CN219274484U - 一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，该系统包括逐层沉积加工装置、加热装置、制冷装置和超声振动装置，加热装置包括数控电源箱、加热导线和电加热管组；制冷装置包括数控水冷机、输送水管和水冷管组；超声振动装置包括超声波发生器、连接线、超声振动头和超声振动头支架。本实用新型通过多方面因素提高涂层质量，加热功能使高能束加工过程中产生的内部残余应力减少，进而使内部裂纹减少，提高涂层质量；冷却功能使涂层快速凝固，使涂层晶粒细化，提高涂层性能；超声振动功能在进一步消除内应力的基础上使晶粒更加细化，促进熔池流动，进而提高涂层质量，综合加热、冷却、超声振动三个方面优点将涂层质量大幅度提高。

Description

一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统

技术领域

本实用新型涉及高能束加工技术领域，具体是一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统。

背景技术

高能束逐层沉积技术是一种利用激光束、电子束、等离子束等高能量密度的束流，将金属粉末融化后附着在工件基材表面，使工件表面形成新的物理、化学性质的机械加工技术。高能束逐层沉积技术是一种先进的表面强化技术，通过不同的添料方式在基体表面放置被选择的涂层材料经高能束辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低且与基体形成冶金结合的表面涂层，所形成的涂层具有更好的耐磨、耐腐蚀性，耐冲击、耐高温、抗氧化等性能。

高能束逐层沉积技术存在以下缺陷：1、高能束逐层沉积加工过程中，会在工件中产生热积累，产生热应力，导致工件内部残余应力较大，使内部出现较多裂纹；2、涂层凝固速度较慢，涂层晶粒粗细不均，涂层性能较差；3、熔池整体流动性差，导致涂层质量较差。

为此，本实用新型提供了一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统及方法，来解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的问题，一方面提供一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，包括逐层沉积加工装置、加热装置、制冷装置和超声振动装置；

所述逐层沉积加工装置包括密封罩、底座、加工台、定位夹具、四轴机器人、高能束发生器和同轴送粉激光头，所述底座设于所述密封罩内底板上，所述加工台固定于所述底座顶部，所述定位夹具与所述加工台可拆卸连接，所述四轴机器人设于所述密封罩内部，所述同轴送粉激光头安装在所述四轴机器人上，所述高能束发生器设于所述密封罩外部，且与所述同轴送粉激光头连接，所述同轴送粉激光头还连接有同步送粉器；

所述加热装置包括数控电源箱、加热导线和电加热管组，所述数控电源箱的输出端通过所述加热导线与所述电加热管组连接，所述数控电源箱设于所述密封罩外部，所述底座顶部设有凹槽，所述电加热管组设于所述凹槽内，且位于所述加工台底部；

所述制冷装置包括数控水冷机、输送水管和水冷管组，所述数控水冷机通过所述输送水管与所述水冷管组连接，所述数控水冷机设于所述密封罩外部，所述水冷管组设于所述凹槽内，且位于所述加工台底部；

所述超声振动装置包括超声波发生器、连接线、超声振动头和超声振动头支架，所述超声波发生器通过连接线与所述超声振动头连接，所述超声波发生器设于所述密封罩外部，所述超声振动头支架与所述加工台固定连接，所述超声振动头固定在所述超声振动头支架上。

优选地，所述水冷管组和电加热管组交错设置。

优选地，所述加工台上设有呈矩形阵列分布的多个定位螺孔，所述定位夹具包括固定支架，所述固定支架上设有与所述定位螺孔相互配合的定位通孔，所述固定支架上固定连接有限位件，所述限位件包括三个相互连接的限位板，每个所述限位板均与另外两个限位板垂直。

优选地，所述集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统还包括清扫装置，所述清扫装置包括第一水平直线运动机构、第二水平直线运动机构和钢刷，所述第一水平直线运动机构与所述加工台固定连接，所述第二水平直线运动机构与所述第一水平直线运动机构连接，能够随所述第一水平直线运动机构移动，所述钢刷与所述第二水平直线运动机构连接，能够随所述第二水平直线运动机构移动。

优选地，所述第一水平直线运动机构为滑动气缸。

优选地，所述第二水平直线运动机构为滚珠丝杠直线运动机构。

优选地，所述加热导线为铁氟龙电线，所述加热导线上套设有玻璃纤维绝缘套管。

优选地，所述高能束发生器包括激光束发生器、等离子束发生器和电子束发生器。

本实用新型另一方面提供了一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工方法，包括如下步骤：

S1、将选好的待加工工件基材放置在加工台上，然后用定位夹具将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

