CN115922127A - 超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声冲击‑超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法，装置包括等离子弧增材制造装置、超声辅助装置、第一机械臂、超声冲击装置、定位夹具和第二机械臂；所述等离子弧增材制造装置与超声辅助装置固定，通过等离子弧增材制造装置安装于第一机械臂，第二机械臂通过定位夹具连接超声冲击装置；装置的加工方法为：1)前期安装；2)调试：3)同轴超声辅助增材；4)超声冲击；5)后续处理。本发明通过同轴超声辅助焊枪和超声冲击头同步运动，实现中间超声辅助增材，两边对刚成形、处于软化状态的熔覆层进行反复高频冲击，提高增材效率，并且提高成形件尺寸精度，降低其残余应力，细化晶粒，从而实现等离子弧增材制造控形控性的目的。

Description

超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法

技术领域

本发明涉及增材制造装置和方法，具体涉及超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法。

背景技术

等离子弧增材制造以联合型或转移型等离子弧为热源，采用合金粉末或丝材为填充金属，有效地将堆焊金属和基体金属熔化结合，形成高密度、高结合度、低稀释率的堆焊组织结构，从而实现增材制造。具有熔覆效率高、成形件冶金结合性好、设备运行成本低、在制造中大型复杂构件方面潜力大的特点。

目前，等离子弧增材制造技术在金属成形的控形及控性方面仍存在着较大的不足。等离子弧增材制造是一种逐层堆叠的加工模式，由于加工过程的热积累作用，使得先成形部分产生一定的温度梯度，令其内部产生残余应力，导致成形件产生翘曲变形现象；而且先成形部分的热积累量不断变化，熔池的凝固时间增加，流动性增强，极易在焊缝边缘处产生“塌陷”现象；容易导致成形件晶粒粗化，组织往往出现不均匀的现象，而且在熔合线附近的凝固组织容易长成粗大柱状晶；此外，等离子弧增材制造过程中，熔池凝固速度快，使得气体不能及时溢出，导致气孔增多而降低整体成形件的力学性能。为此，若能在成形过程中及时地对其进行加工处理，可以大幅度改善产品的力学性能，提升制造精度。

针对上述问题，专利CN106735967A公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，该方案对熔池同步施加非接触式超声振动以实现晶粒细化，同时使刀头以高频冲击熔覆层表面以提高熔覆层尺寸精度，降低残余应力，细化表面晶粒。该专利仍存在以下问题：1)该方案的超声振动辅助电弧增材制造设备结构复杂，操作步骤繁琐，学习成本高；2)刀头对熔覆层表面的强化及光整加工处理与电弧增材制造工艺是交替进行的，工序复杂，影响生产效率。

专利CN111590189A公开了一种焊接增材随超声冲击装置及操作方法，该方法将随焊冲击应用到增材分层制造，进行应力释放，并细化晶粒，而且减小了超声振子随焊移动摩擦和偏摆，可以稳定超声处理过程。该专利的不足在于采用单向式堆积方式，由于熄弧端相对于中间稳定段略低，且随着堆积层数增加累积，差异逐渐放大，会影响增材过程的稳定性，甚至导致息弧处的塌陷。

发明内容

发明目的：针对现有电弧增材制造中存在着残余应力积累导致成形件翘曲变形，性能降低，以及热积累量变化导致焊缝边缘“塌陷”，使得增材成形件的层数与高度受限的技术问题，本发明提供了一种超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置，将超声振动由钨极直接作用到等离子弧与熔池，促进熔池金属的流动性，破碎晶粒使其细化，同时使用超声冲击装置对刚成形、处于软化状态的部分进行表面处理，使其塑性变形，提高熔覆层尺寸精度，此外还可以降低其残余应力，细化晶粒；此外，本发明还提供了该装置的加工方法。

技术方案：本发明所述的超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置，包括等离子弧增材制造装置、超声辅助装置、第一机械臂、超声冲击装置、定位夹具和第二机械臂；所述等离子弧增材制造装置与超声辅助装置固定连接，等离子弧增材制造装置安装于第一机械臂，第二机械臂通过定位夹具连接超声冲击装置。

