CN117102501A - 一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置，属于增材制造技术领域。本发明装置包括：激光加工头、水冷板、超声振动器和气体保护仓；所述气体保护仓具有气密性，气体保护仓的上罩为柔性材质，上罩顶端中间有开口，开口的外形大小和激光加工头1的外部轮廓匹配；所述激光加工头穿过开口后收紧开口，使上罩顶端固定在激光加工头上；所述超声振动器置于气体保护仓中，开口的下方；所述水冷板固定在超声振动器上；增材基板固定在水冷板上。本发明装置能综合地改善高强铝合金微观组织和宏观力学性能，使成品获得更好的力学性能和形状尺寸精度。

Description

一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置。

背景技术

以AA7075、AlMgScZr为代表的高强铝合金具有密度低、比强度高、塑韧性好等优良特性，能很好地满足航空航天领域对于低重量高强零件的需求。由于这些领域所需零件往往具有复杂的几何形状，一般采取单件小批量生产，使用传统的切削、铸造、挤压成型和熔焊等加工制造方法生产难以短时间内生产出满足技术要求的产品。

激光定向能量沉积(laser directed energy deposition，LDED)是一种使用激光作为热源的增材制造技术，聚焦的激光束照射在加工位置的金属表面形成熔池，使用惰性气体作为载气将金属粉末材料通过喷嘴定向送入熔池中。该技术能根据三维数字模型在计算机控制下逐层成型零件，使用单台机器即可一次完成复杂结构大尺寸零件的快速近净成形。使用LDED技术完成高强度铝合金零件的增材制造，将极大地提高一些特殊零件的生产效率，降低制造成本，具有重大意义。在LDED制造过程中加入超声场，超声振动通过超声空化作用释放高速射流打断生长中的柱状晶粒，实现金属晶粒细化和柱状-等轴晶转变，能改善成型构件孔隙率高和晶粒粗大的问题。

将现有的超声辅助LDED制造工艺直接应用于高强铝合金制造存在一些问题亟待解决，由于高强铝合金极小的工艺窗口和凝固区间，使得将超声振动应用于高强铝合金的LDED制造变得困难。一方面，超声振动将使得高强铝合金材料对1064nm波长激光的吸收率提高，另一方面，超声场以动能的形式直接给高强铝合金的熔融区域输入了额外的能量。这两方面的协同作用下，引入超声振动后LDED加工过程中易出现过热，内部孔隙率增加，表面质量和尺寸精度变差。即出现微观组织改良但宏观力学性能下降的问题。目前，现有LDED制造装置要么散热效率对高强铝合金LDED制造来说不够，要么散热结构复杂、体积重量大影响超声振动的效果；此外，铝合金作为一种活泼金属极易被氧化，必须考虑对加工区域通惰性气体进行保护，目前，现有LDED制造装置中的气体保护结构要么密封性不够，要么结构复杂、不易实现。因此，目前高强铝合金LDED制造易出现产品力学性能无法达标且表面易氧化的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置，其目的在于解决现有高强铝合金增材制造存在成品力学性能无法达标且表面易氧化的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置，所述装置包括：气体保护仓、激光加工头和超声加工单元，其中：

所述气体保护仓具有气密性，该气体保护仓的上部由柔性材质制成，且该部分的顶端开设有外形大小与所述激光加工头外部轮廓相匹配的开口；

所述激光加工头穿过所述开口，并与所述开口紧密配合以保证气体保护仓的气密性；

所述超声加工单元置于所述气体保护仓的内部，其包括超声振动器和水冷板，所述超声振动器位于所述开口的下方，所述水冷板固定在所述超声振动器的上端，用于为所述水冷板上端的增材基板降温。

