）侧部之间通过第二连杆（22）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置，其特征在于：所述的感应加热装置（3）包括管状的外壳（31）、阶梯状陶瓷管（32）、感应线圈（33），外壳（31）下端面中间开设第四通孔（27），外壳（31）上端面中间开设第五通孔（28），外壳（31）内固定安装阶梯状陶瓷管（32），阶梯状陶瓷管（32）的粗管的上端穿过对应的第五通孔（28）后位于外壳（31）的外部，阶梯状陶瓷管（32）的细管穿过对应的第四通孔（27）后位于外壳（31）的外部，感应线圈（33）缠绕在对应的阶梯状陶瓷管（32）上，焊丝（7）位于阶梯状陶瓷管（32）内部。

3.根据权利要求1所述一种基于感应加热熔丝与激光复合的增材制造装置的使用方法，其特征在于：所述的感应加热装置（3）将融化的焊丝（7）送到基板（1）顶部同一个位置，形成金属熔池（23），激光头（5）发出的激光束（6）照射在金属熔池（23）中间，形成深熔小孔（26）对金属熔池进行搅拌，促进不同的融化的金属材料与基板（1）之间的融合，金属熔池（23）凝固后形成金属层（24），激光头（5）与感应加热装置（3）一起移动，形成所需要的轨迹，累积形成面，再逐层累积实现实体的增材制造。

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