[发明专利]一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声焊接增材制造领域，特别涉及一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置及制造方法。

背景技术

増材制造(Additive Manufacturing，AM)技术俗称3D打印、快速原型制造(Rapid Prototyping)或者实体自由制造(Solid Free-form Fabrication)，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，被誉为制造领域的突破性成果。超声增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing，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。该技术通过金属箔片间的高频振动摩擦实现材料的高强度的原子间固相结合，同时配合精密的数控机械加工等减材制造技术实现零件的近净成形。

在实际应用中该技术存在以下缺陷：一是超声波发生器和换能器功率受限，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。其次，在现有设备功率的限制下，部分金属材料如铝、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。

综上所述，目前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和材料热传导方式以及散热条件的差异，超声増材制造零部件的结合质量和效率仍然制约着该技术的发展和应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置及制造方法，以达到促进金属箔带在结合界面处的原子扩散，以实现高效、优质、节能环保的超声波増材制造过程的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置，包括工作台，和位于工作台上的超声滚焊压头以及安装在所述超声滚焊压头两端的超声换能器一和超声换能器二，所述超声滚焊压头的后方设有扫描激光头和保护气装置，所述扫描激光头和保护气装置与超声换能器一和超声换能器二的水平进给速度相同，所述工作台上位于超声滚焊压头下方放置金属箔带，所述金属箔带侧面上方设有红外线测温仪，所述红外线测温仪通过控制系统与扫描激光头信号连接。

上述方案中，所述金属箔带包括铝、铜、镍、钛金属及其合金。

上述方案中，所述超声换能器一和超声换能器二的功率为4000W。

上述方案中，所述扫描激光头的激光发生器为1064nm波长的连续光纤激光器，最大功率为200W，光斑直径0.06mm，扫描激光头光斑辐射最大宽度为40mm。

一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置的制造方法，超声滚焊压头对放置在工作台上的金属箔带进行滚焊加工，扫描激光头对滚焊后的金属箔带进行二次固结，增加连接界面处扩散层厚度，改善叠层零件质量。

进一步的技术方案中，所述红外线测温仪通过控制系统来控制扫描激光头与金属箔带接触位置的温度。

进一步的技术方案中，所述金属箔带之间通过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成型，也可以为其他任意方式的层叠。

进一步的技术方案中，所述保护气装置对扫描激光头的加工区域进行气体保护。

通过上述技术方案，本发明提供的金属箔带的激光辅助超声增材制造装置及制造方法适用于铝、铜、镍、钛等金属材料及其合金材料的超声波焊接及快速成型制造，可在铝钛等材料超声増材制造后进行二次激光固结，增加连接界面处扩散层厚度，改善叠层零件质量，焊接过程仍以超声波能量为主要能源，金属箔带层间结合以固相连接为主，可应用于高强度、高致密性零件和复合材料、功能梯度材料的快速制备和成型。

本发明采用非接触式红外线测温仪与线性激光源建立闭环控制调节系统，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，保证了结合界面处的激光二次固结稳定性。

激光二次固结系统与超声波焊接控制系统通过上位机通讯，形成有机整体，具有高精度的协同性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种金属箔带的激光辅助超声增材制造装置结构示意图；

图2为图1的另一个角度示意图；

图3a、3b、3c为金属箔带之间的层叠方式示意图。