一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法，在电弧形成熔池处不仅引入三个方向的超声耦合作用，而且采用基板固定装置通过硬座橡胶垫块实现对基板的固定。三个方向的高频超声搅拌和基板微小高频振动的综合作用促使金属熔体流动，干预材料结晶过程，重新形成细小均匀的晶粒，促进溶解在熔体中气体的析出，降低增材制造成形件孔隙率，提高成形件的力学性能。对刚堆积后形成的表面易塑性变形的区域进行超声冲击处理，可以在成形过程中，实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，并且在表面形成残余压应力，提高成形件的疲劳强度，可以有效控制增材制造过程中的变形。最终实现对CMT铝合金增材制造目标零件的高质量成形。

【技术实现步骤摘要】
一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法
本专利技术涉及CMT铝合金增材制造领域，具体为一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法。
技术介绍
CMT(冷金属焊接)增材制造技术是一种将金属CMT焊接技术与快速成形离散堆积原理结合起来的快速成形技术，通过三维实体扫描或直接建模获得目标零件的三维CAD实体模型，将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理，以电弧作为热源将金属丝材熔化，按既定的成形路径堆积成形每一薄层，层层堆积最终形成三维实体零件的先进制造技术。CMT增材制造技术可以完成大型金属结构件的高效、低成本快速成形制造，在航空、航天、船舶、汽车行业有很大的产业化应用前景，在2025智能制造国家战略中扮演着重要角色。铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好、成本低等一系列优点，在20世纪初期就已经是航空工业中应用最广泛的材料之一了。目前CMT增材制造铝合金技术虽然取得了一定的成就，但是在实际应用方面中仍有不少问题。主要表现在工艺方面，CMT增材制造大型铝合金结构件的过程中，由于温度梯度大，造成残余应力大，造成成形件变形过大，使得成形过程不能继续。另外CMT增材制造铝合金存在着诸多微观组织缺陷如气孔、晶粒大小不均匀、微裂纹等，这都是造成成形件的力学性能差的原因。鉴于上述原因，极大的影响了CMT铝合金增材制造的进一步产业化应用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法，结构独特，设计合理，使用方便，效果明显，不仅可以细化成形件的晶粒降低成形件孔隙率，而且能够实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，有效控制增材制造过程中的变形。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，包括工作台，基板，用于将基板固定在工作台上的基板固定装置，以及X向超声激振系统、Y向超声激振系统和Z向超声激振系统；所述X、Y和Z向超声激振系统分别与基板接触进行超声激振，同时向电弧形成的熔池处传递X、Y和Z向的超声高频能量波；所述基板固定装置通过硬质橡胶垫块将基板压紧固定在工作台上。优选的，所述基板固定装置包括多组相同的螺栓压紧机构，所述的硬质橡胶垫块包括第一硬质橡胶垫块和第二硬质橡胶垫块；螺栓压紧机构包括压板、紧固螺栓、紧固螺母和垫块；紧固螺栓的螺帽端固定在工作台内，螺杆一侧开设有卡槽；卡槽与基板相邻侧面之间压紧设置第二硬质橡胶垫块；紧固螺栓穿过压板于紧固螺母紧固配合，压板的一端与基板表面之间压紧设置第一硬质橡胶垫块，另一端通过垫块压紧工作台；基板固定装置通过硬质橡胶垫块固定基板后，基板的振动幅值最大不超过0.5mm。优选的，X向超声激振系统包括X向超声激振装置和Y向运动机构；所述X向超声激振装置包括第二激振端、第二变幅杆、第二换能器和第二超声波发生器；所述第二超声波发生器与第二换能器电连接，所述第二换能器、第二变幅杆和第二激振端依次固定连接，且一起安装固定在Y向运动机构上；第二激振端与基板平行于Y向的一边边缘接触，将X向高频超声振动能量传递给基板，再由基板传递给成形件；所述Y向运动机构用于调整第二激振端的位置始终与电弧形成熔池的连线平行X轴方向。