优选的，通过C型夹将所述增材基板固定在水冷板上。

优选的，所述水冷板内部具有m型水道，m型水道两端连接有循环水管，循环水管穿过气体保护仓后接入冷却泵机，冷却泵机用于驱动冷却水进入水冷板中循环；

所述冷却泵机中包括温控单元，所述温控单元用于控制水冷板处于预设温度范围；若冷却水温度高于预设高温，则所述温控单元开启一种或多种降温措施，所述降温措施包括：提高冷却水的流速和开启热交换为冷却水降温；若冷却水温度低于预设低温，则所述温控单元开启一种或多种升温措施，所述升温措施包括：降低冷却水的流速和开启热交换为冷却水升温。

优选的，所述预设低温大于等于60℃，所述预设高温小于等于75℃。

优选的，所述水冷板采用铝合金材质。

优选的，所述水冷板采用减薄结构。

优选的，所述水冷板和超声振动器之间为刚性连接。

优选的，所述水冷板和超声振动器之间采用环氧粘接剂连接在一起，或所述水冷板和超声振动器之间采用焊接方式连接在一起。

优选的，所述水冷板和超声振动器之间采用钨极氩弧焊焊接在一起。

优选的，所述水冷板和超声振动器的连接面采用喷砂处理。

优选的，所述气体保护仓中包括组合夹具，所述组合夹具中间具有孔洞，所述孔洞的外形大小与气体保护仓上部顶端的开口相同；所述组合夹具包括上夹具组件和下夹具组件，所述上夹具组件和下夹具组件通过外形相互咬合夹持住气体保护仓上部顶端开口的四周；

所述下夹具组件包括第一下夹具组件和第二下夹具组件；所述第一下夹具组件和第二下夹具组件通过过盈配合的方式相互连接；通过调整第一下夹具组件和第二下夹具组件之间的连接距离调整组合夹具中间孔洞的大小。

优选的，激光加工头穿过组合夹具中间的孔洞，并与所述孔洞紧密配合以保证气体保护仓的气密性。

优选的，所述气体保护仓的上罩为PVC材质。

优选的，所述气体保护仓中包括气体管道接口，加工前，惰性气体从气体管道接口注入气体保护仓，将气体保护仓中空气排出；加工中，持续从气体管道接口注入惰性气体，使气体保护仓维持正压状态。

优选的，所述气体保护仓中包括氧含量传感器，所述氧含量传感器用于检测气体保护仓中的氧气含量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)将超声振动辅助应用于高强铝合金的LDED制造后，由于高强铝合金极小的工艺窗口和金属特性，加工过程易出现过热，成品易出现微观组织改良但宏观力学性能下降的问题；在本发明中，通过改进水冷板，使其散热效率更高，并对加工过程的温度场进行更加精准的控制，由此在高强铝合金增材制造中将超声振动和水冷却两种工艺调控手段很好的结合起来，综合地改善高强铝合金微观组织和宏观力学性能，使成品获得更好的力学性能和形状尺寸精度；

(2)目前，在结合了超声振动和水冷降温技术的LDED制造中，若采用冷水板对直接增材基板进行降温，由于重量限制，超声振动器和增材基板基本采用非刚性连接，而在本发明中，通过对超声振动器负载的水冷板减重、改进超声振动器和水冷板之间的连接方式、以及对连接面进行喷砂处理等方法，在LDED制造中实现了超声振动器在竖直方向的刚性连接，由此提高了高强铝合金成型构件在制作过程中的振幅和振动的稳定性，进一步改善了高强铝合金成型构件的微观性能；

(3)由于铝合金材质属于一种活泼金属，易被氧化，目前LDED制造中的气体保护装置或密封性不够，不适用铝合金的LDED制造；或结构复杂，不易实现；在本发明中，对现有气体密封装置进行了改进，提高了密封性能，形成微正压，并通过对氧气浓度进行实时监测，并在浓度超高时进行报警，避免在保护不足的情况下进行加工，从而铝合金成型构件不被氧化；同时本发明中，气体密封装置采用柔性结构，且结构简单成本低、使用灵活方便、且便于观察；

