CN110722163B - 一种异种金属复合结构成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于异种金属结合/连接领域，公开了一种异种金属复合结构成形系统及方法，包括熔滴驱动模块、熔炼模块、支撑元件、TIG热源模块、上位机和三维平台运动模块；熔滴驱动模块和熔炼模块均通过支撑元件支撑在三维平台运动模块上方，熔滴驱动模块一端伸入支撑元件内部并与熔炼模块连接，TIG热源模块以预设角度固定在三维平台运动模块上方，熔滴驱动模块、熔炼模块和三维平台运动模块均与上位机连接；上位机用于控制熔炼模块以预设温度熔炼第一金属材料，熔滴驱动模块以预设驱动参数及波形喷射熔炼的第一金属材料，三维平台运动模块带动表面设置的第二金属材料以预设路径移动。该系统及方法能够实现异种金属的直接复合，且成本低，效率高。

Description

一种异种金属复合结构成形系统及方法

技术领域

本发明属于异种金属结合/连接领域，涉及一种异种金属复合结构成形系统及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展以及某些特殊领域的特殊需求，工程应用对新材料新工艺的需求逐渐增加，而单一金属材料性能逐渐难以满足需要，即使适用也往往会受到材料成本等因素的制约。由不同种金属材料组成的异种金属复合结构能够取长补短，充分发挥每种材料的优势，因此得到广泛应用。

异种金属材料是指在化学组成、金相组织结构及性能等方面完全不同的材料，异种金属结合连接是将两种或两种以上的材料在特定的工艺参数下实现连接，将异种金属连接起来，其优点是能够实现异种材料对工作条件的不同要求，并从节约成本、可行性研究，充分利用不同金属材料的性能优势。

针对核能工业中某部件，45钢/锡铅合金异种金属复合结构是其关键部件，该部件为大型空间复杂曲面结构。传统异种金属结合/连接方式如爆炸焊、摩擦焊和超声波焊等均无法直接应用于其复杂空间曲面结构，且无法对基体实现均匀预热处理，时间周期普遍较长。近年兴起的金属材料梯度结构增材制造技术，主要有电子束增材和激光熔覆，它们无法解决异种金属间熔点差异巨大问题，且一般需特制粉末或丝材，材料利用率低。针对于45钢/锡铅合金复合结构传统的结合方式为胶粘工艺，但胶粘的复合结构存在易老化、环境适应性差、长期稳定性差等问题，无法实现复合结构可靠性连接，影响其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中45钢/锡铅合金难以稳定复合的缺点，提供一种异种金属复合结构成形系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种异种金属复合结构成形系统，包括熔滴驱动模块、熔炼模块、支撑元件、TIG热源模块、上位机和三维平台运动模块；

熔滴驱动模块和熔炼模块均通过支撑元件支撑在三维平台运动模块上方，熔滴驱动模块一端伸入支撑元件内部并与熔炼模块连接，TIG热源模块以预设角度固定在三维平台运动模块上方，熔滴驱动模块、熔炼模块和三维平台运动模块均与上位机连接；

上位机用于控制熔炼模块以预设温度熔炼第一金属材料，控制熔滴驱动模块以预设驱动参数及波形喷射熔炼的第一金属材料，控制三维平台运动模块带动表面设置的第二金属材料以预设路径移动。

本发明异种金属复合结构成形系统进一步的改进在于：

所述熔滴驱动模块包括柱形压电促动器、压电控制器、激振杆、环壁水冷单元、水冷机和位移调节单元；激振杆包括双头螺纹细杆和底盘；

位移调节单元与支撑元件连接，柱形压电促动器位于支撑元件内部，柱形压电促动器一端连接位移调节单元，另一端通过柔性铰链连接双头螺纹细杆一端，双头螺纹细杆另一端通过底盘连接熔炼模块；位移调节单元用于调节双头螺纹细杆与熔炼模块之间的距离；压电控制器与柱形压电促动器连接，用于控制柱形压电促动器的驱动频率、驱动行程及驱动波形；

