超声冲击-超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了超声冲击

【技术实现步骤摘要】
超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法


[0001]本专利技术涉及增材制造装置和方法，具体涉及超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置及加工方法。

技术介绍

[0002]等离子弧增材制造以联合型或转移型等离子弧为热源，采用合金粉末或丝材为填充金属，有效地将堆焊金属和基体金属熔化结合，形成高密度、高结合度、低稀释率的堆焊组织结构，从而实现增材制造。具有熔覆效率高、成形件冶金结合性好、设备运行成本低、在制造中大型复杂构件方面潜力大的特点。
[0003]目前，等离子弧增材制造技术在金属成形的控形及控性方面仍存在着较大的不足。等离子弧增材制造是一种逐层堆叠的加工模式，由于加工过程的热积累作用，使得先成形部分产生一定的温度梯度，令其内部产生残余应力，导致成形件产生翘曲变形现象；而且先成形部分的热积累量不断变化，熔池的凝固时间增加，流动性增强，极易在焊缝边缘处产生“塌陷”现象；容易导致成形件晶粒粗化，组织往往出现不均匀的现象，而且在熔合线附近的凝固组织容易长成粗大柱状晶；此外，等离子弧增材制造过程中，熔池凝固速度快，使得气体不能及时溢出，导致气孔增多而降低整体成形件的力学性能。为此，若能在成形过程中及时地对其进行加工处理，可以大幅度改善产品的力学性能，提升制造精度。
[0004]针对上述问题，专利CN106735967A公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，该方案对熔池同步施加非接触式超声振动以实现晶粒细化，同时使刀头以高频冲击熔覆层表面以提高熔覆层尺寸精度，降低残余应力，细化表面晶粒。该专利仍存在以下问题：1)该方案的超声振动辅助电弧增材制造设备结构复杂，操作步骤繁琐，学习成本高；2)刀头对熔覆层表面的强化及光整加工处理与电弧增材制造工艺是交替进行的，工序复杂，影响生产效率。
[0005]专利CN111590189A公开了一种焊接增材随超声冲击装置及操作方法，该方法将随焊冲击应用到增材分层制造，进行应力释放，并细化晶粒，而且减小了超声振子随焊移动摩擦和偏摆，可以稳定超声处理过程。该专利的不足在于采用单向式堆积方式，由于熄弧端相对于中间稳定段略低，且随着堆积层数增加累积，差异逐渐放大，会影响增材过程的稳定性，甚至导致息弧处的塌陷。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对现有电弧增材制造中存在着残余应力积累导致成形件翘曲变形，性能降低，以及热积累量变化导致焊缝边缘“塌陷”，使得增材成形件的层数与高度受限的技术问题，本专利技术提供了一种超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置，将超声振动由钨极直接作用到等离子弧与熔池，促进熔池金属的流动性，破碎晶粒使其细化，同时使用超声冲击装置对刚成形、处于软化状态的部分进行表面处理，使其塑性变形，提高熔覆层尺寸精度，此外还可以降低其残余应力，细化晶粒；此外，本专利技术还提供了该装置的加工方法。
[0007]技术方案：本专利技术所述的超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置，包括等离子弧增材制造装置、超声辅助装置、第一机械臂、超声冲击装置、定位夹具和第二机械臂；所述等离子弧增材制造装置与超声辅助装置固定连接，等离子弧增材制造装置安装于第一机械臂，第二机械臂通过定位夹具连接超声冲击装置。
[0008]进一步地，所述等离子弧增材制造装置包括等离子焊机、焊枪、送丝机、气罐和工作台，气罐、等离子焊机、焊枪和送丝机依次相连，工作台设于焊枪的正下方；焊枪包括枪体外壳、离子气送气管、保护气送气管、进水管、出水管、钨极和喷嘴。
[0009]进一步地，所述超声辅助装置包括依次相连的超声波发生器、换能器、变幅杆、耦合接头和固定装置，超声辅助装置通过固定装置连接焊枪，变幅杆通过耦合接头连接钨极，可以保证焊枪的装配精度和钨极的对中性，提高同轴超声辅助等离子增材制造过程的稳定性。所述换能器与变幅杆连接后的整体叫做超声振子，再利用耦合接头将变幅杆与钨极牢固连接为一个整体，组成超声振动系统。
[0010]超声辅助装置的工作原理为：将电能通过换能器转换成超声振动形式机械能，再利用变幅杆放大超声振动，通过耦合接头传递到等离子焊枪的钨极，并通过钨极末端的等离子弧将超声振动引入熔池，在超声能场的作用下，熔池金属的组织成分以及流动性均发生变化。