进一步地，所述等离子弧增材制造装置包括等离子焊机、焊枪、送丝机、气罐和工作台，气罐、等离子焊机、焊枪和送丝机依次相连，工作台设于焊枪的正下方；焊枪包括枪体外壳、离子气送气管、保护气送气管、进水管、出水管、钨极和喷嘴。

进一步地，所述超声辅助装置包括依次相连的超声波发生器、换能器、变幅杆、耦合接头和固定装置，超声辅助装置通过固定装置连接焊枪，变幅杆通过耦合接头连接钨极，可以保证焊枪的装配精度和钨极的对中性，提高同轴超声辅助等离子增材制造过程的稳定性。所述换能器与变幅杆连接后的整体叫做超声振子，再利用耦合接头将变幅杆与钨极牢固连接为一个整体，组成超声振动系统。

超声辅助装置的工作原理为：将电能通过换能器转换成超声振动形式机械能，再利用变幅杆放大超声振动，通过耦合接头传递到等离子焊枪的钨极，并通过钨极末端的等离子弧将超声振动引入熔池，在超声能场的作用下，熔池金属的组织成分以及流动性均发生变化。

进一步地，所述超声冲击装置包括依次连接的超声波发生器、冲击头和压力调节仓体，压力调节仓体的内部设置有恒力装置、滑台和滑轨，恒力装置包括支座、芯轴、恒力弹簧以及滚珠轴承，恒力装置及冲击头分别与滑台两面固定，恒力弹簧为阿基米德螺线型，其预力行程短，伸长超过预力行程后，所有行程中均保持恒定的弹力，用于为超声冲击装置提供恒定的预设压力，也可以使冲击头复位；恒力装置可以通过更换恒力弹簧为超声冲击装置提供不同的预设压力；压力调节仓体夹持于定位夹具内，通过第二机械臂带动冲击头移动，第二机械臂可控制冲击头的移动轨迹；通过上下位移控制压力调节仓体与冲击头的相对位置，进而控制恒力弹簧伸长超过预力行程，为超声冲击装置提供稳定的预设压力。

进一步地，所述定位夹具包括固定装置、底座、移动夹具、导向轴、定位弹簧和定位螺栓，定位夹具通过定位螺栓和定位弹簧调节并固定两个移动夹具的相对位置，并有刻度尺保证调节精度，可保证定位夹具的平衡和稳定性，提高超声冲击过程的稳定性，并且，定位夹具可以精确调节并固定超声冲击装置的相对位置，可以实现随焊冲击，并且对每一层刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，不仅提高了工作效率，还可以提高增材成形件尺寸精度，降低残余应力，改善力学性能。

本发明所述的超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的加工方法包括以下步骤：

1)前期安装：先进行等离子弧增材制造装置与超声辅助装置的搭建的搭建，再进行焊枪与第一机械臂的安装，最后进行超声冲击装置、定位夹具和第二机械臂的安装，即完成超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的安装；

2)调试：调节冲击头与焊枪的相对位置和角度，保持在同一条直线上，开启装置，将轨迹程序输入到控制第一机械臂和第二机械臂的控制器中，完成调试；

3)同轴超声辅助增材：设置工艺参数，超声辅助装置与等离子弧增材制造装置同时进行工作，通过超声振子将超声振动引入等离子弧与熔池中，通过第一机械臂控制焊枪按照预设的增材轨迹进行增材制造；

4)超声冲击：设置超声参数，超声冲击装置同时与等离子弧增材制造装置开启，通过第二机械臂使得超声冲击装置分别在焊枪前进方向的前后两侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，对刚成形、处于软化状态的熔覆层进行反复高频冲击；

5)后续处理：关闭装置，等待增材成形件冷却，增材制造过程结束。

进一步地，步骤3)中，优化焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、离子气流量)与超声参数(频率、振幅、功率)，达到耦合匹配，以确保焊接过程稳定高效，有助于获得高质量成形件。