环壁水冷单元设置在柱形压电促动器外围，并与水冷机通过管路连接，管路上设置水阀，水冷机还与上位机连接。

所述位移调节单元包括自上而下依次连接的光轴固定环、中空螺帽和阶梯轴连杆；

中空螺帽与支撑元件连接，阶梯轴连杆远离中空螺帽的一端与柱形压电促动器连接。

所述激振杆材质为99％氧化铝陶瓷。

所述熔炼模块包括温度传感器、喷头、坩埚、加热元件、温控仪和环形承重圆盘；

坩埚一端通过环形承重圆盘连接支撑元件，另一端连接喷头，喷头与熔滴驱动模块连接且位于三维平台运动模块上方，环形承重圆盘与支撑元件之间依次设置隔热元件和密封元件，环形承重圆盘、隔热元件、密封元件和支撑元件通过螺栓锁紧固定，加热元件设置于坩埚外围，温度传感器位于坩埚内部，温控仪一端与温度传感器和加热元件均连接，另一端连接上位机。

所述加热元件为电阻式加热器、电磁感应加热器或微波加热器，所述坩埚与喷头的材质均为石墨，喷头上喷孔的直径为0.3～0.6mm。

所述坩埚与喷头螺纹连接。

所述TIG热源模块包括TIG电弧控制端、气源、TIG焊枪和氩气保护装置；

TIG焊枪以预设角度倾斜固定在三维平台运动模块上方，TIG焊枪一端依次连接TIG电弧控制端和气源，气源和TIG电弧控制端之间的气体管道上依次设置电磁阀和压力控制传感器，TIG电弧控制端还与上位机连接。

所述TIG热源模块与第二金属材料表面间的角度为30～60°，TIG热源模块与熔炼模块的中心线之间水平距离为2mm，熔炼模块与第二金属材料表面的距离为3～5cm，所述三维平台运动模块通过固高控制卡连接上位机。

本发明另一方面，一种异种金属复合结构成形方法，包括以下步骤：

S1：将预处理后的第一金属材料加入熔炼模块，将第二金属材料固定至三维运动平台上预设位置；第一金属材料和第二金属材料为异种金属；

S2：通过上位机控制熔炼模块将第一金属材料加热至预设温度，通过熔滴驱动模块将第一金属材料按预先设定的驱动参数及波形进行喷射；

S3：通过TIG热源模块在第二金属材料表面形成局部浅层熔池，通过上位机控制三维平台运动模块带动第二金属材料移动，使得熔滴驱动模块喷射的第一金属材料位于局部浅层熔池内部；实现第一金属材料和第二金属材料的复合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明异种金属复合结构成形系统，通过熔炼模块实现第一金属材料的加热，通过TIG热源模块实现第二金属材料的加热，通过异种材料分别加热的方式，有效的解决异种金属间熔点等理化性能差异巨大的问题，在上位机的控制下，通过三维平台运动模块实现固定在其上方的第二金属材料以预设路径移动，与通过熔滴驱动模块喷射的第二金属材料结合，实现空间复杂曲面结构的复合成形。同时，TIG热源模块形成的熔池尺寸大，热效率高，交流脉冲电流的阴极破碎作用，可破除作为基板的第二金属材料及沉积层氧化膜，增强层间结合性能。相对于传统摩擦焊、爆炸焊等异种金属连接工艺可实现空间复杂曲面结构的复合成形，不存在异种金属间熔点等理化性能差异巨大的问题，无需特质粉末或丝材，成本低，相对于传统方式复合成形效率极大提高，且装置简单，可操作性强。

