CN218656819U - 一种增材制造去应力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种增材制造去应力装置，涉及增材制造技术领域，以解决现有增材制造中去残余应力效果差的问题。一种增材制造去应力装置包括：超声滚轮设备、超声发生器、测温设备以及控制器；超声滚轮设备包括超声换能器、超声变幅杆、滚轮以及支撑架；超声换能器安装在超声变幅杆上，超声变幅杆的底部连接支撑架的顶端，支撑架的底部固定在滚轮上，滚轮与沉积层接触；超声滚轮设备垂直于基板平面，机械手移动带动超声滚轮设备在沉积层上滚动，且机械手对超声滚轮设备施加压力。本实用新型提供的增材制造去应力装置用于高效消除部件表面残余应力。

Description

一种增材制造去应力装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造去应力装置。

背景技术

金属增材制造技术一般运用高能束(激光、电磁束或者电弧)进行局部金属丝材粉材熔化沉积，金属材料在电弧增材的过程中经历了复杂的热过程和冶金过程，随着堆积层数的增加，堆积部件热累积严重，由此产生了残余应力和变形，这会严重影响增材部件的成形以及质量，从而直接影响该结构的力学性能与服役寿命。为了消除这些缺陷并提高部件性能，一方面要优化并严格控制堆积制造工艺，辅以先进的实时无损检测技术；另一方面为增材制造技术开发面向提高部件性能的辅助手段，减小成形件残余应力和变形、控制其缺陷和组织形态以提高机械性能。

目前消除残余应力的方法很多，如自然时效、热时效、振动时效等，自然时效周期太长，已不适合现在市场经济的快速要求；热时效不仅消耗大量的能源、占用场地和较大的设备资金投入，而且消除残余应力的效果也因炉况的不同有很大的差异，其对残余应力的消除率一般在40～80％之间；振动时效虽然使用方便，但其应力消除率一般在30％～50％。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种增材制造去应力装置，用于提高增材制造消除残余应力的效果。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种增材制造去应力装置，包括：超声滚轮设备、超声发生器、测温设备以及控制器；

所述超声滚轮设备固定在机械手上，所述机械手与所述控制器连接，所述测温设备与所述控制器连接且靠近沉积层表面，所述超声发生器与所述超声滚轮设备连接；

所述超声滚轮设备包括：超声换能器、超声变幅杆、滚轮以及支撑架；所述超声换能器安装在所述超声变幅杆上，所述超声变幅杆的底部连接所述支撑架的顶端，所述支撑架的底部固定在所述滚轮上，所述滚轮与所述沉积层接触；所述超声滚轮设备垂直于基板平面，所述机械手移动带动所述超声滚轮设备在所述沉积层上滚动，且所述机械手对所述超声滚轮设备施加压力。

可选的，所述支撑架表面安装有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器连接。

可选的，所述超声换能器上端连接有固定件，所述固定件固定在所述机械手上。

可选的，所述增材制造去应力装置还包括温度记录器，所述温度记录器的输入接线端子与所述测温设备连接，所述温度记录器的输出接线端子与所述控制器连接。

可选的，所述滚轮的宽度大于8mm。

可选的，所述测温设备与所述基板夹角为45°。

可选的，所述测温设备安装在可移动设备上，所述可移动设备与所述控制器连接。

可选的，所述支撑架为U型金属板。

可选的，所述滚轮上安装有滚动轴承，所述U型金属板的底部与所述滚动轴承连接。

可选的，所述测温设备为红外测温仪或测温摄像头。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种增材制造去应力装置，包括：超声滚轮设备、超声发生器、测温设备以及控制器；超声滚轮设备固定在机械手上，机械手与控制器连接，测温设备与控制器连接且靠近沉积层表面，超声发生器与超声滚轮设备连接；超声滚轮设备包括：超声换能器、超声变幅杆、滚轮以及支撑架；超声换能器安装在超声变幅杆上，超声变幅杆的底部连接支撑架的顶端，支撑架的底部固定在滚轮上，滚轮与沉积层接触；超声滚轮设备垂直于基板平面，机械手移动带动超声滚轮设备在沉积层上滚动，且机械手对超声滚轮设备施加压力。通过使用超声滚轮设备代替单一的超声冲击或滚轮辊压，可以大幅度降低和消除部件内的残余应力，同时超声冲击的冲击能量结合滚轮的挤压力垂直作用到沉积层内部，还可以达到细化晶粒、减少内部缺陷、提高增材件整体性能的目标。通过测温设备可以实时检测部件沉积层的温度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型提供的一种增材制造去应力装置的结构示意图。