进一步地，步骤3)中，所述同轴超声辅助增材可采用交错式堆积方式，即首尾相接来回焊的焊接方式，可以显著减小熔覆层的厚度差异，提升成形件尺寸精度。

进一步地，步骤4)中，优化超声冲击装置的超声参数，通过计算将超声冲击装置的冲击频率设置为能够与金属材料共振的频率，通过高频冲击，使熔覆层发生塑性变形，可以提升成形件尺寸精度，释放残余应力，细化晶粒。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明超声辅助装置将超声振动由钨极直接引入到等离子弧和熔池，在超声能场的作用下，熔池金属的流动性增加，气体析出彻底，合金元素分布更均匀，并且可以破碎粗大柱状晶，细化晶粒；

(2)本发明超声冲击装置对刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行高频冲击，使得每一层的熔覆层表面发生塑性变形，提高增材成形件尺寸精度，此外超声冲击可以降低熔覆层残余应力，细化近表面晶粒，改善增材成形件的力学性能；

(3)本发明定位夹具可以精确调节并固定超声冲击装置的相对位置，可以实现随焊冲击，并且对每一层刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，不仅提高了工作效率，还可以提高增材成形件尺寸精度，降低残余应力，改善力学性能；

(4)本发明恒力装置利用恒力弹簧预力行程短，所有行程中均保持恒定的弹力的特点，为超声冲击装置提供恒定的预设压力，并且可以通过更换恒力弹簧提供不同的预设压力，该装置可以提高了超声冲击过程的稳定性，而且节能环保。

附图说明

图1为本发明超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的示意图；

图2为本发明焊枪的结构示意图；

图3为本发明超声冲击装置的结构示意图；

图4为本发明恒力装置的结构示意图；

图5为本发明定位夹具的结构示意图；

图中，1、等离子弧增材制造装置，11、等离子焊机，12、焊枪，121、枪体外壳，122、离子气送气管，123、保护气送气管，124、进水管，125、出水管，126、钨极，127、喷嘴，13、送丝机，14、气罐，15，工作台；2、超声辅助装置，21、超声波发生器，22、换能器，23、变幅杆，24、耦合接头，25、固定装置；3、第一机械臂；4、超声冲击装置，41、超声波发生器，42、压力调节仓体，43、恒力装置，431、恒力弹簧支座，432、恒力弹簧芯轴，433、恒力弹簧，434、滚珠轴承，44、滑台，45、滑轨，46、冲击头；5、定位夹具，51、固定装置，52、底座，53、移动夹具，54、导向轴，55、定位弹簧，56、定位螺栓；6、第二机械臂。

具体实施方式

下面，结合具体实施例和附图进一步对本发明进行说明。

如图1、图2所示，本发明所述的超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置由等离子弧增材制造装置1、超声辅助装置2、第一机械臂3、超声冲击装置4、定位夹具5和第二机械臂6组成，等离子弧增材制造装置1与超声辅助装置2固定连接，超声辅助装置2安装于第一机械臂3上，第一机械臂3与第二机械臂6相连接，第二机械臂6通过定位夹具5连接超声冲击装置4。

其中，等离子弧增材制造装置1包括等离子焊机11、焊枪12、送丝机13、气罐14、以及工作台15，焊枪12包括枪体外壳121、离子气送气管122、保护气送气管123、进水管124、出水管125、钨极126和喷嘴127。

超声辅助装置2包括超声波发生器21、换能器22、变幅杆23、耦合接头24和固定装置25，超声波换能器22与变幅杆23连接后的整体叫做超声振子，再利用耦合接头24将变幅杆23与钨极126牢固连接为一个整体，组成超声振动系统。超声振动系统是实现同轴超声能场辅助等离子增材制造过程的关键组成部分，其工作原理为将电能通过换能器22转换成超声振动形式机械能，再利用变幅杆23的放大超声振动，通过耦合接头24传递到等离子焊枪12的钨极126中，并通过钨极126末端的等离子弧将超声能场引入熔池，对熔池金属的组织成分以及流动性造成影响。

