一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置，属于增材制造领域。超声波辅助激光沉积增材制造方法利用超声振动头对沉积熔池施加超声振动；使超声振动头跟随沉积熔池移动，保持超声振动头到沉积熔池的振动传导距离不变，在沉积熔池移动过程中，通过移动超声振动头并保持超声振动到沉积熔池的振动传导距离不变，使沉积熔池的振幅保持不变，进而使形成的沉积层均一性提高，质量稳定。超声波辅助激光沉积增材制造装置，利用激光头定位单元监测移动激光沉积头的位置并将激光头位置信号传递给同步控制器，同步控制器根据激光头位置信号控制振动头，保持振动头与沉积熔池在基板下板面上的投影的距离不变，从而使沉积熔池的振幅保持不变。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置
本专利技术属于增材制造
，更具体地说，是涉及一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置。
技术介绍
铝合金及其复合材料具有密度低、比强度高、耐磨性能好等优异的性能，被广泛应用于交通运输、航空航天、机械产品以及能源通讯等领域。随着铝合金及其复合材料构件向整体化、形状复杂化、薄壁化、高精度化等方向发展，传统的成形加工工艺，如铸造、挤压、锻造、焊接、机加工等技术具有一定的局限性，生产过程耗时耗力、效率低、甚至无法制造。因此，将激光增材制造技术用于成形复杂结构的铝合金及其复合材料零件，有望为大尺寸、复杂形状铝合金及其复合材料零件提供一种新的快速制备方法。激光熔化沉积技术是采用金属材料和激光束的同步输送，从而在基材上逐层沉积而形成零件。激光熔化沉积技术具有可将金属材料直接“近净成形”为金属零件，工序少，加工周期短；成形过程不需要采用铸造模具或锻造的大型锻压设备；沉积零件组织细小，力学性能优异；适合制备传统加工无法成形的小批量、复杂结构零件；可方便地同传统的加工技术及外场工艺复合，充分发挥各种技术的优势。铝合金及其复合材料由于具有对激光能量吸收率低、导热率高、易氧化、粉末流动性差等特点，使其采用激光增材成形具有很大挑战，导致有关铝合金及其复合材料激光增材制造技术的研究较少。此外，由于激光沉积试样熔池中的冷却特点，试样中的晶粒组织并不均匀，熔合区处的显微组织为连续外延生长的定向柱状晶组织，沉积层中上部组织逐渐转变为等轴晶；且保护气氛中的水分、合金粉末及基材表面氧化膜中吸附的水分在激光沉积时能分解形成氢气，氢在铝合金中的溶解度随温度的下降而降低，熔池中析出的气体来不及逸出，在沉积试样中形成气孔，进而影响试样的致密度。目前，现有的超声波辅助激光增材制造技术，可以改善金属材料增材制备中因气孔而存在的致密度低等问题，然而，实际采用现有的超声辅助激光增材制造设备进行测试的过程中发现，在基材的不同位置，沉积层质量不稳定，尤其在制备大尺寸零件时，沉积层组织分布不均一，整体力学性能较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，以解决现有技术中存在的现有的超声波辅助激光增材制造技术方法制作的零件不同位置的沉积层质量不稳定，尤其在制备大尺寸零件时，沉积层组织分布不均一，整体力学性能较差的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，包括：清理基材加工面；在所述加工面上形成沉积熔池；利用超声振动头通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；使所述沉积熔池移动，移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；所述沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。进一步地，所述使所述沉积熔池形成超声振动包括：利用超声振动头通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；所述使所述沉积熔池移动，并保持所述沉积熔池的振幅不变包括：使所述沉积熔池移动，移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变。进一步地，所述移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变包括：移动超声振动头并保持所述超声振动头与所述沉积熔池的相对位置保持固定。进一步地，在所述加工面上形成沉积熔池之前还包括：利用超声振动头通过振动传导使所述加工面形成超声振动；测量所述加工面待加工处的振幅，判断所述待加工处的振幅是否符合预定要求，若所述待加工处的振幅不符合预定要求，则调整所述超声振动头与所述沉积熔池之间的振动传导距离，以使所述待加工处的振幅符合预定要求。进一步地，在所述沉积熔池经过处冷却后形成沉积层之后，还包括：将所述沉积层的温度保持在预设范围内，利用所述激光沉积装置在所述沉积层上沿与所述沉积层的扫描路径不同的另一扫描路径沉积下一层沉积层。进一步地，所述基材为铸造铝合金构件，所述清理基材加工面包括：利用NaOH碱液清洗所述加工面，去除所述加工面上的氧化膜；清水冲洗所述加工面，除去NaOH碱液；利用HNO3酸溶液清洗所述加工面，除去残余的NaOH碱液；清水冲洗所述加工面，除去HNO3酸溶液；吹干所述加工面。进一步地，所述沉积熔池采用的沉积粉末为颗粒度为-100至+240目的铝硅合金粉末；或者所述沉积粉末为铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒混合成的复合粉末，所述复合粉末中，所述SiC陶瓷颗粒直径在60μm以下，质量百分含量大于0小于等于30％。进一步地，所述SiC陶瓷颗粒表面在1000至1200℃条件下氧化1至6小时，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Ni，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Cu处理。