(4)本发明中，将高强铝合金进行LDED制造的层间温度控制在60℃和75℃之间；经过研究，在这一温度区间内，进行下一层加工时，前面已经沉积的高强铝合金层不会过度重熔，从而有利于获得高的成型精度；加工下一层时，在该层间温度区间内，新沉积的熔融液态金属有理想的凝固速度；该层间温度本质是控制了各层的热循环过程，使加工的产品能具有最理想的微观组织。

附图说明

图1是本发明实施例中铝合金激光定向能量沉积制造装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中柔性惰性气体保护仓的结构示意图；

图3是本发明实施例中超声振动器和水冷板组合体的结构示意图；

图4是本发明实施例中组合夹具的结构示意图；

图5是使用本发明装置时获得的样品和未使用本发明装置时获得的样品的显微照片对比图；图5中(a)部分是未使用本发明装置时获得的样品的显微照片；图5中(b)部分是使用本发明装置时获得的样品的显微照片；

图6是使用本发明装置时获得的样品和不使用本发明装置时获得的样品的力学性能对比图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

激光加工头1、水冷板2、超声振动器3、惰性气体保护仓4、柔性透明耐高温钟罩101、刚性仓体102、固定基座103、惰性气体管道接口104、超声电缆接口105、冷却水接口106、氧含量传感器107、组合夹具108、变幅杆201、换能器202、夹具203、循环水管线接口205、第一夹具组件301、第二夹具组件302、第三夹具组件303、M4螺纹孔304、φ6粉末管路孔305、定位柱306、φ6冷却水孔307。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。

实施例中高强铝合金激光定向能量沉积制造装置的整体结构如图1所示，装置包括激光加工头1、水冷板2、超声振动器3、惰性气体保护仓4。

其中：增材基板置于水冷板2上，增材基板与水冷板2之间涂有硅脂导热剂。为使得增材基板与水冷板之间连接更加牢固，用铝制C型夹具夹紧。

水冷板2和超声振动器3位于惰性气体保护仓4内，激光加工头1安装在惰性气体保护仓4上端的开口处，所述开口和激光加工头1的固定处紧密结合，获得一定的气密性。

如图2所示，惰性气体保护仓4包括柔性透明耐高温钟罩101、刚性仓体102、固定基座103、惰性气体管道接口104、超声电缆接口105、冷却水接口106、氧含量传感器107以及组合夹具108；

柔性透明耐高温钟罩101采用PVC材质制作，可以耐受加工过程中激光反射和高温金属飞溅。柔性透明耐高温钟罩101中间具有开口，组合式夹具108通过夹持开口周围的PVC固定在开口处，激光加工头1穿过组合式夹具108中间的矩形开口后固定在组合式夹具108上，所述矩形开口和激光加工头1的外形匹配，由此，激光加工头1随组合式夹具108夹持在柔性透明耐高温钟罩101上，随后惰性气体保护仓4获得的气密性，在装置运行时，柔性透明耐高温钟罩101可以随着激光加工头1一起运动。刚性仓体102一侧设有惰性气体管道接口104、超声电缆接口105和冷却水接口106。在加工前通过惰性气体管道接口104通入惰性气体将空气排出，营造氧含量低于100PPM的气体保护环境，刚性仓体102内部有氧含量传感器107，显示仓内实时氧含量，当仓内氧气浓度超过500PPM时，会发出警报声提醒应停止加工。

实施例中，惰性气体保护仓4的仓壁厚度为2mm，底板厚度为5mm，使用5083铝合金板焊接制成，整体尺寸500mm×400mm×350mm。柔性透明耐高温钟罩101采用耐火阻燃的透明PVC材质制成，其上端开口直径约250mm，PVC材料柔软可变形，可通过钢丝绳将开口收紧，固定在激光加工头1上。激光加工头1的可动范围能覆盖整个增材基板面。