S2、数控电源箱或数控水冷机启动，通过加热导线给电加热管组供电或通过输送水管给水冷管组提供冷却水，给选定的工件加热至200—500℃或冷却至-20—5℃，持续稳定加热或制冷；

S3、开启超声波发生器，此时超声振动头挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率范围为5-30kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.2-0.8MPa；

S4、启动高能束发生器，将金属粉末通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头，开启四轴机器人带动同轴送粉激光头进行工作，此时超声波发生器正常工作，通过超声振动头给予工件超声振动频率；

S5、加工完成后四轴机器人带动同轴送粉激光头离开加工台，先关闭高能束发生器，再关闭超声波发生器，最后关闭数控电源箱或数控水冷机，拆卸定位夹具，取下工件。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统及方法通过多方面因素提高涂层质量，加热功能使高能束加工过程中产生的内部残余应力减少，进而使内部裂纹减少，提高涂层质量；冷却功能使涂层快速凝固，使涂层晶粒细化，进而提高涂层性能；超声振动功能在进一步消除内应力的基础上使晶粒更加细化，促进熔池流动，进而提高涂层质量，综合加热、冷却、超声振动三个方面优点将涂层质量大幅度提高。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型一个视角的部分结构示意图；

图3为本实用新型的部分结构的爆炸图；

图4为本实用新型另一个视角的部分结构示意图；

图5为图2中A部分的结构放大图；

图6为图3中B部分的结构放大图；

图7为图4中C部分的结构放大图。

附图标记说明

1-密封罩，2-底座，3-加工台，4-定位夹具，5-四轴机器人，6-高能束发生器，7-同轴送粉激光头，8-数控电源箱，9-加热导线，10-电加热管组，11-凹槽，12-数控水冷机，13-输送水管，14-水冷管组，15-超声波发生器，16-连接线，17-超声振动头，18-超声振动头支架，19-定位螺孔，20-固定支架，21-限位件，22-第一水平直线运动机构，23-第二水平直线运动机构，24-钢刷。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1至图7所示，本实施例一方面提供一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，包括逐层沉积加工装置、加热装置、制冷装置和超声振动装置；

所述逐层沉积加工装置包括密封罩1、底座2、加工台3、定位夹具4、四轴机器人5、高能束发生器6和同轴送粉激光头7，所述底座2设于所述密封罩1内底板上，密封罩1上侧、前侧、左侧和右侧均设有透明玻璃，便于观察内部加工情况,所述加工台3固定于所述底座2顶部，所述定位夹具4与所述加工台3可拆卸连接，定位夹具4用于固定待加工工件，所述四轴机器人5设于所述密封罩1内部，所述同轴送粉激光头7安装在所述四轴机器人5上，所述高能束发生器6设于所述密封罩1外部，且与所述同轴送粉激光头7连接，所述同轴送粉激光头7还连接有同步送粉器；

所述加热装置包括数控电源箱8、加热导线9和电加热管组10，所述数控电源箱8的输出端通过所述加热导线9与所述电加热管组10连接，为电加热管组10进行供电，所述数控电源箱8设于所述密封罩1外部，所述底座2顶部设有凹槽11，所述电加热管组10设于所述凹槽11内，且位于所述加工台3底部；

所述制冷装置包括数控水冷机12、输送水管13和水冷管组14，所述数控水冷机12通过所述输送水管13与所述水冷管组14连接，所述数控水冷机12设于所述密封罩1外部，所述水冷管组14设于所述凹槽11内，且位于所述加工台3底部；

所述超声振动装置包括超声波发生器15、连接线16、超声振动头17和超声振动头支架18，所述超声波发生器15通过连接线16与所述超声振动头17连接，所述超声波发生器15设于所述密封罩1外部，所述超声振动头支架18与所述加工台3固定连接，所述超声振动头17固定在所述超声振动头支架18上。

在一些实施例中，所述水冷管组14和电加热管组10交错设置。

在一些实施例中，所述加工台3上设有呈矩形阵列分布的多个定位螺孔19，所述定位夹具4包括固定支架20，所述固定支架20上设有与所述定位螺孔19相互配合的定位通孔，所述固定支架20上固定连接有限位件21，所述限位件21包括三个相互连接的限位板，每个所述限位板均与另外两个限位板垂直。本实施例中以矩形板状工件为例对定位夹具4进行说明，对工件限位固定时，可采用两个定位夹具4，分别对工件顶部的两个对角进行限位，固定支架20通过螺栓与加工台3固定，限位件21的三个限位板分别与工件的顶面和两个侧面相抵，进而对工件前后左右上下六个自由度锁死固定。当待加工工件为其他形状时，可代用其他现有形式的工件定位夹具4，能够实现工件的夹紧固定即可。