进一步的，熔滴驱动模块采用柱形压电促动器脉冲激振方式实现熔滴喷射，该方式具有高度的可控性，可实时变换驱动频率、驱动行程及驱动波形，实现熔滴可控，复合成形过程中沉积稳定性好。通过位移调节单元可实时调节激振杆底部距喷嘴上端距离，通过环壁水冷单元实现与压电促动器接触面积最大化，增加散热速率。

进一步的，激振杆材质为99％氧化铝陶瓷，密度小质量轻；导热系数低，可避免柱形压电促动器温升速率过高损坏；与锡铅合金不浸润，更加利于熔滴形成。

进一步的，熔炼模块采用喷头和坩埚分离式结构，方便后期清理，同时可通过更换不同喷孔直径喷头实现不同直径熔滴的喷射；通过温度传感器和温控仪实现坩埚温度的可控，保证第一金属材料的加热温度；设计隔热元件和密封元件，从而提升加热效率和安全性能。

进一步的，坩埚与喷头的材质均为石墨，喷头上喷孔的直径为0.3～0.6mm，石墨材质与锡铅合金不浸润，有利于实现熔滴喷射。

进一步的，采用TIG热源模块包括TIG电弧控制端、气源、TIG焊枪和氩气保护装置，TIG焊枪以预设角度倾斜固定在三维平台运动模块上方，TIG焊枪一端依次连接TIG电弧控制端和气源，气源和TIG电弧控制端之间的气体管道上依次设置电磁阀和压力控制传感器，TIG电弧控制端还与上位机连接，可实时控制调节电弧热输入。

进一步的，TIG热源模块与第二金属材料表面间的角度为30～60°，该倾斜角度下更加有利于保证电弧热源稳定性。TIG热源模块与熔炼模块的中心线之间水平距离为2mm，保证熔池位于熔滴正下方。熔炼模块与第二金属材料表面的距离为3～5cm，保证熔滴下落至熔池时瞬时速度处于合适区间内。三维平台运动模块通过固高控制卡连接上位机，实现成形路径自定义编程。

本发明异种金属复合结构成形方法，通过将异种金属材料分别加热的方式，解决异种金属间熔点等理化性能差异巨大的问题，通过将熔融的第一金属材料喷射在以预设路径移动的第二金属材料表面，且第二金属材料表面通过加热形成局部浅层熔池，进而实现异种金属的液相瞬态冶金结合，并能够随三维平台运动模块的运实现特定路径的复合成形，可实现空间复杂曲面结构的复合成形。相对于传统方式复合成形方式效率极大提高，方法简单，可操作性强。

附图说明

图1为本发明的异种金属复合结构成形系统结构示意图。

其中：1-光轴固定环；2-中空螺帽；3-阶梯轴连杆；4-支撑元件；5-环壁水冷单元；6-柱形压电促动器；7-柔性铰链；8-温度传感器；9-螺栓；10-压电控制器；11-TIG电弧控制端；12-压力控制传感器；13-电磁阀；14-气源；15-上位机；16-三维运动平台；17-TIG焊枪；18-45钢基板；19-激振杆；20-喷头；21-坩埚；22-加热元件；23-温控仪；24-环形承重圆盘；25-隔热元件；26-密封元件；27-工业水冷机；28-水阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明异种金属复合结构成形系统，包括熔滴驱动模块、熔炼模块、支撑元件4、TIG热源模块、上位机15和三维平台运动模块16；熔滴驱动模块和熔炼模块均通过支撑元件4支撑在三维平台运动模块16上方，熔滴驱动模块一端伸入支撑元件4内部并与熔炼模块连接，TIG热源模块以预设角度固定在三维平台运动模块16上方，熔滴驱动模块、熔炼模块和三维平台运动模块16均与上位机15连接；上位机15用于控制熔炼模块以预设温度熔炼第一金属材料，控制熔滴驱动模块以预设驱动参数及波形喷射熔炼的第一金属材料，控制三维平台运动模块16带动表面设置的第二金属材料以预设路径移动。

