[发明专利]多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的方法

说明书

本发明提供一种多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置和方法，在电弧形成熔池处不仅引入三个方向的超声耦合作用，而且采用基板固定装置通过硬座橡胶垫块实现对基板的固定。三个方向的高频超声搅拌和基板微小高频振动的综合作用促使金属熔体流动，干预材料结晶过程，重新形成细小均匀的晶粒，促进溶解在熔体中气体的析出，降低增材制造成形件孔隙率，提高成形件的力学性能。对刚堆积后形成的表面易塑性变形的区域进行超声冲击处理，可以在成形过程中，实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，并且在表面形成残余压应力，提高成形件的疲劳强度，可以有效控制增材制造过程中的变形。最终实现对CMT铝合金增材制造目标零件的高质量成形。

技术领域

本发明涉及CMT铝合金增材制造领域，具体为多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的方法。

背景技术

CMT（冷金属焊接）增材制造技术是一种将金属CMT焊接技术与快速成形离散堆积原理结合起来的快速成形技术，通过三维实体扫描或直接建模获得目标零件的三维CAD实体模型，将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理，以电弧作为热源将金属丝材熔化，按既定的成形路径堆积成形每一薄层，层层堆积最终形成三维实体零件的先进制造技术。CMT增材制造技术可以完成大型金属结构件的高效、低成本快速成形制造，在航空、航天、船舶、汽车行业有很大的产业化应用前景，在2025智能制造国家战略中扮演着重要角色。

铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好、成本低等一系列优点，在20世纪初期就已经是航空工业中应用最广泛的材料之一了。目前CMT增材制造铝合金技术虽然取得了一定的成就，但是在实际应用方面中仍有不少问题。主要表现在工艺方面，CMT增材制造大型铝合金结构件的过程中，由于温度梯度大，造成残余应力大，造成成形件变形过大，使得成形过程不能继续。另外CMT增材制造铝合金存在着诸多微观组织缺陷如气孔、晶粒大小不均匀、微裂纹等，这都是造成成形件的力学性能差的原因。鉴于上述原因，极大的影响了CMT铝合金增材制造的进一步产业化应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的方法，所用到的装置结构独特，设计合理，使用方便，效果明显，不仅可以细化成形件的晶粒降低成形件孔隙率，而且能够实时降低刚堆积完成位置处的残余应力，有效控制增材制造过程中的变形。

本发明是通过以下技术方案来实现：

多超声辅助增强CMT铝合金增材制造成形质量的装置，包括工作台，基板，用于将基板固定在工作台上的基板固定装置，以及X向超声激振系统、Y向超声激振系统和Z向超声激振系统；

所述X、Y和Z向超声激振系统分别与基板接触进行超声激振，同时向电弧形成的熔池处传递X、Y和Z向的超声高频能量波；

所述基板固定装置通过硬质橡胶垫块将基板压紧固定在工作台上。

优选的，所述基板固定装置包括多组相同的螺栓压紧机构，所述的硬质橡胶垫块包括第一硬质橡胶垫块和第二硬质橡胶垫块；

螺栓压紧机构包括压板、紧固螺栓、紧固螺母和垫块；紧固螺栓的螺帽端固定在工作台内，螺杆一侧开设有卡槽；卡槽与基板相邻侧面之间压紧设置第二硬质橡胶垫块；紧固螺栓穿过压板于紧固螺母紧固配合，压板的一端与基板表面之间压紧设置第一硬质橡胶垫块，另一端通过垫块压紧工作台；基板固定装置通过硬质橡胶垫块固定基板后，基板的振动幅值最大不超过0.5mm。

优选的，X向超声激振系统包括X向超声激振装置和Y向运动机构；

所述X向超声激振装置包括第二激振端、第二变幅杆、第二换能器和第二超声波发生器；所述第二超声波发生器与第二换能器电连接，所述第二换能器、第二变幅杆和第二激振端依次固定连接，且一起安装固定在Y向运动机构上；第二激振端与基板平行于Y向的一边边缘接触，将X向高频超声振动能量传递给基板，再由基板传递给成形件；