进一步地，通过计算找出超声振子振幅为零的节点位置，该位置设置为固定装置25，通过该节点位置的固定装置25将超声振动系统固定在焊枪12上，保证焊枪12的装配精度和钨极126的对中性，可以提高同轴超声辅助等离子增材制造过程的稳定性。

如图3至图5，超声冲击装置4包括从上倒下依次连接的压力调节仓体42和冲击头46，压力调节仓体内部设置有恒力装置43、滑台44、滑轨45，恒力装置43包括支座431、芯轴432、恒力弹簧433以及滚珠轴承434，超声波发生器41与冲击头46相连，压力调节仓体42内有与滑台44相互配合的滑轨45，恒力装置43及冲击头46分别与滑台44两面固定。

定位夹具5包括固定装置51、底座52、移动夹具53、导向轴54、定位弹簧55和定位螺栓56，并有刻度尺保证调节精度。定位夹具5中间预留焊枪进行增材制造的空间，可以精确调节并固定冲击头46与焊枪12的相对位置，使冲击头46与焊枪12的底部端部位于同一条水平线上，实现随焊冲击，并且对每一层刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，可以提高工作效率。

定位夹具5夹持压力调节仓体42，通过第二机械臂6上下移动，以调整超声冲击头46与熔覆层表面的距离，进而调整冲击头46与熔覆层接触的压力。当冲击头46底部与熔覆层恰好接触时，两者压力为零，此时继续向下移动压力调节仓体42，恒力弹簧431拉伸长度超过预力行程后，冲击头46与熔覆层的接触压力恒定。如果需要改变超声冲击装置4对熔覆层表面的预设压力，可以更换不同弹力的恒力弹簧431。

所诉的超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的加工方法，其以等离子弧为热源，采用同步送丝的方式将填充金属熔敷在基材表面，通过超声辅助装置2的变幅杆23与钨极126的耦合结合将超声能场引入熔池，与此同时，有效利用增材过程中先成形部分的余热，通过超声冲击装置4对刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，能够提高增材制造效率，有效提升成形件尺寸精度，降低残余应力，细化晶粒，从而实现等离子弧增材制造控形控性的目的，具体步骤如下：

1)前期安装：先进行等离子弧增材制造装置1与超声辅助装置2的搭建的搭建，再进行焊枪12与第一机械臂3的安装，最后进行超声冲击装置4、定位夹具5和第二机械臂6的安装，即完成超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的安装；

2)调试：调节冲击头46与焊枪12的相对位置和角度，保持在同一条直线上，开启装置，将轨迹程序输入到控制第一机械臂3和第二机械臂6的控制器中，完成调试；

3)同轴超声辅助增材：设置工艺参数，超声辅助装置2与等离子弧增材制造装置1同时进行工作，通过超声振子将超声振动引入等离子弧与熔池中，通过第一机械臂3控制焊枪12按照预设的增材轨迹进行增材制造；

4)超声冲击：设置超声参数，超声冲击装置4同时与等离子弧增材制造装置1开启，通过第二机械臂6控制超声冲击装置4焊枪前进方向的前后两侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，对刚成形、处于软化状态的熔覆层进行反复高频冲击；

5)后续处理：关闭装置，等待增材成形件冷却，增材制造过程结束。

本实施例在能够保证焊枪12正常工作的基础上，对其进行设计和改造，使超声振子与钨极126耦合，通过钨极126将超声振动传导到等离子弧上，可以使等离子弧进一步压缩，挺度也会提高，增材过程更加稳定。同时将超声振动引入熔池，在超声能场的作用下，熔池金属的流动性增加，气体析出彻底，合金元素分布更均匀，并且可以破碎粗大柱状晶，细化晶粒。其中，等离子弧增材制造装置1的电路与超声辅助装置2的电路互相分离，可以分别进行参数调节，拓宽了获取优质成形件的工艺参数范围。通过优化焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、离子气流量)与超声参数(频率、振幅、功率)，达到耦合匹配，以确保焊接过程稳定高效，有助于获得高质量成形件。