熔滴驱动模块包括位移调节单元、柱形压电促动器6、环壁水冷单元5、压电控制器10、激振杆19，所述激振杆包括双头螺纹细杆和底盘两部分；熔炼模块包括坩埚21、喷头20、加热元件22及温度监测及控制单元，所述坩埚21包括环形埚盖和埚体两部分，所述温度监测及控制单元包括温度传感器8和温控仪23；三维平台运动模块16设置于喷头20的正下方，上位机15与三维运动平台16之间通过固高控制卡相连接。

熔滴驱动模块包括位移调节单元、柱形压电促动器6、压电控制器10、激振杆19、环壁水冷单元5和水冷机27；激振杆19包括双头螺纹细杆和底盘；位移调节单元与支撑元件4连接，柱形压电促动器6位于支撑元件4内部，柱形压电促动器6一端连接位移调节单元，另一端通过柔性铰链7连接双头螺纹细杆一端，双头螺纹细杆另一端通过底盘连接熔炼模块；位移调节单元用于实时调节激振杆底部距喷嘴上端距离补充作用；压电控制器10与柱形压电促动器6连接，用于实时控制熔滴驱动频率、驱动行程及驱动波形；环壁水冷单元5设置在柱形压电促动器6外围，并与水冷机27通过管路连接，管路上设置水阀28，水冷机27还与上位机15连接。位移调节单元包括自上而下依次设置且依次连接的光轴固定环1、中空螺帽2、阶梯轴连杆3和千分尺；中空螺帽2与支撑元件4连接，阶梯轴连杆3远离中空螺帽2的一端与柱形压电促动器6连接，千分尺与阶梯轴连杆3连接，也可以直接在阶梯轴连杆3上设计刻度值，用于确定位移调节单元的调节量。阶梯轴连杆3通过外螺纹与柱形压电促动器6连接，优选的，激振杆19材质为99％氧化铝陶瓷。

熔炼模块包括温度传感器8、喷头20、坩埚21、加热元件22、温控仪23和环形承重圆盘24；坩埚21一端通过环形承重圆盘24连接支撑元件4，另一端连接喷头20，喷头20与熔滴驱动模块连接且位于三维平台运动模块16上方，环形承重圆盘24与支撑元件4之间依次设置隔热元件25和密封元件26，环形承重圆盘24、隔热元件25、密封元件26和支撑元件4通过螺栓9锁紧固定，加热元件22设置于坩埚21外围，温度传感器8位于坩埚21内部，温控仪23一端与温度传感器8和加热元件22均连接，另一端连接上位机15。在优选的实施例中，坩埚21与喷头20螺纹连接，加热元件22可以设置为电阻式加热器、电磁感应加热器或微波加热器，所述坩埚21与喷头20的材质均为石墨，喷头20上喷孔的直径为0.3～0.6mm，但不以此为限。熔炼模块与熔滴驱动模块由上至下依次通过支撑元件4、长螺栓9和环形承重圆盘24连接及锁紧固定。

TIG热源模块包括TIG电弧控制端11、气源14、TIG焊枪17和氩气保护装置；TIG焊枪17以预设角度倾斜固定在三维平台运动模块16上方，TIG焊枪17一端依次连接TIG电弧控制端11和气源14，气源14和TIG电弧控制端11之间的气体管道上依次设置电磁阀13和压力控制传感器12，TIG电弧控制端11还与上位机15连接。所述TIG焊枪17以一定角度倾斜固定于三维平台运动模块上方，一般角度为30～60°；所述氩气保护装置由气源14依次通过电磁阀13、压力控制传感器12、TIG焊机入气口、TIG焊机出气口连接至TIG焊枪17的钨极端。TIG热源模块与熔炼模块的中心线之间水平距离为2mm，熔炼模块与第二金属材料表面的距离为3～5cm。