本专利技术提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的有益效果在于：本专利技术超声波辅助激光沉积增材制造方法，在沉积熔池移动过程中，通过移动超声振动头并保持所述超声振动到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变，进而使沉积熔池内熔液冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。本专利技术还提供一种应用以上超声波辅助激光沉积增材制造方法的超声波辅助激光沉积增材制造装置。一种超声波辅助激光沉积增材制造装置，包括：基板，固定于支架上，用于固定基材；激光沉积单元，具有位于所述基板上方的移动激光沉积头；激光头定位单元，设于所述支架上，用于监测所述移动激光沉积头在平行于所述基板的平面上的位置；平移机构，与所述支架连接，平移端在平行于所述基板的平面上平移；超声振动单元，具有设于所述平移端上并与所述基板下板面贴合的振动头；以及同步控制器，输入端与所述激光头定位单元的信号输出端电连接，输出端与所述平移机构电连接，用于根据所述激光头定位单元的移动激光沉积头位置信号控制所述平移端的平移。进一步地，所述激光头定位单元包括，多个激光发射端，位于所述移动激光沉积头一侧且沿平行于所述基板的直线排列；以及多个激光接收端，位于所述移动激光沉积头另一侧，沿平行于所述基板的直线排列并与所述激光发射端一一对应；多个所述激光发射端和多个所述激光接收端之间形成覆盖所述移动激光沉积头移动范围的检测区。进一步地，所述超声波辅助激光沉积增材制造装置还包括：升降机构，升降端在垂直于所述基板的方向上升降，所述平移机构设于所述升降端上；所述同步控制器的输出端与所述升降机构电连接用于控制升降端的升降。进一步地，所述升降机构包括：两个导杆，与所述支架连接，垂直于所述基板；升降台，位于所述基板下方，两端分别与两个所述导杆滑动连接，形成所述升降端；升降丝杠，与所述导杆平行设置，一端设有升降驱动电机；以及升降丝母，套设于所述升降丝杠外并与所述升降台连接；所述同步控制器的输出端与所述升降驱动电机电连接。进一步地，所述平移机构包括：横移导轨，设于所述升降端上，与所述基板平行；横移滑台，与所述横移导轨滑动连接，所述平移端设于所述横移滑台上；横移丝杠，设于所述升降端上并与所述横移导轨平行设置，一端设有横移驱动电机；以及横移丝母，套设于所述横移丝杠外并与所述横移滑台连接；所述同步控制器的输出端与所述横移驱动电机电连接。进一步地，所述平移机构包括：纵移导轨，设于所述横移滑台上，与所述基板平行；纵移滑台，与所述纵移导轨滑动连接，形成所述平移端；纵移丝杠，设于所述横移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于，包括：清理基材(8)加工面；在所述加工面上形成沉积熔池；利用超声振动头(5)通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；使所述沉积熔池移动，移动所述超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；所述沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。

【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于，包括：清理基材(8)加工面；在所述加工面上形成沉积熔池；利用超声振动头(5)通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；使所述沉积熔池移动，移动所述超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；所述沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。2.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述移动超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)到所述沉积熔池的振动传导距离不变包括：移动超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)与所述沉积熔池的相对位置保持固定。3.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：在所述沉积熔池经过处冷却后形成沉积层之后，还包括：将所述沉积层的温度保持在预设范围内，利用所述激光沉积装置在所述沉积层上沿与所述沉积层的扫描路径不同的另一扫描路径沉积下一层沉积层。4.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述基材(8)为铸造铝合金构件，所述清理基材(8)加工面包括：利用NaOH碱液清洗所述加工面，去除所述加工面上的氧化膜；清水冲洗所述加工面，除去NaOH碱液；利用HNO3酸溶液清洗所述加工面，除去残余的NaOH碱液；清水冲洗所述加工面，除去HNO3酸溶液；吹干所述加工面。5.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述沉积熔池采用的沉积粉末为颗粒度为-100至+240目的铝硅合金粉末；或者所述沉积粉末为铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒混合成的复合粉末，所述复合粉末中，所述SiC陶瓷颗粒直径在60μm以下，质量百分含量大于0小于等于30％。6.如权利要求5所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述SiC陶瓷颗粒表面在1000至1200℃条件下氧化1至6小时，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Ni，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Cu处理。7.一种超声波辅助...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洋，郭玉奇，杨绍普，齐海波，曹雅彬，赵晋津，刘永强，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北,13