CN111250701A - 一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置及方法。装置包括计算机、一号控制器、超声系统、二号控制器、激光系统、三号控制器和加工成形部，加工成形部包括加工底座控制器、加工平台控制器和加工平台，加工底座控制器和加工平台控制器均与加工平台控制相连，计算机与一、二、三号控制和加工平台控制器控制相连，一号控制器与超声系统控制相连，二号控制器与激光系统控制相连，三号控制器与加工底座控制器控制相连。本发明在激光选区熔化制造过程中，对熔池施行与激光熔化过程同步的非接触式超声振动，通过超声振动来破碎熔池中的晶粒，进而抑制晶粒的生长实现晶粒的细化；降低材料内部和表面的残余应力，提高材料的力学性能。

Description

一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置及方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置及方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术是3D打印技术中的一种，该技术是根据待加工物体的三维模型，通过一系列成型设备通过材料累加的方式来制成所需的物体。激光选区熔化成形技术应用于材料加工时容易产生球化和翘曲的缺陷，需要后续处理才能得到力学性能良好的产品。例如，专利CN106735208B公开了一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，该发明中采用的是激光选区熔化成形技术和激光熔覆技术有效结合起来的成形方法。应用该方法加工所需物件时，在被加工物件内部会产生残余应力，因此后续还需要一系列的热处理工艺来提高所加工物件的使用性能。
发明内容
基于上述背景，本发明的目的是提供一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置；本发明的另一目的是提供一种超声振动辅助激光选区熔化成形方法。
本发明采用以下的技术方案：
一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，包括计算机、一号控制器、超声系统、二号控制器、激光系统、三号控制器和加工成形部，所述加工成形部包括加工底座控制器、加工平台控制器和加工平台，加工底座控制器和加工平台控制器均与加工平台控制相连，所述计算机与一号控制器、二号控制器、三号控制和加工平台控制器控制相连，所述一号控制器与超声系统控制相连，二号控制器与激光系统控制相连，三号控制器与加工底座控制器控制相连。
进一步地，还包括零件成形室，所述加工平台设置于零件成形室内。
进一步地，还包括与零件成形室相通的保护气储存器，所述一号控制器与保护气储存器控制相连。
上述技术方案中，保护气储存器通过一号控制器控制保护气体进入零件成形室，同时，一号控制器控制超声系统的运行。
进一步地，所述超声系统包括超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆，超声波发生器与超声波换能器相连，超声波换能器与超声波变幅杆相连。
进一步地，所述激光系统包括激光发射器和与激光发射器相连的激光振镜。
进一步地，还包括检测探头，所述检测探头设置于零件成形室内，检测探头与计算机相连。
进一步地，还包括初始位置调节立柱和加工轨迹调节立柱，所述加工平台控制器通过初始位置调节立柱与加工平台控制相连，所述加工底座控制器通过加工轨迹调节立柱与加工平台控制相连。
一种超声振动辅助激光选区熔化成形方法，包括以下步骤：
(1)开启计算机，将所需加工零件的三维图通过计算机由三号控制器导入到加工底座控制器中，生成加工轨迹；
(2)通过加工平台控制器调节加工平台的初始位置；
(3)通过调节一号控制器和二号控制器，使激光系统和超声系统满足零件加工要求；通过一号控制器控制保护气体进入且充满零件成形室；
(4)通过检测探头实时检测加工零件的加工情况并反馈至计算机，计算机与一号控制器和二号控制器控制相连，加工底座控制器控制加工平台按照所生成的加工轨迹移动，完成超声振动辅助激光选区熔化成形。
进一步地，成形过程中，所述激光系统和超声系统为同步运行。
上述技术方案中，通过调节一号控制器和二号控制器，使激光系统和超声系统满足零件加工的要求，并且应该保证二者同步工作，保证零件在激光熔化成形过程中能够及时细化晶粒，消除零件内部的缺陷，保证被加工零件的力学性能，保护气体进入并且充满零件成形室。
本发明具有的有益效果是：
在激光选区熔化制造过程中，对熔池施行与激光熔化过程同步的非接触式超声振动，通过超声振动来破碎熔池中的晶粒，进而抑制晶粒的生长实现晶粒的细化；
通过超声振动辅助，可以有效利用先前激光熔化成形部分的残余热量，能够保证表面的材料处于软化的状态，超声振动可以使得加工后的材料的表面得到强化，能够降低材料内部和表面的残余应力，提高材料的力学性能；
基于超声波对于熔体的空化作用，在将激光选区熔化成形方法应用于零件的制造过程中，能够有效减少甚至避免零件内部的微小气泡，细化被加工零件内部晶粒尺寸；超声波能够有效释放零件内部的残余应力，有效避免了零件内部应力的积累，避免零件在加工完成后由于内部残余应力过大而产生的裂纹和翘曲等缺陷，加工完成后的零件不需要后续的热处理步骤即可满足实际使用的要求，简化了零件的加工步骤，提高了生产率。
附图说明
图1为超声振动辅助激光选区熔化成形装置的结构示意图；
其中，1-计算机，2-一号控制器，3-保护气储存器，4-超声波发生器，5-超声波换能器，6-超声波变幅杆，7-二号控制器，8-激光发射器，9-激光振镜，10-激光，11-零件成形室，12-加工平台，13-加工平台控制器，14-加工轨迹调节立柱，15-加工底座控制器，16-检测探头，17-三号控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
