一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于増材制造技术领域，公开了一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，包括滚焊压头、与滚焊压头连接的第一超声换能器和第二超声换能器、设置在滚焊压头运动方向上的扫描激光头、除尘装置和保护气喷嘴，第一超声换能器和第二超声换能器安装在滚焊压头两侧形成推挽式结构，扫描激光头预热和处理待焊接面。本技术方案在超声换能器功率受限的条件下扩展可焊材料的三维规格，改善相邻材料的材料层间的结合质量，有效避免快速成型过程中铸态组织的产生，保证结合界面处的固相连接特征，提升快速成型效率。

【技术实现步骤摘要】
一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置
本专利技术属于増材制造
，涉及一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置。
技术介绍
増材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术诞生于20世纪80年代后期，俗称3D打印、快速原型制造(RapidPrototyping)或者实体自由制造(SolidFree-formFabrication)，其技术核心是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，被认为是近20年来制造领域的重要成果。AM技术从根本上改变了传统的机械制造方式，采用层叠堆积的方式实现了零件的“自由制造”和“近净成形”，解决了复杂结构零件的加工难度和制造成本，极大地提高了制造效率和加工精度，在航空航天、快速模具制造以及生物医学材料领域取得了广泛的应用，并且其发展前景极为广阔。基于金属超声波焊接的超声增材制造(UltrasonicAdditiveManufacturing，UAM)技术，于1999年由密西根大学进行成果转化并成立公司，在经历不断的技术更新后，在铝、铜、镍、钛等多种金属及合金中的增材制造中取得了广泛的应用。UAM原理为：通过两层金属箔片间的高频振动摩擦，在此作用下，金属表面的氧化物和杂质得到有效的清理，纯净的金属箔片在超声波的能量辐射作用下实现了高强度的焊接作用，两层金属片间达到原子间的连接，同时配合精密的数控机械加工，层层叠加，周而复始，最终实现近净成形的増材制造目的。目前超声波増材制造技术在实际应用中存在以下致命缺陷：一是超声波换能器功率受限，单个换能器功率一般在6kw以下且价格昂贵，可连接箔片厚度较小，一般在0.5mm以下且宽度不超过20mm；在现有设备功率的限制下，部分金属材料如铜等导热系数较大，在超声波焊接过程中易产生能量不足，连接强度下降的现象。因此，现有的超声波増材制造技术主要受限于换能器最大功率和材料本身的热力学性质，由于材料热导率和散热条件的差异，现有的辅助加热方式并不能快速有效解决现有技术的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述技术问题，提供一种基于金属箔带的快速、高效、连接强度高的超声波焊接和快速增材制造装置。通过线性激光束对金属箔片和基体进行有效预热和激光清理，补充増材制造过程的热量不足和散热损失，使金属箔产生一定程度的软化；同时线性激光束还可以对金属箔片表面的氧化层和杂质进行有效清理，进而有效提升材料连接质量和快速成型效率，有效地避免阻热方式和感应加热的热量分布不均问题，解决目前影响超声波焊接和快速増材制造过程中效率问题，摆脱可焊金属箔的规格限制(厚度和宽度)，克服导热系数较大的金属在焊接过程中的不良焊接和接头质量低等问题。通过额外的辅助能量补充和表面清理实现快速、高质量的基于金属箔带的超声波快速増材制造本专利技术可以通过如下技术方案实现：一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，包括滚焊压头、与滚焊压头连接的第一超声换能器和第二超声换能器、设置在滚焊压头运动方向上的扫描激光头、除尘装置和保护气喷嘴，第一超声换能器和第二超声换能器安装在滚焊压头两侧形成推挽式结构，扫描激光头预热和处理待焊接面。扫描激光头包括第一扫描激光头和第二扫描激光头，扫描激光头发出激光束，第一扫描激光头发出第一激光束，第二扫描激光头发出第二激光束，激光束预热和处理待焊金属箔带的待焊接面和/或前次完成焊接的金属箔带的待焊接面。预热方式为激光束辐射式，预热温度范围为50～1000℃。预热方式有以下几种：(1)扫描激光头位于滚焊压头与箔带材料正前方，对箔带材料进行预热和清理；(2)扫描激光头位于滚焊压头与箔带材料正前方，对基体进行预热和清理；(3)扫描激光头位于滚焊压头与箔带材料正前方，分别对箔带材料和基体同时进行预热和清理。激光束预热部位距离箔带焊接结合部位距离为5～20mm，第一激光头和第二激光头的速率与超声增材制造速率相同。箔带材料的层叠方式为并列平铺多层叠加或垂直平铺多层叠加。基于箔带状材料实现复合结构、叠层、梯度复合零件的超声波快速増材制造，箔带材料的层叠方式可以为任意方式，通常采用并列平铺多层叠加和垂直平铺多层叠加的方式进行连续堆积叠焊成型。还包括非接触式红外线测温仪，非接触式红外线测温仪与扫描激光头的激光源建立闭环控制调节系统，监控箔带和基体温度。实时、快速、有效的对待焊金属箔带和基体进行温度监控，有效避免快速成型过程中铸态组织的产生，保证结合界面处的固相连接特征。