本发明还公开了，异种金属复合结构成形方法，本实施例中的异种金属为45钢和锡铅合金，包括以下步骤：

步骤1：根据成形需求，锡铅合金的材料属性，确定需要加热熔化金属的质量，对原材料表面进行去氧化皮、干燥及喷砂处理；

步骤2：将步骤1处理后的材料放入熔炼模块的坩埚21中，盖上坩埚盖，下方将喷头20连接至坩埚21上；

步骤3：将装入材料的的熔炼模块通过支撑元件4、长螺栓9和环形承重圆盘24与熔滴驱动模块连接，通过拧紧螺栓将坩埚21紧固至上方；

步骤4：将45钢基板18固定至三维平台运动模块16上预设位置，调整并固定TIG焊枪17于45钢基板18上方合适位置，将焊机地线与45号钢基板18相连接；

步骤5：开启水冷机27，启动加热元件22并设定加热温度以使坩埚21内固态金属即锡铅合金变为液态，按需求设定三维平台运动模块16的移动速度及运动路径，按需求设定柱形压电促动器6驱动频率、驱动行程及驱动波形，调节氩气保护装置的出气量；

步骤6：当金属熔炼模块加热温度达到设定值时，通过压电控制器10启动熔滴驱动装置，控制柱形压电促动器6的脉冲激振形成尺寸可控锡铅合金熔滴；首先按预先设定压电驱动参数及波形进行熔滴试喷射，并通过所述位移调节单元实时调整激振杆19与喷头20内部上端面间距离，以此调整熔滴喷射至稳定状态；

步骤7：启动TIG焊枪17，在45钢基板18表面形成局部浅层熔池，实时控制熔滴驱动装置和三维平台运动模块16，产生的锡铅合金熔滴与下方45钢基板18浅层熔池实现液相瞬态冶金结合，并随三维平台运动模块16的运动实现特定路径的复合成形。

本发明异种金属复合结构成形系统，相对于传统摩擦焊、爆炸焊等异种金属连接工艺可实现空间复杂曲面结构的复合成形；异种材料分别加热，可解决异种金属间熔点等理化性能差异巨大的问题；无需特质粉末或丝材，成本低；相对于传统方式复合成形效率极大提高；装置简单，可操作性强。熔滴驱动模块采用柱形压电促动器6脉冲激振方式实现熔滴喷射，该方式具有高度的可控性，可实时变换驱动频率、驱动行程及驱动波形，实现熔滴可控，复合成形过程中沉积稳定性好。熔炼模块采取坩埚21与喷头20分离式结构，方便后期清理；可通过更换不同喷孔直径喷头20实现不同直径熔滴的喷射；45钢基板18熔池热源采用TIG焊枪17，熔池尺寸大，热效率高；交流脉冲电流的阴极破碎作用，可破除45钢基板18及沉积层氧化膜，增强层间结合性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种异种金属复合结构成形系统，其特征在于，包括熔滴驱动模块、熔炼模块、支撑元件（4）、TIG热源模块、上位机（15）和三维平台运动模块（16）；

熔滴驱动模块和熔炼模块均通过支撑元件（4）支撑在三维平台运动模块（16）上方，熔滴驱动模块一端伸入支撑元件（4）内部并与熔炼模块连接，TIG热源模块以预设角度固定在三维平台运动模块（16）上方，熔滴驱动模块、熔炼模块和三维平台运动模块（16）均与上位机（15）连接；

上位机（15）用于控制熔炼模块以预设温度熔炼第一金属材料，控制熔滴驱动模块以预设驱动参数及波形喷射熔炼的第一金属材料，控制三维平台运动模块（16）带动表面设置的第二金属材料以预设路径移动；

所述熔滴驱动模块包括柱形压电促动器（6）、压电控制器（10）、激振杆（19）、环壁水冷单元（5）、水冷机（27）和位移调节单元；激振杆（19）包括双头螺纹细杆和底盘；

