本實用新型屬于激光增材制造領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種用于激光增材制造的超聲波輔助成形裝置，通過外加超聲波來改善激光增材制造熔池內(nèi)部質(zhì)量并減少其內(nèi)應(yīng)力。

背景技術(shù)：

激光增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)中的一種）作為鑄造鍛壓焊接等現(xiàn)有材料加工技術(shù)的重要補(bǔ)充在復(fù)雜結(jié)構(gòu)高性能金屬零件的快速成形與修復(fù)方面發(fā)揮著重要作用。近20年來成為國際材料加工工程與先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域前沿研究熱點(diǎn)方向之一。目前國內(nèi)外研究學(xué)者針對鈦合金、高溫合金、合金鋼、難熔合金等金屬材料的激光增材制造的裝備、工藝、組織和性能開展了大量的研究工作，實現(xiàn)了鈦合金等材料的實際裝機(jī)應(yīng)用。

然而，在激光增材制造成形過程中，材料的熔化、凝固和冷卻都是在較快的條件下進(jìn)行的，熔池內(nèi)部存在復(fù)雜的物理化學(xué)與冶金反應(yīng)，這使得成形工件容易出現(xiàn)氣孔夾雜融合不良以及宏觀變形開裂和微裂紋等質(zhì)量缺陷。此外，由于成形方法造成的局部加熱和應(yīng)力分布不均勻?qū)е伦罱K的組織存在較重的微觀偏析和特殊的界面結(jié)構(gòu)，對成形件的力學(xué)性能也會產(chǎn)生一定影響。

由此可見，為了將激光增材制造技術(shù)真正有效地應(yīng)用與金屬加工領(lǐng)域，迫切地需要在成形過程尋找新的行之有效的輔助成形方法，以此減少激光成形金屬件冶金缺陷、晶粒粗大等問題，進(jìn)而提高其力學(xué)性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本實用新型提供一種用于激光增材制造的超聲波輔助成形裝置，減少激光增材制造成形件內(nèi)部的氣孔、微觀偏析、開裂等缺陷，同時可以細(xì)化晶粒，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的成形件。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

一種用于激光增材制造的超聲波輔助成形裝置，包括主要由雙支撐轉(zhuǎn)臺和加工臺構(gòu)成的精密雙軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，設(shè)置于加工臺上的支撐緊固基座，安置于支撐緊固基座上的帶有凹槽的模具，穿過所述加工臺和支撐緊固基座設(shè)置并與模具底部連接的超聲波裝置，安置于所述模具上的凹槽內(nèi)的基板，以及位于基板上方的送粉噴嘴。

其中，所述超聲波裝置包括依次連接的超聲波發(fā)射器、超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波振動桿，所述超聲波變幅桿固定于所述加工臺上，所述超聲波振動桿穿過所述支撐緊固基座并與所述模具底板連接，所述超聲波換能器穿過所述加工臺與所述超聲波變幅桿連接，所述超聲波發(fā)射器通過線纜與超聲波換能器連接。

具體地，所述基板與所述模具上的凹槽相匹配。

進(jìn)一步地，所述模具上還設(shè)有用于限定基板的壓塊。

作為優(yōu)選，所述模具為普通模具、水冷銅模具或鋁制加熱模具。

更具體地，所述水冷銅模具包括帶有凹槽的銅模，設(shè)置于銅模內(nèi)部的加工串聯(lián)孔，與加工串聯(lián)孔連通的水管，以及與水管連接并與水管和加工串聯(lián)孔共同構(gòu)成水冷循環(huán)的水冷機(jī)。

更具體地，所述鋁制加熱模具包括帶有凹槽的鋁模，彎曲地埋置于鋁模內(nèi)部的管狀電熱元件，以及與管狀電熱元件連接的溫控器。

其中，所述溫控器控制管狀電熱元件的溫度范圍為150～500℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：

（1）本實用新型利用超聲波振動傳遞至基板，使之產(chǎn)生共振，從而在激光增材制造過程的激光作用下形成的熔池內(nèi)部進(jìn)行超聲振動攪拌，產(chǎn)生空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，改善層與層之間的結(jié)合狀態(tài)，減少成形件內(nèi)部氣孔和微觀偏析的形成概率，同時細(xì)化晶粒并減少殘余應(yīng)力，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的成形件，并且本實用新型設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，實用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景，適合推廣應(yīng)用。

（2）本實用新型提出在精密雙軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行超聲波輔助激光增材制造，利用該精密雙軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)與傾斜，可以對更為復(fù)雜的成形工件進(jìn)行超聲波輔助激光增材制造。