在一些实施例中，所述集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统还包括清扫装置，所述清扫装置包括第一水平直线运动机构22、第二水平直线运动机构23和钢刷24，所述第一水平直线运动机构22与所述加工台3固定连接，所述第二水平直线运动机构23与所述第一水平直线运动机构22连接，能够随所述第一水平直线运动机构22移动，所述钢刷24与所述第二水平直线运动机构23连接，能够随所述第二水平直线运动机构23移动，钢刷24能够对工件表面进行清扫。在本实施例中，所述第一水平直线运动机构22为滑动气缸，所述第二水平直线运动机构23为滚珠丝杠直线运动机构。

在一些实施例中，所述加热导线9为铁氟龙电线，所述加热导线9上套设有玻璃纤维绝缘套管，使加热导线9耐高温。

在一些实施例中，所述高能束发生器6包括激光束发生器、等离子束发生器和电子束发生器。

本实施例中的集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统通过设置加热装置、制冷装置和超声振动装置，通过多方面因素提高涂层质量，加热功能使高能束加工过程中产生的内部残余应力减少，进而使内部裂纹减少，提高涂层质量；冷却功能使涂层快速凝固，使涂层晶粒细化，进而提高涂层性能；超声振动功能在进一步消除内应力的基础上使晶粒更加细化，促进熔池流动，进而提高涂层质量，综合加热、冷却、超声振动三个方面优点将涂层质量大幅度提高。

本实施例另一方面提供了一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工方法，包括如下步骤：

S1、将选好的待加工工件基材放置在加工台3上，然后用定位夹具4将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

S2、数控电源箱8或数控水冷机12启动，通过加热导线9给电加热管组10供电或通过输送水管13给水冷管组14提供冷却水，给选定的工件加热至200—500℃或冷却至-20—5℃，持续稳定加热或制冷；

S3、开启超声波发生器15，此时超声振动头17挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率范围为5-30kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.2-0.8MPa；

S4、启动高能束发生器6，将金属粉末通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头7，开启四轴机器人5带动同轴送粉激光头7进行工作，此时超声波发生器15正常工作，通过超声振动头17给予工件超声振动频率；

S5、加工完成后四轴机器人5带动同轴送粉激光头7离开加工台3，先关闭高能束发生器6，再关闭超声波发生器15，最后关闭数控电源箱8或数控水冷机12，拆卸定位夹具4，取下工件。

具体地，以42GrMoA材料的工件为例，分别进行激光束熔覆加工、等离子束熔覆加工、电子束熔覆加工和激光束增材制造加工，对本实施例中的方法进行说明。

一、进行激光束熔覆加工方法

步骤1、将选好的42GrMoA材料的工件基材放置在加工台3上，然后用定位夹具4将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

步骤2、数控电源箱8启动，通过加热导线9给电加热管组10供电，给选定的工件加热至200℃或300℃，持续稳定加热；

步骤3、开启超声波发生器15，此时超声振动头17挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率为5kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.2MPa；

步骤4、高能束选择激光束，启动激光束发生器，将金属粉末Ni45通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头7，开启四轴机器人5带动同轴送粉激光头7进行工作，此时超声波发生器15正常工作，通过超声振动头17给予工件超声振动频率；

步骤5、加工完成后四轴机器人5带动同轴送粉激光头7离开加工台3，先关闭激光束发生器，再关闭超声波发生器15，最后关闭数控电源箱8，拆卸定位夹具4，取下工件。

二、进行等离子束熔覆加工方法

步骤1、将选好的42GrMoA材料的工件基材放置在加工台3上，然后用定位夹具4将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

步骤2、数控电源箱8启动，通过加热导线9给电加热管组10供电，给选定的工件加热至500℃，持续稳定加热；

步骤3、开启超声波发生器15，此时超声振动头17挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率为15kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.5MPa；

步骤4、高能束选择等离子束，启动等离子束发生器，将金属粉末Ni45通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头7，开启四轴机器人5带动同轴送粉激光头7进行工作，此时超声波发生器15正常工作，通过超声振动头17给予工件超声振动频率；

步骤5、加工完成后四轴机器人5带动同轴送粉激光头7离开加工台3，先关闭等离子束发生器，再关闭超声波发生器15，最后关闭数控电源箱8，拆卸定位夹具4，取下工件。

三、进行电子束熔覆加工方法

步骤1、将选好的42GrMoA材料的工件基材放置在加工台3上，然后用定位夹具4将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

步骤2、数控水冷机12启动，通过输送水管13给水冷管组14提供冷却水，给选定的工件冷却至-20℃或-10℃，持续稳定制冷；

步骤3、开启超声波发生器15，此时超声振动头17挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率为30kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.8MPa；