如图3所示，所述超声振动器3由变幅杆201，换能器202和夹具203组成。超声振动器工作时固定以20kHz的频率振动，通过电缆与超声电源连接，可由超声电源控制功率，进而改变振幅。在设备的变幅杆上加装水冷板2，水冷板2与变幅杆201之间通过钨极氩弧焊焊接实现刚性连接；水冷板2和变幅杆201还可以通过DP420环氧粘接剂实现刚性连接，环氧粘接剂在80℃下仍有3100KPa的抗剪强度，可以满足强度需求，且环氧粘接剂的热稳定性好，抗疲劳性能优越，相比常规的刚性连接，比如螺栓固定，在激光加工过程中不会因为热膨胀而导致板变形，也不会出现螺栓卡死在变幅杆的情况。在水冷板2和变幅杆201之间的连接面进行喷砂处理，使两个连接面形成致密的磨砂面，进一步提高了刚性连接的强度。

水冷板2上有循环水管线接口205，使用冷水机通过循环水管线接口205循环冷却水将水冷板2上热量快速导走，可以有效对上方增材基板和已成型区域散热，避免增材过程中出现铝合金结构过热塌陷，并从根本上解决了变幅杆201和换能器202因受到增材基板的热量而过热损坏。水冷机由内置的温控器控制启停，使基板温度维持在60～75℃内，当进水温度低于60℃时，即增材基板的温度不高于60℃，压缩机不工作。

实施例中，增材基板和水冷板2的尺寸及重量应当与超声振动器的功率及起振能力相匹配，为降低超声振动器的载荷，采用铝合金材质的增材基板和水冷板2，增材基板尺寸120mm×120mm×7mm，水冷板尺寸120mm×120mm×8mm。重量267g，内部是2个m型水道，水嘴采用10mm气动快插接头(PC10-M6)，内部水流速13L/min。

水冷板2通过更换铝材，减薄后，水冷板2相比常用的铜水冷板重量轻了70％，因此我们可以把水冷板与超声换能器的变幅杆之间做成刚性连接。由此提高了高强铝合金成型构件在制作过程中的振幅和振动的稳定性，进一步改善了高强铝合金成型构件的微观性能。如果重量大，超声换能器就会过载无法起振，必须换用非刚性连接方式，如气缸顶装，非刚性连接会导致振幅减弱且不稳定，不利于成型质量的稳定。

组合式夹具108的具体结构如图4所示：具体包括第一夹具组件301、第二夹具组件302和第三夹具组件303；

第三夹具组件303中间有开口，所述开口与激光加工头1的外部轮廓间隙配合；第三夹具组件303可通过所述开口紧密的套在激光加工头1外；

第一夹具组件301和第二夹具组件302以过盈配合的方式连接，第一夹具组件301和第二夹具组件302连接后构成一个和第三夹具组件303外形相匹配的组合件，所述组合件上加工有凸台，所述第三夹具组件303下方对应位置加工有凹槽；通过所述凸台和凹槽的咬合，第三夹具组件303和所述组合件上下夹紧柔性透明耐高温钟罩101中间的开口处；

在所述组合件上有三个定位柱306，使所述组合件和第三夹具组件303上下连接时能自定心；

所述组合件和第三夹具组件303在相同的位置开有4个的粉末管路孔305和2个的冷却水孔307；粉末管路孔305用于通过粉末胶管；冷却水孔307用于通过冷却水胶管；

所述组合件和第三夹具组件在四角开有M4螺纹孔304，用于所述组合件和第三夹具组件303之间的固定。

实施例中，本装置中所述的气体、粉末、水流接口均优选8mm规格的快速接头，这提高了本装置的易用性和可维护性。水冷机应选择具有压缩机制冷和水泵循环的型号，制冷功率不低于600W，水泵循环能力不低于10L/min，从而有充足的能力对增材基板进行散热，并应具有过热保护报警功能。优选的氧含量传感器精度不低于100PPM，并具有氧含量超标提示功能。

