[發(fā)明專利]一種感應(yīng)?超聲復(fù)合輔助激光金屬成形的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610236570.X
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105880589B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張安峰;李滌塵;王潭;梁少端;嚴深平
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明適用于金屬增材制造領(lǐng)域，涉及一種感應(yīng)-超聲復(fù)合輔助激光金屬成形的方法，通過感應(yīng)加熱與超聲振動的耦合強化，獲得晶粒細小、組織致密、低氣孔率、無裂紋的高性能金屬成形件。

背景技術(shù)

激光金屬成形技術(shù)是國內(nèi)外增材制造領(lǐng)域的重要研究方向之一，該技術(shù)通過高功率激光熔化同步輸送的金屬粉末，在基材上逐點逐層堆積材料，通過不斷生長制造出成形零件。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在成形機理、工藝選擇、軟硬件系統(tǒng)等方面取得一定的進展。但成形零件存在裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，并且零件中殘余應(yīng)力較大，這些因素嚴重影響著成形零件的性能，并制約了激光金屬成形技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療、能源、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐。而微觀缺陷、組織狀態(tài)、殘余應(yīng)力等是導(dǎo)致成形件性能較差的主要原因。因此有必要采取一定的措施細化晶粒、改善組織、消除應(yīng)力、減少內(nèi)部缺陷。超聲波是一種高頻的機械振動，其空化、聲流和機械效應(yīng)在金屬凝固過程中起到晶粒細化、除氣和均勻組織的作用。而感應(yīng)加熱可實時預(yù)熱基體，降低熔覆層溫度梯度，釋放殘余內(nèi)應(yīng)力，能有效抑制裂紋的產(chǎn)生。目前已有將超聲振動和感應(yīng)加熱分別引入到激光熔覆成形技術(shù)中的相關(guān)文獻報道，但各自獨立輔助效果相對較小。

大連理工大學(xué)申請?zhí)枮?01410290489.0的發(fā)明專利中提出一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法，通過加熱板對基板實時預(yù)熱緩冷并與超聲振動耦合，來抑制氣孔和裂紋。在具體實施的過程中，超聲波換能器貫穿于加熱板上開設(shè)的中心孔并被固定，且加熱板與基體之間有隔熱板相隔，一方面超聲波換能器長期置于高溫環(huán)境，使其使用壽命降低，振動效果減弱；另一方面隨著成形件高度的增長且加熱板與基體之間又有隔熱板相隔，不僅加熱費時且實時預(yù)熱效果也不理想。只適用于表面熔覆和表面改性工藝，不適合激光金屬成形實體零件的制造。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種感應(yīng)-超聲復(fù)合輔助激光金屬成形的方法，將感應(yīng)加熱引入到超聲振動輔助激光金屬成形中，兩種輔助效果耦合強化，顯著提高了抑制激光直接成形金屬件裂紋和氣孔的能力，強化了超聲振動的細晶化效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的：包括以下步驟：

a)根據(jù)成形零件的輪廓外形確定感應(yīng)線圈的形狀，形狀為零件輪廓的等距外輪廓曲線；

b)將基體置于超聲載物臺上端，基體和超聲載物臺剛性連接；通過直線步進電機來調(diào)整感應(yīng)線圈位置，使感應(yīng)線圈中間平面與基體成形表面相距0.5～2mm；

c)先打開超聲波換能器的冷卻系統(tǒng)，使超聲載物臺內(nèi)充滿變壓器油，再打開感應(yīng)加熱電源，對基體成形表面附近區(qū)域進行實時預(yù)熱，將預(yù)熱溫度設(shè)定至800～1200℃，然后開啟超聲波發(fā)生器，打開激光金屬成形系統(tǒng)，進行第一層熔覆成形；

d)一層完成后，上升一個成形層高度0.06～0.8mm，感應(yīng)線圈上升相同的高度，進行下一層熔覆成形；

e)重復(fù)步驟d)，直到完成整個實體零件的成形，依次關(guān)閉感應(yīng)加熱電源、超聲波發(fā)生器和超聲波換能器冷卻系統(tǒng)。

超聲波換能器采用變壓器油進行冷卻。

超聲波換能器的頻率為17KHz～34KHz。

采用感應(yīng)加熱對基體及已成形部分實時預(yù)熱。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

本發(fā)明將感應(yīng)加熱引入到超聲振動輔助激光金屬成形技術(shù)中，通過感應(yīng)加熱對基體實時預(yù)熱，直線步進電機帶動感應(yīng)線圈實時移動與已成形表面保持相對位置不變，達到最佳預(yù)熱效果，減緩熔池凝固速度，延長超聲振動對熔池的作用時間，強化超聲振動在激光金屬成形中的作用。感應(yīng)加熱、超聲振動與激光金屬成形相關(guān)參數(shù)的匹配優(yōu)化，進一步增強了兩種輔助手段的耦合強化效果。此外，該發(fā)明中采用變壓器油對換能器進行循環(huán)冷卻，使換能器的散熱效果更佳，延長換能器在激光熔覆成形中的相對使用壽命，充分發(fā)揮其振動效果。

附圖說明

圖1為感應(yīng)加熱與超聲振動復(fù)合輔助激光金屬成形原理示意圖。

圖中：1同軸送粉噴嘴；2高能激光束；3感應(yīng)線圈；4基體；5超聲載物臺；6超聲波換能器；7變壓器油；8超聲波換能器冷卻系統(tǒng)；9超聲波發(fā)生器；10直線步進電機。

具體實施方式

以下根據(jù)技術(shù)方案和附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。