本实施例在等离子弧增材制造过程中，对熔池施加了与钨极同轴的非接触式超声振动，促使气体析出，破碎晶粒；同时，有效利用增材过程中先成形部分的余热，通过超声冲击装置4对刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，使其塑性变形，从而实现对每一层熔覆层的强化，提升了成形件的尺寸精度及力学性能。其中，优化超声冲击装置的超声参数，通过计算将超声冲击装置的冲击频率设置为能够与填充金属材料共振的频率，可以有效提升超声冲击对熔覆层的强化处理效果。

Claims (10)

1.一种超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧增材制造装置(1)、超声辅助装置(2)、第一机械臂(3)、超声冲击装置(4)、定位夹具(5)和第二机械臂(6)；所述等离子弧增材制造装置(1)与超声辅助装置(2)固定连接，等离子弧增材制造装置(1)安装于第一机械臂(3)，第二机械臂(6)通过定位夹具(5)连接超声冲击装置(4)。

2.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述等离子弧增材制造装置(1)包括等离子焊机(11)、焊枪(12)、送丝机(13)、气罐(14)和工作台(15)，气罐(14)、等离子焊机(11)、焊枪(12)和送丝机(13)依次相连，工作台(15)上方分别设置有第一机械臂(3)以及第二机械臂(6)。

3.根据权利要求2所述的制造装置，其特征在于，所述焊枪(12)包括枪体外壳(121)、离子气送气管(122)、保护气送气管(123)、进水管(124)、出水管(125)、钨极(126)和喷嘴(127)。

4.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述超声辅助装置(2)包括依次相连的超声波发生器(21)、换能器(22)、变幅杆(23)、耦合接头(24)和固定装置(25)。

5.根据权利要求4所述的制造装置，其特征在于，所述超声辅助装置(2)通过固定装置(25)连接焊枪(12)，通过耦合接头(24)使变幅杆(23)与钨极(126)耦合，将超声能场由钨极(126)引入等离子弧与熔池，实现同轴超声辅助等离子弧增材制造。

6.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述超声冲击装置(4)包括依次连接的超声波发生器(41)、冲击头(46)和压力调节仓体(42)，压力调节仓体(42)的内部设置有恒力装置(43)、滑台(44)和滑轨(45)，恒力装置(43)包括支座(431)、芯轴(432)、恒力弹簧(433)以及滚珠轴承(434)，恒力装置(43)及冲击头(46)分别与滑台(44)两面固定。

7.根据权利要求6所述的制造装置，其特征在于，所述恒力弹簧(433)为阿基米德螺线型，为冲击头(46)提供恒定压力。

8.根据权利要求6所述的制造装置，其特征在于，所述压力调节仓体(42)夹持于定位夹具(5)内，通过第二机械臂(6)带动冲击头(46)移动。

9.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述定位夹具(5)包括固定装置(51)、底座(52)、移动夹具(53)、导向轴(54)、定位弹簧(55)和定位螺栓(56)。

10.一种权利要求1所述的超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)前期安装：先进行等离子弧增材制造装置(1)与超声辅助装置(2)的搭建，再进行焊枪(12)与第一机械臂(3)的安装，最后进行超声冲击装置(4)、定位夹具(5)和第二机械臂(6)的安装，即完成超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置的安装；

2)调试：调节冲击头(46)与焊枪(12)的相对位置和角度，保持在同一条直线上，开启装置，将轨迹程序输入到控制第一机械臂(3)和第二机械臂(6)的控制器中，完成调试；

3)同轴超声辅助增材：设置工艺参数，超声辅助装置(2)与等离子弧增材制造装置(1)同时进行工作，通过超声振子将超声振动引入等离子弧与熔池中，通过第一机械臂(3)控制焊枪(12)按照预设的增材轨迹进行增材制造；

4)超声冲击：设置超声参数，超声冲击装置(4)同时与等离子弧增材制造装置(1)开启，通过第二机械臂(6)控制超声冲击装置(4)焊枪前进方向的前后两侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，对刚成形、处于软化状态的熔覆层进行反复高频冲击；

5)后续处理：关闭装置，等待增材成形件冷却，增材制造过程结束。

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