优选的，Y向超声激振系统包括Y向超声激振装置和X向运动机构；所述Y向超声激振装置包括第三激振端、第三变幅杆、第三换能器和第三超声波发生器；第三超声波发生器与第三换能器电连接，第三换能器、第三变幅杆和第三激振端依次固定连接，且一起安装固定在X向运动机构上；第三激振端与基板平行于X向的一边边缘接触，将Y向高频超声振动能量传递给所述基板，再由基板传递给成形件；所述X向运动机构用于调整第三激振端的位置始终与电弧形成熔池的连线平行Y轴方向。优选的，Z向超声激振系统包括Z向超声激振装置和固定装置；所述Z向超声激振装置包括第一激振端、第一变幅杆、第一换能器和第一超声波发生器；第一超声波发生器与第一换能器电连接，第一换能器与第一变幅杆和第一激振端依次固定连接，且一起安装固定置在固定装置上；第一激振端穿过工作台与基板的底部中心位置接触，将Z向高频超声振动能量传递给基板，再由基板传递给成形件；所述固定装置将Z向超声激振装置固定在基板的正下方。优选的，还包括堆积后表面超声冲击系统和温度控制系统；所述堆积后表面超声冲击系统用于对堆积后的表面进行超声冲击处理；所述温度控制系统用于根据铝合金发生塑性变形温度区间中的一个预设定值，对每一层开始堆积后起点处的表面温度进行监测，当低于预设定值时，向堆积后表面超声冲击系统发出信号，开始对堆积后表面进行超声冲击。进一步，堆积后表面超声冲击系统包括机器人运动机构、第四超声波发生器、超声冲击枪和工控机；工控机用于控制机器人运动机构的运动轨迹和设定第四超声波发生器的功率以及超声冲击枪的振幅；还用于控制X向超声激振系统和Y向超声激振系统在对应方向上的运动，以及X向超声激振系统、Y向超声激振系统和Z向超声激振系统的超声频率和激振振幅；机器人运动机构夹持超声冲击枪，并依据工控机指令按路径轨迹移动；温度控制系统包括热像仪；热像仪用于成形过程温度的监控，输出端连接工控机的输入端传送监控数据；工控机根据每一层开始堆积后起点处的表面温度与预设定值对比，确定是否开始进行超声冲击。一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的方法，包括以下步骤：1)将基板底部的中心位置对准所述Z向超声激振装置的激振端，采用基板固定装置将基板固定在工作台上，并调整基板底部的中心位置对准Z向超声激振装置的第一激振端，并保持第一激振端与基板的底面接触；2)以CMT铝合金增材第一层开始打印焊枪的初始位置为基准，调整所述Y向运动机构使X向超声激振装置的第二激振端与焊枪连线平行于X向；调整X向运动机构，使Y向超声激振装置的第三激振端与焊枪连线平行于Y向；3)根据不同种类的铝合金材料、工艺参数和打印不同层时对应X、Y、Z向超声激振装置的功率和振幅的最优值，预先设定X、Y、Z向的超声激振装置打印不同层时的功率和振幅，由工控机控制打开X、Y、Z向的超声激振装置；4)开始启动CMT焊接装置移动焊枪开始打印第一层，同时打开X、Y、Z向的超声激振装置；5)在打印过程中，工控机控制调整Y向运动机构进行运动，使X向超声激振装置的第二激振端始终与焊枪连线平行于X向；控制调整X向运动机构进行运动，使Y向超声激振装置的第三激振端始终与焊枪连线平行于Y向；6)热像仪监控每一层开始堆积后起点处的表面温度，当最开始打印位置处的温度降低到预设值T1时，工控机控制所述超声冲击枪以和打印成形相同的速度开始对堆积后表面进行超声冲击；7)待该层打印完成并且超声冲击结束后，工控机关闭三个方向的超声激振装置和超声冲击装置；以下一层开始打印焊枪的初始位置为基准，调整所述Y向运动机构使X向超声激振装置第二激振端与焊枪连线平行于X向，调整X向运动机构，使Y向超声激振装置第三激振端与焊枪连线平行于Y向；激活热像仪对已成形层的温度进行监测，当所测得最高温度降低到设定温度T2后；启动CMT焊接装置移动焊枪开始下一层的成形，并同时打开X、Y、Z向的超声激振装置；8)重复步骤5)，6)，7)依次完成各层堆积成形，最后得到成形件。进一步，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，包括工作台(16)，基板(6)，用于将基板(6)固定在工作台(16)上的基板固定装置，以及X向超声激振系统、Y向超声激振系统和Z向超声激振系统；所述X、Y和Z向超声激振系统分别与基板(6)接触进行超声激振，同时向电弧形成的熔池处传递X、Y和Z向的超声高频能量波；所述基板固定装置通过硬质橡胶垫块将基板(6)压紧固定在工作台(16)上。

【技术特征摘要】