附图标记：

1-超声滚轮设备，11-超声换能器，12-超声变幅杆，13-滚轮，14-支撑架，15-固定件，2-超声发生器，3-测温设备，4-控制器，5-温度记录器，6-沉积层，7-基板，8-MIG焊枪，81-送丝设备，82-保护气通道。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

超声冲击技术是一种消除部件表面或焊缝区有害残余应力、引进有益压应力的方法。超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒约2万次的频率冲击金属物体表面，高频、高效和聚焦下的大能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击改变了原有的应力场，产生有益的压应力；通过超声冲击可以使焊接接头疲劳强度提高50％～120％，疲劳寿命延长5～100倍。然而单一的超声冲击设备去除增材制造部件的残余应力的效果依然不佳。

为解决上述问题，本实用新型提供一种增材制造去应力装置，提高消除增材制造成形件的残余应力的效果。

参见图1，本实用新型提供的一种增材制造去应力装置包括：超声滚轮设备1、超声发生器2、测温设备3以及控制器4；超声滚轮设备1固定在机械手上，机械手与控制器4连接，测温设备3与控制器4连接且靠近沉积层6表面，测温设备3用于检测沉积层6的温度，超声发生器2与超声滚轮设备1连接；

超声滚轮设备1包括：超声换能器11、超声变幅杆12、滚轮13以及支撑架14；超声换能器11安装在超声变幅杆12上，超声变幅杆12的底部连接支撑架14的顶端，支撑架14的底部固定在滚轮13上，滚轮13与沉积层6接触；超声滚轮设备1垂直于基板7，机械手移动带动超声滚轮设备1在沉积层6上滚动，且机械手对超声滚轮设备1施加压力。滚轮13直接作用与沉积层6表面，在滚轮挤压沉积层6同时对其进行超声冲击，实现残余应力的消除。

控制器4用于控制机械手的运动从而带动超声滚轮设备1在沉积层6上滚动，机械手向下挤压超声滚轮设备1从而给予滚轮13压力，同时控制测温设备3进行沉积层6的温度监测。通过沿增材打印路径实时超声冲击和压实进行去应力。

测温设备3可以为红外测温仪或测温摄像头。且测温设备3选择温度测试范围为100℃～1300℃的设备。通过测温设备3可以实时检测部件沉积层6的温度，控制沉积层6温度可以解决不同层冷却温度梯度对材料的性能的影响。

超声发生器2，又称超声波驱动电源、电子箱、超声波控制器，是大功率超声系统的重要组成部分。超声发生器2作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声换能器11工作。超声发生器2与超声换能器11电连接。

超声换能器11是一种将电磁能转化为机械能(声能)的装置，由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成。

超声变幅杆12是超声波振动系统中一个重要的组成部分，主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能。

在去应力过程中，超声发生器2产生频率大于18kHz的震荡电信号，通过超声换能器11，将电能转化为同频率的机械振动能量。通过超声变幅杆12将振幅放大至50μm，之后振动能量通过滚轮13被传到沉积层6。

滚轮13上可以安装有滚动轴承，支撑架14可以为U形金属板，U形金属板的底部与滚动轴承可拆卸固定连接。

本实用新型提供的一种增材制造去应力装置应用于金属增材制造系统中，在进行部件打印过程中，进行去应力操作。金属增材制造系统可以为电弧增材系统或其它增材制造系统。电弧增材系统可以包括电弧增材电源、机器人、机器人控制柜、MIG焊枪8，机器人控制MIG焊枪8移动，MIG焊枪8通过送丝设备81送丝，同时通过保护气通道82输送保护气。在增材制造过程中，超声滚轮设备1位于MIG焊枪8的后方。

