一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，尤其是涉及一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置及方法。

背景技术

金属熔丝增材制造技术是一种高效率、低成本、适合制造大型构件的增材制造方法，其常见的方法有TIG电弧熔丝增材制造、等离子弧熔丝增材制造、激光熔丝增材制造以及CMT增材制造等，其制造原理即是根据所需，选择金属丝材，通过热源将丝材熔化从而实现增材制造过程。这类方法获得的构件组织通常为粗大的铸态枝晶组织/枝晶以及等轴晶混合组织，呈现出明显的各向异性，这些问题严重影响了构件的使用安全与寿命。因此如何解决构件组织粗大/各向异性等问题，备受广大学者关注。

促进形核是细化晶粒的有效途径之一，即，采用一定的方法，在熔丝增材制造凝固过程中增加形核质点即可达到细化组织的目的。目前，常用的方法是通过添加外来形核质点、振动破碎枝晶的方式来增加熔池凝固过程中的形核质点。通过在熔覆层表面预涂敷细化剂粉末的方式，将适量的细化剂粉末引入金属熔池，在熔池凝固过程中，增加形核质点，从而达到细化晶粒的目的。这种方法虽然能够对构件组织起到一定的细化作用，但是不足之处也极为显著。如，很难获得均匀的细化剂涂敷，依靠熔池自身流动很难将细化剂在熔池内部均匀分散，因此很难获得整体细化的构件组织。又如采用振动破碎熔池凝固过程中产生的枝晶，增加形核质点，但是这种方式的冲击频率较低，不能使凝固过程中的熔池均受振动作用，同时亦不能有效的将形核质点均匀的分散在熔池内部，并且现有的超声的方式，都是固定不动的，超声细化效果不好，因此有必要设计一种全新的金属熔丝增材制造中晶粒细化装置来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置及方法，超细超声机构能够紧随液态熔池移动，将超声高效的引入液态熔池，超声作用效率更加高，对熔池的作用效果也更加均匀。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置，包括增材制造工作平台、工件平台、支架、送丝机构、焊接机构、随动机构和超细超声机构，所述的支架固定在增材制造工作平台上，在支架上安装丝杆，所述丝杆由电机电动，在丝杆上配合两个丝母，其中一个是焊接丝母，一个是随动丝母，所述的工件平台设置在增材制造工作平台的中心处，所述焊接机构包括焊枪、焊接夹具和焊接电源，所述的焊接夹具固定在焊接丝母上，所述的焊枪安装在焊接夹具的下端，所述的焊接电源为焊枪供电，所述的随动机构包括随动夹具、连接板和伸缩调节机构，所述的随动夹具固定在随动丝母上，所述的伸缩调节机构固定在随动夹具的下端，所述的连接板连接伸缩调节机构和超细超声机构，所述的超细超声机构和送丝机构布置在焊枪的两侧，所述超细超声机构包括依次连接的超细超声工具头、变幅杆和换能器，所述换能器与超声电源连接，增材制造时，工件平台配合向下运动。

进一步的，所述伸缩调节机构包括套筒、上连接座、下连接座和压缩弹簧，所述上连接座与套筒的上端连接，所述下连接座与套筒的下端连接，所述压缩弹簧设置在套筒内，且压缩弹簧的上端套设在上连接座上，下端套设在下连接座上，所述上连接座与随动夹具固定连接，所述下连接座与连接板连接。

进一步的，所述超细超声工具头包括一体连接的连接段和超声输出段，所述连接段呈圆台状，且连接段的大径端与变幅杆连接，连接段的小径端与超声输出段连接，所述超声输出段为圆柱状结构，超声输出段的直径为10mm，超声输出段的端部为拇指状。

进一步的，所述送丝机构包括送丝机、送丝管、送丝嘴和送丝夹具，所述送丝管安装在送丝机上，所述的送丝嘴安装在送丝管的末端，所述送丝嘴通过送丝夹具固定在焊枪上。

进一步的，在所述支架上安装两个平行布置的导杆，两个导杆分别设置在丝杆的上方和下方，所述焊接夹具和随动夹具安装在两个导杆上。

进一步的，在换能器和变幅杆之间设有与连接板连接的法兰。

进一步的，所述焊接夹具、随动夹具和送丝夹具为虎钳或三爪卡盘结构。

进一步的，所述工件平台为XYZ高精密移动平台。

进一步的，所述焊接电源为激光器、CMT电源或GTAW电源；所述焊枪为激光焊枪、CMT焊枪或GTAW焊枪。

一种利用上述装置来晶粒细化的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据实际需求选择焊接热源，确定焊丝直径、焊接速度、送丝速度、焊接电源输出能量焊接参数；