（3）本實用新型提供了普通、預(yù)熱和預(yù)冷三種模具，并基于此構(gòu)成三種加工模式，從而對成形過程中的冷卻速度進(jìn)行控制，豐富了熔池內(nèi)部質(zhì)量控制的研究手段，同時也為非晶材料、定向凝固等材料的激光增材制造提供新途徑。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型中水冷銅模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實用新型中鋁制加熱模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，本實用新型的實施方式包括但不限于下列實施例。

實施例

如圖1至圖3所示，該用于激光增材制造的超聲波輔助成形裝置，包括主要由雙支撐轉(zhuǎn)臺2和加工臺3構(gòu)成的精密雙軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，設(shè)置于加工臺上的支撐緊固基座7，安置于支撐緊固基座上的帶有凹槽的模具8，穿過所述加工臺和支撐緊固基座設(shè)置并與模具底部連接的超聲波裝置，安置于所述模具上的凹槽內(nèi)的基板9，以及位于基板上方的送粉噴嘴11；

其中，所述超聲波裝置包括依次連接的超聲波發(fā)射器1、超聲波換能器4、超聲波變幅桿5和超聲波振動桿6，所述超聲波變幅桿通過外環(huán)法蘭盤固定于所述加工臺上，所述超聲波振動桿穿過所述支撐緊固基座并與所述模具底板連接，所述超聲波換能器穿過所述加工臺與所述超聲波變幅桿連接，所述超聲波發(fā)射器通過線纜與超聲波換能器連接。

具體地，所述基板與所述模具上的凹槽相匹配。進(jìn)一步地，所述模具上還設(shè)有用于限定基板的壓塊。

作為優(yōu)選，所述模具為普通模具、水冷銅模具或鋁制加熱模具。

更具體地，所述水冷銅模具包括帶有凹槽的銅模14，設(shè)置于銅模內(nèi)部的加工串聯(lián)孔，與加工串聯(lián)孔連通的水管13以及與水管連接并與水管和加工串聯(lián)孔共同構(gòu)成水冷循環(huán)的水冷機(jī)12。

更具體地，所述鋁制加熱模具包括帶有凹槽的鋁模16，彎曲地埋置于鋁模內(nèi)部的管狀電熱元件17，以及與管狀電熱元件連接的溫控器15。其中，所述溫控器控制管狀電熱元件的溫度范圍為150～500℃。

基于上述構(gòu)造，本實用新型還提供了該用于激光增材制造的超聲波輔助成形裝置的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

（1）裝配：設(shè)置精密雙軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺使加工臺保持平穩(wěn)，將超聲波裝置和支撐緊固裝置固定在加工臺上，在支撐緊固裝置上安置模具并將之與超聲波裝置內(nèi)的超聲波振動桿緊固連接，在模具的凹槽內(nèi)安置與之匹配的基板，并使用壓塊將之固定；

（2）啟動超聲波裝置，使產(chǎn)生的超聲波直接輸入到基板中，調(diào)節(jié)超聲波裝置使之產(chǎn)生的超聲波頻率與所述基板的固有頻率接近，并使基板在超聲波作用下產(chǎn)生共振，找到其共振的諧振點(diǎn)，可以在熔池內(nèi)部產(chǎn)生高頻振動進(jìn)行攪拌；

（3）將送粉噴嘴移動到基板上方的一定位置，開啟激光增材制造設(shè)備，在數(shù)控狀態(tài)下完成產(chǎn)品10的制造；

（4）產(chǎn)品制造完成后，關(guān)閉超聲波裝置。

進(jìn)一步地，所述模具的不同設(shè)置還配置有對應(yīng)的加工模式：

當(dāng)所述模具為水冷銅模具時，加工模式為預(yù)冷模式，在步驟（1）中安置水冷銅模具，并使之與超聲波振動桿緊固連接；在步驟（2）啟動超聲波裝置前，先開啟水冷機(jī)，設(shè)置預(yù)冷溫度，待水冷循環(huán)穩(wěn)定后再啟動超聲波裝置；

當(dāng)所述模具為鋁制加熱模具時，加工模式為預(yù)熱模式，在步驟（1）中安置鋁制加熱模具，并使之與超聲波振動桿緊固連接；在步驟（2）啟動超聲波裝置前，先通過溫控器設(shè)置預(yù)熱溫度，并在模具溫度穩(wěn)定后再啟動超聲波裝置。

上述實施例僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，但凡采用本實用新型的設(shè)計原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動而作出的變化，均應(yīng)屬于本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。