1.一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，包括工作台(16)，基板(6)，用于将基板(6)固定在工作台(16)上的基板固定装置，以及X向超声激振系统、Y向超声激振系统和Z向超声激振系统；所述X、Y和Z向超声激振系统分别与基板(6)接触进行超声激振，同时向电弧形成的熔池处传递X、Y和Z向的超声高频能量波；所述基板固定装置通过硬质橡胶垫块将基板(6)压紧固定在工作台(16)上。2.根据权利要求1所述的一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，所述基板固定装置包括多组相同的螺栓压紧机构，所述的硬质橡胶垫块包括第一硬质橡胶垫块(7)和第二硬质橡胶垫块(8)；螺栓压紧机构包括压板(9)、紧固螺栓(10)、紧固螺母和垫块(11)；紧固螺栓(10)的螺帽端固定在工作台(16)内，螺杆一侧开设有卡槽；卡槽与基板相邻侧面之间压紧设置第二硬质橡胶垫块(8)；紧固螺栓(10)穿过压板(9)于紧固螺母紧固配合，压板(9)的一端与基板表面之间压紧设置第一硬质橡胶垫块(7)，另一端通过垫块(11)压紧工作台(16)；基板固定装置通过硬质橡胶垫块固定基板后，基板的振动幅值最大不超过0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，X向超声激振系统包括X向超声激振装置和Y向运动机构(23)；所述X向超声激振装置包括第二激振端(22)、第二变幅杆(21)、第二换能器(20)和第二超声波发生器(19)；所述第二超声波发生器(19)与第二换能器(20)电连接，所述第二换能器(20)、第二变幅杆(21)和第二激振端(22)依次固定连接，且一起安装固定在Y向运动机构(23)上；第二激振端(22)与基板(6)平行于Y向的一边边缘接触，将X向高频超声振动能量传递给基板(6)，再由基板(6)传递给成形件(5)；所述Y向运动机构(23)用于调整第二激振端(22)的位置始终与电弧形成熔池的连线平行X轴方向。4.根据权利要求1所述的一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，Y向超声激振系统包括Y向超声激振装置和X向运动机构(24)；所述Y向超声激振装置包括第三激振端(25)、第三变幅杆(26)、第三换能器(27)和第三超声波发生器(28)；第三超声波发生器(28)与第三换能器(27)电连接，第三换能器(27)、第三变幅杆(26)和第三激振端(25)依次固定连接，且一起安装固定在X向运动机构(24)上；第三激振端(25)与基板(6)平行于X向的一边边缘接触，将Y向高频超声振动能量传递给所述基板(6)，再由基板(6)传递给成形件(5)；所述X向运动机构(24)用于调整第三激振端(25)的位置始终与电弧形成熔池的连线平行Y轴方向。5.根据权利要求1所述的一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，Z向超声激振系统包括Z向超声激振装置和固定装置；所述Z向超声激振装置包括第一激振端(12)、第一变幅杆(13)、第一换能器(14)和第一超声波发生器(15)；第一超声波发生器(15)与第一换能器(14)电连接，第一换能器(14)与第一变幅杆(13)和第一激振端(12)依次固定连接，且一起安装固定置在固定装置上；第一激振端(12)穿过工作台(16)与基板(6)的底部中心位置接触，将Z向高频超声振动能量传递给基板(6)，再由基板(6)传递给成形件(5)；所述固定装置将Z向超声激振装置固定在基板(6)的正下方。6.根据权利要求1所述的一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，其特征在于，还包括堆积后表面超声冲击系统和温度控制系统；所述堆积后表面超声冲击系统用于对堆积后的表面进行超声冲击处理；所述温度控制系统用于根据铝合金发生塑性变形温度区间中的一个预设定值，对每一层开始堆积后起点处的表面温度进行监测，当低于预设定值时，向堆积后表面超声冲击系统发出信号，开始对堆积后表面进行超声冲击。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢秉恒，方学伟，白浩，张丽娟，王缪乾，王常幸，赵纪元，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61