步骤二、根据所选焊接热源以及焊接参数，以焊接热源中心为起点，设定焊接热源与超细超声工具头之间的距离；

步骤三、调整工件平台使待加工工件定位在待加工位置处；

步骤四、启动电机带动丝杆旋转，丝杆通过各自的夹具带动超细超声工具头和焊枪同步移动，即超细超声工具头移动速度与焊枪焊接速度相同，通保护气，同时开启送丝机、焊接电源和超声电源，工件平台配合运动，增材开始；

步骤五、增材开始后形成熔池，超声将会通过超细超声工具头传入熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；

步骤六、待所需构件完成时，先关闭送丝机构，然后同时关闭超声电源与焊接电源，增材工作结束。

相对于现有技术，本发明所述的一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置及方法具有以下优势：

本申请通过采用自主设计的超细超声工具头，能够紧随液态熔池移动，将超声高效的引入液态熔池，超声作用效率更加，对熔池的作用效果也更加均匀，通过超声空化与声流效应能够破碎枝晶、增加熔池流动，增加形核几率，均匀的细化构件组织。能够极大的改善构件性能，为获得更高性能的构件起到了极大的推动，为今后新型高性的增材制造技术开发提供一定技术储备。

本申请提出超细超声工具头，适用于多种热源，如，激光、等离子弧、TIG弧以及CMT等，极大的提高了装置的适用范围，在同步超声的作用下构件的气孔、应力分布均会得到改善。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置的主视图；

图2为本发明实施例所述的一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置的俯视图；

图3为本发明实施例所述的一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置的侧视图；

图4为本发明实施例所述的一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置的立体结构示意图；

图5为伸缩调节机构的结构示意图；

图6为超细超声工具头的结构示意图。

附图标记说明：

1-增材制造工作平台，2-焊接电源，3-焊枪，4-工件平台，5-送丝机构，501-送丝机，502-送丝管，503-送丝嘴，504-送丝夹具，6-超细超声工具头，601-连接段，602-超声输出段，7-变幅杆，8-换能器，9-超声电源，10-伸缩调节机构，11-连接板，12-支架，13-丝杆，14-焊接夹具，15-随动夹具，16-法兰，17-套筒，18-压缩弹簧，19-上连接座，20-下连接座，21-导杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图6所示，一种金属熔丝增材制造中晶粒细化装置，包括增材制造工作平台1、工件平台4、支架12、送丝机构5、焊接机构、随动机构和超细超声机构，所述的支架12固定在增材制造工作平台1上，在支架12上安装丝杆13，所述丝杆13由电机电动，在丝杆13上配合两个丝母，其中一个是焊接丝母，一个是随动丝母，所述的工件平台4设置在增材制造工作平台1的中心处，所述焊接机构包括焊枪3、焊接夹具14和焊接电源2，所述的焊接夹具14固定在焊接丝母上，所述的焊枪3安装在焊接夹具14的下端，所述的焊接电源2为焊枪3供电，所述的随动机构包括随动夹具15、连接板11和伸缩调节机构10，所述的随动夹具15固定在随动丝母上，所述的伸缩调节机构10固定在随动夹具15的下端，所述的连接板11连接伸缩调节机构和超细超声机构，所述的超细超声机构和送丝机构5布置在焊枪3的两侧，所述超细超声机构包括依次连接的超细超声工具头6、变幅杆7和换能器8，所述换能器8与超声电源9连接，在换能器8和变幅杆7之间设有与连接板11连接的法兰16，增材制造时，工件平台4配合向下运动。

所述伸缩调节机构10包括套筒17、上连接座19、下连接座20和压缩弹簧18，所述上连接座19与套筒17的上端连接，所述下连接座19与套筒17的下端连接，所述压缩弹簧18设置在套筒17内，且压缩弹簧18的上端套设在上连接座19上，下端套设在下连接座20上，所述上连接座19与随动夹具15固定连接，所述下连接座20与连接板11连接。伸缩调节机构10使工具头滑动表面发生变化，仍能使工具头与滑动表面紧密接触，且不影响工具头滑动，从而保证超声能够稳定的传入熔池；同时，伸缩链接与伸缩链接移动平台，协同作用能够使得工具头在不同热源下，仍能紧密作用于熔池后。

所述超细超声工具头6包括一体连接的连接段601和超声输出段602，所述连接段601呈圆台状，且连接段601的大径端与变幅杆7连接，连接段601的小径端与超声输出段602连接，所述超声输出段602为圆柱状结构，超声输出段602的直径为10mm，如此细的超声输出段602可保证结构质量，同时还能较高效的传输超声，超声输出段602的端部为拇指状，拇指状能够保证工具头更好的在构件表面滑动，不卡滞。