扫描激光头的激光光源是波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光器，激光脉冲宽度为200ns，激光脉冲频率和宽度可调，聚焦后光斑直径为0.05mm。扫描激光头的激光光源为1064nm的连续光纤激光器。除尘设备使用惰性气体对激光预热和清理部位进行保护，同时对激光清理过程中气化后的杂质和氧化物进行除尘处理，防止夹杂在箔带材料层间造成夹杂，影响増材制造零件的质量。优选地，惰性气体为氩气或氮气。本技术方案通过激光束对超声増材制造过程中的填充材料和基体材料待焊接部位的预热和激光清理作用，软化材料并在焊接前去除材料表面的氧化膜和杂质，在超声换能器功率受限的条件下扩展可焊材料的三维规格(厚度和宽度)，改善相邻材料材料层间的结合质量，有效避免快速成型过程中铸态组织的产生，保证结合界面处的固相连接特征，提升快速成型效率，通过多次往复滚焊固结，形成三维固态实体，配合高精度数控机械加工平台，获得具有设计几何特征的零件，在铝、铜、镍、钛等金属材料复杂叠层零部件的超声波快速増材制造领域具有广泛的应用前景。本技术方案对于导热系数较大的有色金属材料进行预热和清理效果优良，焊接过程中的主要能源为超声波能量，金属箔带层间结合多为固相连接，可应用于高强度、高致密性叠层零件和复合叠层材料、功能梯度材料的快速制备和成型。附图说明图1：本专利技术激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置示意图；图2：本专利技术激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型过程金属箔带材料同向并列层叠；图3：本专利技术激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型过程金属箔带材料垂直方向层叠；图4：本专利技术激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型过程金属箔带材料同向交错层叠。其中：1.第一超声换能器；2.滚焊压头；3.除尘设备；4.箔带材料；5.第一激光束；6.第一扫描激光头；7.第二扫描激光头；8.保护气喷嘴；9.第二激光束；10.工作台；11.基体材料；12.第二超声换能器。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术所述的一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置做进一步的说明。如图1-4所示，本专利技术增材制造过程在工作台10上完成，在每一层箔带材料滚焊前将填充箔带材料4叠放在基体11上表面，开启激光发生器和超声波发生器的电源，在超声波滚焊压头2増材制造开始的同时第一扫描激光头6发射第一激光束5、第二扫描激光头7发射第二激光束9，分别或同时作用于填充箔带材料4和基体材料11的图示位置，对其进行加热和清理，氩气等惰性气体通过保护气喷嘴8对激光预热和激光清理后的部位进行保护防止二次氧化，同时可将激光清理过程中产生的烟尘、颗粒等吹离待焊接区域，并通过除尘设备3进行回收，防止造成环境污染。去除氧化膜和表面杂质且受热软化后的填充箔带材料4在超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其特征在于：包括滚焊压头、与滚焊压头连接的第一超声换能器和第二超声换能器、设置在滚焊压头运动方向上的扫描激光头、除尘装置和保护气喷嘴，第一超声换能器和第二超声换能器安装在滚焊压头两侧形成推挽式结构，扫描激光头预热和处理待焊接面。

【技术特征摘要】
1.一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其特征在于：包括滚焊压头、与滚焊压头连接的第一超声换能器和第二超声换能器、设置在滚焊压头运动方向上的扫描激光头、除尘装置和保护气喷嘴，第一超声换能器和第二超声换能器安装在滚焊压头两侧形成推挽式结构，扫描激光头预热和处理待焊接面。2.根据权利要求1所述的一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其特征在于：扫描激光头包括第一扫描激光头和第二扫描激光头，扫描激光头发出激光束，第一扫描激光头发出第一激光束，第二扫描激光头发出第二激光束，激光束预热和处理待焊金属箔带的待焊接面和/或前次完成焊接的金属箔带的待焊接面。3.根据权利要求2所述的一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其特征在于：预热方式为激光束辐射式，预热温度范围为50～1000℃。4.根据权利要求2所述的一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其特征在于：激光束预热部位距离箔带焊接结合部位距离为5～20mm。5.根据权利要求2所述的一种激光辅助加热和即时清理式超声波快速成型装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，张洪涛，桑健，金伟，朱训明，高丙路，王云峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，威海万丰镁业科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37