[發明專利]一種異種金屬復合結構成形系統及方法

有效

• 申請號: 201910996205.2
• 申請日: 2019-10-18
• 公開（公告）號: CN110722163B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 杜軍;魏正英;徐思遠
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B22F7/08;C22C1/02;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

1.一種異種金屬復合結構成形系統，其特征在于，包括熔滴驅動模塊、熔煉模塊、支撐元件（4）、TIG熱源模塊、上位機（15）和三維平臺運動模塊（16）；

熔滴驅動模塊和熔煉模塊均通過支撐元件（4）支撐在三維平臺運動模塊（16）上方，熔滴驅動模塊一端伸入支撐元件（4）內部并與熔煉模塊連接，TIG熱源模塊以預設角度固定在三維平臺運動模塊（16）上方，熔滴驅動模塊、熔煉模塊和三維平臺運動模塊（16）均與上位機（15）連接；

上位機（15）用于控制熔煉模塊以預設溫度熔煉第一金屬材料，控制熔滴驅動模塊以預設驅動參數及波形噴射熔煉的第一金屬材料，控制三維平臺運動模塊（16）帶動表面設置的第二金屬材料以預設路徑移動；

所述熔滴驅動模塊包括柱形壓電促動器（6）、壓電控制器（10）、激振桿（19）、環壁水冷單元（5）、水冷機（27）和位移調節單元；激振桿（19）包括雙頭螺紋細桿和底盤；

位移調節單元與支撐元件（4）連接，柱形壓電促動器（6）位于支撐元件（4）內部，柱形壓電促動器（6）一端連接位移調節單元，另一端通過柔性鉸鏈（7）連接雙頭螺紋細桿一端，雙頭螺紋細桿另一端通過底盤連接熔煉模塊；位移調節單元用于調節雙頭螺紋細桿與熔煉模塊之間的距離；壓電控制器（10）與柱形壓電促動器（6）連接，用于控制柱形壓電促動器（6）的驅動頻率、驅動行程及驅動波形；

環壁水冷單元（5）設置在柱形壓電促動器（6）外圍，并與水冷機（27）通過管路連接，管路上設置水閥（28），水冷機（27）還與上位機（15）連接；

所述TIG熱源模塊包括TIG電弧控制端（11）、氣源（14）、TIG焊槍（17）和氬氣保護裝置；

TIG焊槍（17）以預設角度傾斜固定在三維平臺運動模塊（16）上方，TIG焊槍（17）一端依次連接TIG電弧控制端（11）和氣源（14），氣源（14）和TIG電弧控制端（11）之間的氣體管道上依次設置電磁閥（13）和壓力控制傳感器（12），TIG電弧控制端（11）還與上位機（15）連接；

所述熔煉模塊包括溫度傳感器（8）、噴頭（20）、坩堝（21）、加熱元件（22）、溫控儀（23）和環形承重圓盤（24）；

坩堝（21）一端通過環形承重圓盤（24）連接支撐元件（4），另一端連接噴頭（20），噴頭（20）與熔滴驅動模塊連接且位于三維平臺運動模塊（16）上方，環形承重圓盤（24）與支撐元件（4）之間依次設置隔熱元件（25）和密封元件（26），環形承重圓盤（24）、隔熱元件（25）、密封元件（26）和支撐元件（4）通過螺栓（9）鎖緊固定，加熱元件（22）設置于坩堝（21）外圍，溫度傳感器（8）位于坩堝（21）內部，溫控儀（23）一端與溫度傳感器（8）和加熱元件（22）均連接，另一端連接上位機（15）；

所述TIG熱源模塊的TIG焊槍（17）與第二金屬材料表面間的角度為30~60°，TIG熱源模塊與熔煉模塊的中心線之間水平距離為2mm，熔煉模塊與第二金屬材料表面的距離為3~5cm，所述三維平臺運動模塊（16）通過固高控制卡連接上位機（15）。

2.根據權利要求1所述的異種金屬復合結構成形系統，其特征在于，所述位移調節單元包括自上而下依次連接的光軸固定環（1）、中空螺帽（2）和階梯軸連桿（3）；

中空螺帽（2）與支撐元件（4）連接，階梯軸連桿（3）遠離中空螺帽（2）的一端與柱形壓電促動器（6）連接。

3.根據權利要求1所述的異種金屬復合結構成形系統，其特征在于，所述激振桿（19）材質為99%氧化鋁陶瓷。

4.根據權利要求1所述的異種金屬復合結構成形系統，其特征在于，所述加熱元件（22）為電阻式加熱器、電磁感應加熱器或微波加熱器，所述坩堝（21）與噴頭（20）的材質均為石墨，噴頭（20）上噴孔的直徑為0.3~0.6mm。

5.根據權利要求1所述的異種金屬復合結構成形系統，其特征在于，所述坩堝（21）與噴頭（20）螺紋連接。

6.一種基于權利要求1~5任意一項所述異種金屬復合結構成形系統的異種金屬復合結構成形方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：將預處理后的第一金屬材料加入熔煉模塊，將第二金屬材料固定至三維運動平臺上預設位置；第一金屬材料和第二金屬材料為異種金屬；

S2：通過上位機（15）控制熔煉模塊將第一金屬材料加熱至預設溫度，通過熔滴驅動模塊將第一金屬材料按預先設定的驅動參數及波形進行噴射；

S3：通過TIG熱源模塊在第二金屬材料表面形成局部淺層熔池，通過上位機（15）控制三維平臺運動模塊（16）帶動第二金屬材料移動，使得熔滴驅動模塊噴射的第一金屬材料位于局部淺層熔池內部；實現第一金屬材料和第二金屬材料的復合。