位移调节单元与支撑元件（4）连接，柱形压电促动器（6）位于支撑元件（4）内部，柱形压电促动器（6）一端连接位移调节单元，另一端通过柔性铰链（7）连接双头螺纹细杆一端，双头螺纹细杆另一端通过底盘连接熔炼模块；位移调节单元用于调节双头螺纹细杆与熔炼模块之间的距离；压电控制器（10）与柱形压电促动器（6）连接，用于控制柱形压电促动器（6）的驱动频率、驱动行程及驱动波形；

环壁水冷单元（5）设置在柱形压电促动器（6）外围，并与水冷机（27）通过管路连接，管路上设置水阀（28），水冷机（27）还与上位机（15）连接；

所述TIG热源模块包括TIG电弧控制端（11）、气源（14）、TIG焊枪（17）和氩气保护装置；

TIG焊枪（17）以预设角度倾斜固定在三维平台运动模块（16）上方，TIG焊枪（17）一端依次连接TIG电弧控制端（11）和气源（14），气源（14）和TIG电弧控制端（11）之间的气体管道上依次设置电磁阀（13）和压力控制传感器（12），TIG电弧控制端（11）还与上位机（15）连接；

所述熔炼模块包括温度传感器（8）、喷头（20）、坩埚（21）、加热元件（22）、温控仪（23）和环形承重圆盘（24）；

坩埚（21）一端通过环形承重圆盘（24）连接支撑元件（4），另一端连接喷头（20），喷头（20）与熔滴驱动模块连接且位于三维平台运动模块（16）上方，环形承重圆盘（24）与支撑元件（4）之间依次设置隔热元件（25）和密封元件（26），环形承重圆盘（24）、隔热元件（25）、密封元件（26）和支撑元件（4）通过螺栓（9）锁紧固定，加热元件（22）设置于坩埚（21）外围，温度传感器（8）位于坩埚（21）内部，温控仪（23）一端与温度传感器（8）和加热元件（22）均连接，另一端连接上位机（15）；

所述TIG热源模块的TIG焊枪（17）与第二金属材料表面间的角度为30~60°，TIG热源模块与熔炼模块的中心线之间水平距离为2mm，熔炼模块与第二金属材料表面的距离为3~5cm，所述三维平台运动模块（16）通过固高控制卡连接上位机（15）。

2.根据权利要求1所述的异种金属复合结构成形系统，其特征在于，所述位移调节单元包括自上而下依次连接的光轴固定环（1）、中空螺帽（2）和阶梯轴连杆（3）；

中空螺帽（2）与支撑元件（4）连接，阶梯轴连杆（3）远离中空螺帽（2）的一端与柱形压电促动器（6）连接。

3.根据权利要求1所述的异种金属复合结构成形系统，其特征在于，所述激振杆（19）材质为99%氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求1所述的异种金属复合结构成形系统，其特征在于，所述加热元件（22）为电阻式加热器、电磁感应加热器或微波加热器，所述坩埚（21）与喷头（20）的材质均为石墨，喷头（20）上喷孔的直径为0.3~0.6mm。

5.根据权利要求1所述的异种金属复合结构成形系统，其特征在于，所述坩埚（21）与喷头（20）螺纹连接。

6.一种基于权利要求1~5任意一项所述异种金属复合结构成形系统的异种金属复合结构成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将预处理后的第一金属材料加入熔炼模块，将第二金属材料固定至三维运动平台上预设位置；第一金属材料和第二金属材料为异种金属；

S2：通过上位机（15）控制熔炼模块将第一金属材料加热至预设温度，通过熔滴驱动模块将第一金属材料按预先设定的驱动参数及波形进行喷射；

S3：通过TIG热源模块在第二金属材料表面形成局部浅层熔池，通过上位机（15）控制三维平台运动模块（16）带动第二金属材料移动，使得熔滴驱动模块喷射的第一金属材料位于局部浅层熔池内部；实现第一金属材料和第二金属材料的复合。

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