参阅图1，一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，包括计算机、一号控制器、超声系统、二号控制器、激光系统、三号控制器和加工成形部，所述加工成形部包括加工底座控制器、加工平台控制器和加工平台，加工底座控制器和加工平台控制器均与加工平台控制相连，所述计算机与一号控制器、二号控制器、三号控制和加工平台控制器控制相连，所述一号控制器与超声系统控制相连，二号控制器与激光系统控制相连，三号控制器与加工底座控制器控制相连。
作为其中的一个实施例，还包括零件成形室，所述加工平台设置于零件成形室内。
作为其中的一个实施例，还包括与零件成形室相通的保护气储存器，所述一号控制器与保护气储存器控制相连。
保护气储存器通过一号控制器控制保护气体进入零件成形室，同时，一号控制器控制超声系统的运行。
作为其中的一个实施例，所述超声系统包括超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆，超声波发生器与超声波换能器相连，超声波换能器与超声波变幅杆相连。
作为其中的一个实施例，所述激光系统包括激光发射器和与激光发射器相连的激光振镜。
作为其中的一个实施例，还包括检测探头，所述检测探头设置于零件成形室内，检测探头与计算机相连。
作为其中的一个实施例，还包括初始位置调节立柱和加工轨迹调节立柱，所述加工平台控制器通过初始位置调节立柱与加工平台控制相连，所述加工底座控制器通过加工轨迹调节立柱与加工平台控制相连。
一种超声振动辅助激光选区熔化成形方法，包括以下步骤：
(1)开启计算机，将所需加工零件的三维图通过计算机由三号控制器导入到加工底座控制器中，生成加工轨迹；
(2)通过加工平台控制器调节加工平台的初始位置；
(3)通过调节一号控制器和二号控制器，使激光系统和超声系统满足零件加工要求；通过一号控制器控制保护气体进入且充满零件成形室；
(4)通过检测探头实时检测加工零件的加工情况并反馈至计算机，计算机与一号控制器和二号控制器控制相连，加工底座控制器控制加工平台按照所生成的加工轨迹移动，完成超声振动辅助激光选区熔化成形。
作为其中的一个实施例，成形过程中，所述激光系统和超声系统为同步运行。
本实施例中，通过调节一号控制器和二号控制器，使激光系统和超声系统满足零件加工的要求，并且应该保证二者同步工作，保证零件在激光熔化成形过程中能够及时细化晶粒，消除零件内部的缺陷，保证被加工零件的力学性能，保护气体进入并且充满零件成形室。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，包括计算机、一号控制器、超声系统、二号控制器、激光系统、三号控制器和加工成形部，所述加工成形部包括加工底座控制器、加工平台控制器和加工平台，加工底座控制器和加工平台控制器均与加工平台控制相连，所述计算机与一号控制器、二号控制器、三号控制和加工平台控制器控制相连，所述一号控制器与超声系统控制相连，二号控制器与激光系统控制相连，三号控制器与加工底座控制器控制相连。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，还包括零件成形室，所述加工平台设置于零件成形室内。
3.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，还包括与零件成形室相通的保护气储存器，所述一号控制器与保护气储存器控制相连。
4.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，所述超声系统包括超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆，超声波发生器与超声波换能器相连，超声波换能器与超声波变幅杆相连。
5.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，所述激光系统包括激光发射器和与激光发射器相连的激光振镜。
6.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，还包括检测探头，所述检测探头设置于零件成形室内，检测探头与计算机相连。
7.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形装置，其特征在于，还包括初始位置调节立柱和加工轨迹调节立柱，所述加工平台控制器通过初始位置调节立柱与加工平台控制相连，所述加工底座控制器通过加工轨迹调节立柱与加工平台控制相连。
8.一种超声振动辅助激光选区熔化成形方法，基于权利要求6所述的超声振动辅助激光选区熔化成形装置实施，其特征在于，包括以下步骤：
(1)开启计算机，将所需加工零件的三维图通过计算机由三号控制器导入到加工底座控制器中，生成加工轨迹；
(2)通过加工平台控制器调节加工平台的初始位置；
(3)通过调节一号控制器和二号控制器，使激光系统和超声系统满足零件加工要求；通过一号控制器控制保护气体进入且充满零件成形室；
(4)通过检测探头实时检测加工零件的加工情况并反馈至计算机，计算机与一号控制器和二号控制器控制相连，加工底座控制器控制加工平台按照所生成的加工轨迹移动，完成超声振动辅助激光选区熔化成形。
9.根据权利要求8所述的一种超声振动辅助激光选区熔化成形方法，其特征在于，成形过程中，所述激光系统和超声系统为同步运行。
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