步骤4、高能束选择电子束，启动电子束发生器，将金属粉末Ni45通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头7，开启四轴机器人5带动同轴送粉激光头7进行工作，此时超声波发生器15正常工作，通过超声振动头17给予工件超声振动频率；

步骤5、加工完成后四轴机器人5带动同轴送粉激光头7离开加工台3，先关闭电子束发生器，再关闭超声波发生器15，最后关闭数控水冷机12，拆卸定位夹具4，取下工件。

四、进行激光束增材制造加工方法

步骤1、将选好的42GrMoA材料的工件基材放置在加工台3上，然后用定位夹具4将工件前后左右上下六个自由度锁死固定；

步骤2、数控水冷机12启动，通过输送水管13给水冷管组14提供冷却水，给选定的工件冷却至5℃，持续稳定制冷；

步骤3、开启超声波发生器15，此时超声振动头17挤压在工件表面，给工件一个超声振动频率，所述超声振动工艺参数为：工作频率为30kHz，最大输出功率为1500W，气动压力为0.8MPa；

步骤4、高能束选择激光束，启动激光束发生器，将金属粉末Ni45通过同步送粉器输送到同轴送粉激光头7，开启四轴机器人5带动同轴送粉激光头7进行工作，此时超声波发生器15正常工作，通过超声振动头17给予工件超声振动频率；

步骤5、增材制造过程中，增材制造完成一定厚度后，第一直线运动机构和第二直线运动机构带动钢刷24移动对工件表面进行清扫，清扫完成后钢刷24复位；

步骤6、加工完成后四轴机器人5带动同轴送粉激光头7离开加工台3，先关闭激光束发生器，再关闭超声波发生器15，最后关闭数控水冷机12，拆卸定位夹具4，取下工件。

Claims (8)

1.一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于，包括逐层沉积加工装置、加热装置、制冷装置和超声振动装置；

所述逐层沉积加工装置包括密封罩、底座、加工台、定位夹具、四轴机器人、高能束发生器和同轴送粉激光头，所述底座设于所述密封罩内底板上，所述加工台固定于所述底座顶部，所述定位夹具与所述加工台可拆卸连接，所述四轴机器人设于所述密封罩内部，所述同轴送粉激光头安装在所述四轴机器人上，所述高能束发生器设于所述密封罩外部，且与所述同轴送粉激光头连接，所述同轴送粉激光头还连接有同步送粉器；

所述加热装置包括数控电源箱、加热导线和电加热管组，所述数控电源箱的输出端通过所述加热导线与所述电加热管组连接，所述数控电源箱设于所述密封罩外部，所述底座顶部设有凹槽，所述电加热管组设于所述凹槽内，且位于所述加工台底部；

所述制冷装置包括数控水冷机、输送水管和水冷管组，所述数控水冷机通过所述输送水管与所述水冷管组连接，所述数控水冷机设于所述密封罩外部，所述水冷管组设于所述凹槽内，且位于所述加工台底部；

所述超声振动装置包括超声波发生器、连接线、超声振动头和超声振动头支架，所述超声波发生器通过连接线与所述超声振动头连接，所述超声波发生器设于所述密封罩外部，所述超声振动头支架与所述加工台固定连接，所述超声振动头固定在所述超声振动头支架上。

2.根据权利要求1所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述水冷管组和电加热管组交错设置。

3.根据权利要求1所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述加工台上设有呈矩形阵列分布的多个定位螺孔，所述定位夹具包括固定支架，所述固定支架上设有与所述定位螺孔相互配合的定位通孔，所述固定支架上固定连接有限位件，所述限位件包括三个相互连接的限位板，每个所述限位板均与另外两个限位板垂直。

4.根据权利要求1所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统还包括清扫装置，所述清扫装置包括第一水平直线运动机构、第二水平直线运动机构和钢刷，所述第一水平直线运动机构与所述加工台固定连接，所述第二水平直线运动机构与所述第一水平直线运动机构连接，能够随所述第一水平直线运动机构移动，所述钢刷与所述第二水平直线运动机构连接，能够随所述第二水平直线运动机构移动。

5.根据权利要求4所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述第一水平直线运动机构为滑动气缸。

6.根据权利要求5所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述第二水平直线运动机构为滚珠丝杠直线运动机构。

7.根据权利要求1所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述加热导线为铁氟龙电线，所述加热导线上套设有玻璃纤维绝缘套管。

8.根据权利要求1所述的一种集温控和超声辅助的高能束逐层沉积加工系统，其特征在于：所述高能束发生器包括激光束发生器、等离子束发生器和电子束发生器。

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