在进行高强铝合金激光定向能量沉积前，首先操纵机器人将激光加工头1移动到柔性透明耐高温钟罩101中间的组合夹具108内，将组合夹具108紧固在激光加工头1的外面，使组合夹具108能在制造过程中随激光加工头1的移动而移动。将冷却水循环管接到水冷板2的循环水管线接口205上，将氩气胶管接到惰性气体保护仓4上的惰性气体管道接口104上，打开氩气甁阀门，使用流量表控制氩气流量。初始阶段将流量控制在15L/min，使惰性气体保护仓4内的空气迅速排出，通氩气5分钟后，氧含量传感器显示氧含量降低至100PPM以下。之后可以进行激光定向能量沉积制造，沉积过程中可以降低氩气流量到2L/min，并时刻关注氧含量传感器107，确保惰性气体保护仓4内氧含量在100PPM以下。

图5中(a)部分是使用现有超声辅助LDED装置进行高强铝合金加工时获得的样品内部截面的显微照片；图5中(b)部分是使用本发明装置时获得的样品内部截面的显微照片；从图中可以明显的发现，采用本发明装置获得的高强铝合金样品内部的孔隙缺陷更少。

图6是使用本发明装置时获得的样品和使用现有超声辅助LDED装置时获得的样品的力学性能对比图；从图中可以明显的发现，采用本发明装置获得的高强铝合金样品的应力强度更高。

应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。

本申请实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

另外，在本申请实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强铝合金超声辅助激光定向能量沉积制造装置，其特征在于，所述装置包括：气体保护仓(4)、激光加工头(1)和超声加工单元，其中：

所述气体保护仓(4)具有气密性，该气体保护仓(4)的上部由柔性材质制成，且该部分的顶端开设有外形大小与所述激光加工头(1)外部轮廓相匹配的开口；

所述激光加工头(1)穿过所述开口，并与所述开口紧密配合以保证气体保护仓(4)的气密性；

所述超声加工单元置于所述气体保护仓(4)的内部，其包括超声振动器(3)和水冷板(2)，所述超声振动器(3)位于所述开口的下方，所述水冷板(2)固定在所述超声振动器(3)的上端，用于为所述水冷板(2)上端的增材基板降温。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷板(2)内部具有m型水道，m型水道两端连接有循环水管，循环水管穿过气体保护仓(4)后接入冷却泵机，冷却泵机用于驱动冷却水进入水冷板(2)中循环；

所述冷却泵机中包括温控单元，所述温控单元用于控制水冷板(2)处于预设温度范围；若冷却水温度高于预设高温，则所述温控单元开启一种或多种降温措施，所述降温措施包括：提高冷却水的流速和开启热交换为冷却水降温；若冷却水温度低于预设低温，则所述温控单元开启一种或多种升温措施，所述升温措施包括：降低冷却水的流速和开启热交换为冷却水升温。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预设低温大于等于60℃，所述预设高温小于等于75℃。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷板(2)采用铝合金材质。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述水冷板(2)和超声振动器(3)之间为刚性连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水冷板(2)和超声振动器(3)之间采用环氧粘接剂连接在一起，或所述水冷板(2)和超声振动器(3)之间采用焊接方式连接在一起。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水冷板(2)和超声振动器(3)的连接面采用喷砂处理。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体保护仓(4)中包括组合夹具(108)，所述组合夹具(108)中间具有孔洞，所述孔洞的外形大小与气体保护仓(4)上罩顶端的开口相同；所述组合夹具(108)包括上夹具组件(303)和下夹具组件，所述上夹具组件(303)和下夹具组件通过外形相互咬合夹持住气体保护仓(4)上罩顶端开口的四周；

所述下夹具组件包括第一下夹具组件(301)和第二下夹具组件(302)；所述第一下夹具组件(301)和第二下夹具组件(302)通过过盈配合的方式相互连接；通过调整第一下夹具组件(301)和第二下夹具组件(302)之间的连接距离调整组合夹具(108)中间孔洞的大小。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体保护仓(4)的上罩为PVC材质。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体保护仓(4)中包括气体管道接口，加工前，惰性气体从气体管道接口注入气体保护仓(4)，将气体保护仓(4)中空气排出；加工中，持续从气体管道接口注入惰性气体，使气体保护仓(4)维持正压状态。