具体实施可以结合图1进行说明，首先用计算机建立三维增材制造模型，并将其导入增材制造分层软件中，对模型进行分层处理，获取部件的规划路径；选用直径为1.2mm的不锈钢304丝材，选择的基板尺寸为120mm*120mm*15mm，将打磨处理后的基板7通过夹具固定在工作平台上，测温设备3对准基板7；开启电弧增材系统电源、超声发生器2和测温设备3的电源，其中：电弧电压为：12V，电流为：160A，保护气为：99.999％氩气，焊接速度0.7m/min,送丝速度为4m/min的参数，超声波的频率为19kHz，滚轮压力为500N；启动电弧增材系统，进行部件的增材制造；部件沉积层6完成后，通过测温设备3实时温度监测，当沉积层6温度降到400℃以下时，启动超声发生器2，同时控制器4控制机械手对超声滚轮设备1施压，并控制超声滚轮设备1沿增材制造路径在沉积层6上移动，使得超声滚轮设备1对沉积层6进行冲击和压实；当部件沉积层6的温度达到280℃时，继续电弧增材制造；之后重复增材制造和去应力的步骤，直至部件的电弧增材制造完成；部件完成后，依次关闭电弧增材系统电源、超声发生器2和测温设备3的电源。从而得到低残余应力、晶粒细、气孔少的部件。

通过上述一种增材制造去应力装置的结构和具体实施过程可知，通过使用超声滚轮设备1代替单一的超声冲击或滚轮辊压，可以大幅度降低和消除部件内的残余应力，同时超声冲击的冲击能量结合滚轮13的挤压力垂直作用到沉积层6内部，在重结晶温度以下，对增材金属施加一定的压应力，对增材构件中的沉积层6内残余应力经控制和改善，以达到缓解甚至消除增材件残余应力、细化晶粒、减少内部缺陷、提高增材件整体性能的目标。通过测温设备3可以实时检测部件沉积层6的温度。

作为一种可能实现的方式，支撑架14表面安装有压力传感器，压力传感器与控制器4连接。在机械手对滚轮进行施加时，可以通过压力传感器测量到所需压力的具体数值，压力传感器的设置可以判断滚轮受到的压力是否与施加的滚压参数相同，使得给予的滚轮压力更加精确，进一步提高去应力效果。

作为一种可能实现的方式，超声换能器11上端连接有固定件15，固定件15可拆卸的固定在机械手上。

作为一种可能实现的方式，增材制造去应力装置还包括温度记录器5，温度记录器5的输入接线端子与测温设备3连接，且温度记录器5的输出接线端子与控制器4连接。温度记录器5包括存储器和显示屏，存储器用于存储温度数据，显示屏用于显示温度数据。

作为一种可能实现的方式，滚轮的宽度大于8mm。8mm为增材制造过程中单道焊缝的宽度，每熔覆一次所形成的焊缝金属称为一个焊道，滚轮的宽度大于8mm可以覆盖单道焊缝，使得去应力效果好。

作为一种可能实现的方式，测温设备3与基板7夹角为45°。设置为45度角度监测沉积层6的温度更加准确。

作为一种可能实现的方式，测温设备3安装在可移动设备上，可移动设备与控制器4连接，可移动设备可以为自动升降设备或者机器人等，可移动设备可以进行上下移动从而调整测温设备3的位置，使得测温设备3始终对最新一层沉积层6的温度进行监测。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种增材制造去应力装置，其特征在于，包括：超声滚轮设备、超声发生器、测温设备以及控制器；

所述超声滚轮设备固定在机械手上，所述机械手与所述控制器连接，所述测温设备与所述控制器连接且靠近沉积层表面，所述超声发生器与所述超声滚轮设备连接；

所述超声滚轮设备包括：超声换能器、超声变幅杆、滚轮以及支撑架；所述超声换能器安装在所述超声变幅杆上，所述超声变幅杆的底部连接所述支撑架的顶端，所述支撑架的底部固定在所述滚轮上，所述滚轮与所述沉积层接触；所述超声滚轮设备垂直于基板平面，所述机械手移动带动所述超声滚轮设备在所述沉积层上滚动，且所述机械手对所述超声滚轮设备施加压力。

2.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述支撑架表面安装有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述超声换能器上端连接有固定件，所述固定件固定在所述机械手上。

4.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述增材制造去应力装置还包括温度记录器，所述温度记录器的输入接线端子与所述测温设备连接，所述温度记录器的输出接线端子与所述控制器连接。

5.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述滚轮的宽度大于8mm。

6.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述测温设备与所述基板夹角为45°。

7.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述测温设备安装在可移动设备上，所述可移动设备与所述控制器连接。

8.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述支撑架为U型金属板。

9.根据权利要求8所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述滚轮上安装有滚动轴承，所述U型金属板的底部与所述滚动轴承连接。

10.根据权利要求1所述增材制造去应力装置，其特征在于，所述测温设备为红外测温仪或测温摄像头。

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