本申请在金属熔丝增材制造中采用自主设计的超细超声工具头，将超声高效引入液态熔池，通过超声空化与声流效应能够破碎枝晶，增加形核几率，细化晶粒。这种自主设计的超细超声工具头紧随固液界面移动，能够高效的将超声引入液态熔池，能够保证超声均匀地作用于每一层熔覆层，构件体积的变化不会影响超声对熔池的作用效果。本发明能够极大的改善金属熔丝增材制造构件的组织与性能。

所述送丝机构5包括送丝机501、送丝管502、送丝嘴503和送丝夹具504，所述送丝管502安装在送丝机501上，所述的送丝嘴503安装在送丝管502的末端，所述送丝嘴503通过送丝夹具504固定在焊枪3上。送丝机可以按照所需设定任意的送丝速度与丝材直径，送丝嘴可以实现任意的送丝角度匹配。

在所述支架12上安装两个平行布置的导杆21，两个导杆21分别设置在丝杆13的上方和下方，所述焊接夹具14和随动夹具15安装在两个导杆21上，焊接夹具14和随动夹具15在导杆21上滑动布置。

焊接夹具14、随动夹具15和送丝夹具504为虎钳或三爪卡盘结构。

增材制造工作平台1承重不小于1000千克，工件平台4为XYZ高精密移动平台，可进行X轴、Y轴和Z轴方向的移动。

所述焊接电源2为激光器、CMT电源或GTAW电源；所述焊枪3为激光焊枪、CMT焊枪或GTAW焊枪。根据所选焊接方法，在采用CMT方法时，送丝机构5将停用，将采用CMT方法自带的送丝机构；在采用激光与GTAW方法时，需送丝机构5提供金属丝，金属丝过渡方式通常为桥落过渡，送丝角度，由送丝嘴503与送丝夹具504确定，调节范围0-180°，调节精度1°，激光焊枪与GTAW焊枪距工件表面的距离由工件平台4调节，调节精度±0.01mm；

本申请的超细超声工具头6的端部与热源中心的距离可调，调节范围为0-50cm，调节精度为±0.01mm。

一种利用上述装置来晶粒细化的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据实际需求选择焊接热源，热源为电弧、等离子弧或激光，确定焊丝直径、焊接速度、送丝速度、焊接电源2输出能量焊接参数；

步骤二、根据所选焊接热源以及焊接参数，以焊接热源中心为起点，设定焊接热源与超细超声工具头6之间的距离；这里面激光能量最为集中，其次时GTAW焊接，最后是CMT焊接，能量集中意味着热源对超细超声工具头6的影响相对要小，所以热源中心距超声工具头距离要小，同时焊接速度也是影响二者距离的原因之一，随速度的增大，距离可相对减小；

步骤三、调整工件平台4使待加工工件定位在待加工位置处；

步骤四、启动电机带动丝杆13旋转，丝杆13通过各自的夹具带动超细超声工具头6和焊枪3同步移动，即超细超声工具头6移动速度与焊枪3焊接速度相同，这意味超细超声工具头6与热源中心的距离将会保持恒定，根据实验需求设定送丝速度，在CMT焊接中，送丝速度由CMT焊机决定，激光与GTAW焊接时送丝速度由送丝机构5决定，通保护气，同时开启送丝机501、焊接电源2和超声电源9，工件平台4配合运动，增材开始；

步骤五、增材开始后形成熔池，超声将会通过超细超声工具头6传入熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；

步骤六、待所需构件完成时，先关闭送丝机构5，然后同时关闭超声电源9与焊接电源2，增材工作结束。

根据实际焊接质量选择超声电源9的参数，超声参数主要包括超声功率与超声频率，超声功率调节范围为0-5000W，超声频率调节范围为20kHz-100kHz，超声电源1提供的超声电信号经换能器8转换，电信号转变成超声频的机械振动，变幅杆7能够放大机械振动的振幅，最终放大后的超声由超细超声工具头6下端面发出。在增材过程中，超细超声工具头6发出的超声将会传入到液态熔池中，且传入的距离恒定，保证了超声对熔池的作用是均匀的，超声在液态熔池中会产生声空化与声流效应，在熔池凝固过程中声空化与声流效应具有破碎枝晶、促进抑制形核的作用，从而能够细化构件的显微组织，进而改善构件性能。

该方法还适用于金属熔化焊领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。