[0011]进一步地，所述超声冲击装置包括依次连接的超声波发生器、冲击头和压力调节仓体，压力调节仓体的内部设置有恒力装置、滑台和滑轨，恒力装置包括支座、芯轴、恒力弹簧以及滚珠轴承，恒力装置及冲击头分别与滑台两面固定，恒力弹簧为阿基米德螺线型，其预力行程短，伸长超过预力行程后，所有行程中均保持恒定的弹力，用于为超声冲击装置提供恒定的预设压力，也可以使冲击头复位；恒力装置可以通过更换恒力弹簧为超声冲击装置提供不同的预设压力；压力调节仓体夹持于定位夹具内，通过第二机械臂带动冲击头移动，第二机械臂可控制冲击头的移动轨迹；通过上下位移控制压力调节仓体与冲击头的相对位置，进而控制恒力弹簧伸长超过预力行程，为超声冲击装置提供稳定的预设压力。
[0012]进一步地，所述定位夹具包括固定装置、底座、移动夹具、导向轴、定位弹簧和定位螺栓，定位夹具通过定位螺栓和定位弹簧调节并固定两个移动夹具的相对位置，并有刻度尺保证调节精度，可保证定位夹具的平衡和稳定性，提高超声冲击过程的稳定性，并且，定位夹具可以精确调节并固定超声冲击装置的相对位置，可以实现随焊冲击，并且对每一层刚成形、处于软化状态的熔覆层表面进行反复高频冲击，不仅提高了工作效率，还可以提高增材成形件尺寸精度，降低残余应力，改善力学性能。
[0013]本专利技术所述的超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置的加工方法包括以下步骤：
[0014]1)前期安装：先进行等离子弧增材制造装置与超声辅助装置的搭建的搭建，再进行焊枪与第一机械臂的安装，最后进行超声冲击装置、定位夹具和第二机械臂的安装，即完成超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置的安装；
[0015]2)调试：调节冲击头与焊枪的相对位置和角度，保持在同一条直线上，开启装置，将轨迹程序输入到控制第一机械臂和第二机械臂的控制器中，完成调试；
[0016]3)同轴超声辅助增材：设置工艺参数，超声辅助装置与等离子弧增材制造装置同时进行工作，通过超声振子将超声振动引入等离子弧与熔池中，通过第一机械臂控制焊枪
按照预设的增材轨迹进行增材制造；
[0017]4)超声冲击：设置超声参数，超声冲击装置同时与等离子弧增材制造装置开启，通过第二机械臂使得超声冲击装置分别在焊枪前进方向的前后两侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，对刚成形、处于软化状态的熔覆层进行反复高频冲击；
[0018]5)后续处理：关闭装置，等待增材成形件冷却，增材制造过程结束。
[0019]进一步地，步骤3)中，优化焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、离子气流量)与超声参数(频率、振幅、功率)，达到耦合匹配，以确保焊接过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声冲击
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超声场辅助等离子弧增材制造装置，其特征在于，包括等离子弧增材制造装置(1)、超声辅助装置(2)、第一机械臂(3)、超声冲击装置(4)、定位夹具(5)和第二机械臂(6)；所述等离子弧增材制造装置(1)与超声辅助装置(2)固定连接，等离子弧增材制造装置(1)安装于第一机械臂(3)，第二机械臂(6)通过定位夹具(5)连接超声冲击装置(4)。2.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述等离子弧增材制造装置(1)包括等离子焊机(11)、焊枪(12)、送丝机(13)、气罐(14)和工作台(15)，气罐(14)、等离子焊机(11)、焊枪(12)和送丝机(13)依次相连，工作台(15)上方分别设置有第一机械臂(3)以及第二机械臂(6)。3.根据权利要求2所述的制造装置，其特征在于，所述焊枪(12)包括枪体外壳(121)、离子气送气管(122)、保护气送气管(123)、进水管(124)、出水管(125)、钨极(126)和喷嘴(127)。4.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述超声辅助装置(2)包括依次相连的超声波发生器(21)、换能器(22)、变幅杆(23)、耦合接头(24)和固定装置(25)。5.根据权利要求4所述的制造装置，其特征在于，所述超声辅助装置(2)通过固定装置(25)连接焊枪(12)，通过耦合接头(24)使变幅杆(23)与钨极(126)耦合，将超声能场由钨极(126)引入等离子弧与熔池，实现同轴超声辅助等离子弧增材制造。6.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述超声冲击装置(4)包括依次连接的超声波发生器(41)、冲击头(46)和压力调节仓体(42)，压力调节仓体(42)的内部设置有恒力装置(43)、滑台(44)和滑轨(45)，恒力装置(43)包括支座(431)、芯轴(432)、恒力弹簧(433)以及滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：浦娟，饶嘉威，李瑞峰，刘昊东，盛婕，张超，胥国祥，陈书锦，夏忠秋，
申请(专利权)人：浙江永旺焊材制造有限公司扬州明弘机械有限公司，
类型：发明
国别省市：