輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置製造方法
2023-05-27 16:22:46 2
輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於快速成型【技術領域】，特別涉及一種通過額外輔助加熱與超聲波焊接聯合實現金屬箔帶多層堆焊的方法。該方法通過對快速成型中的金屬箔或者基體材料預熱，利用外加熱場預熱軟化金屬箔或基體材料，並配以良好的氣體保護，然後在超聲波焊接功率受限的條件下增加金屬箔片的可焊厚度與寬度，進而實現金屬箔多層一次或者多層多次堆垛超聲波焊接，通過固相連接的方式形成三維固態塊狀實體。最後配以數控程序控制的機械加工平臺，實現所需要的零件的幾何特徵加工。用該方法成型金屬件具有成本低廉、效率高、組織緻密、無鑄態組織等優點，並可實現功能梯度材料的快速成型。
【專利說明】輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於快速成型【技術領域】，具體地說是一種利用輔助加熱的方法實現對快速成型中金屬箔或者基體材料的預熱，降低待焊材料的硬度，提高其超聲焊接性，然後在超聲波焊接功率受限的條件下利用超聲波焊接的方式製作金屬箔多層堆垛固相連接金屬塊狀實體，輔以機械加工，最終實現零件快速成型的輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置。
【背景技術】
[0002]增量製造技術也即快速成型技術，誕生於20世紀80年代後期，區別於利用車削銑磨等傳統加工方法的製造技術，是基於材料堆積法的一種高新製造技術，被認為是近20年來製造領域的一個重大成果。是基於材料累加原理的快速成型操作過程，實際上是逐層疊加製造零件，可以形象化理解成一整條麵包的結構是一片麵包落在另一片麵包之上一層層累積而成的。具有不受零件複雜程度限制，完全數位化控制等特點。製造出的零部件接近成品，只需要很少後期加工或者幾乎不需要後期加工。增量製造技術在鑄造、模具快速製造、微納結構快速製造以及生物製造等行業有著切實的應用前景。
[0003]超聲波金屬滾焊或者縫焊作為一種傳統的焊接方法，對同種材料或者異種材料間的焊接適用性較好，從宏觀形狀來說該方法又特別適合於金屬箔片之間的連接或者金屬箔片與厚板材料之間的連接。因此可以通過將多層箔片堆疊焊接在一起形成塊狀實體，然後通過機械加工實現特定幾何形狀零件的快速成型。
[0004]但是目前超聲波滾焊或者縫焊存在兩個致命的弱點，所以其應用前景有限。首先是超聲波發生器的功率太小，一般在5kW以下，這使得採用該方法可以連接的箔片厚度與寬度較小，一般在0.5mm以下，寬度在20mm以下。例如美國專利(US 20120061027 Al)設計了一個能夠利用雙超聲波發生器耦合進行焊接的系統總成，可以將兩個4.5kff的超聲波發生器組合在一起形成推-挽超聲波焊接設備，功率提高到9Kw，即使如此其焊接的有效箔片厚度也受到了一定的限制，一般是0.16mm的鎳、鋁及鈦等有色金屬箔。
[0005]其次，超聲波滾焊或者縫焊的材料適用性還有待提高，一些高硬度的材料，比如一些硬度比較高的不鏽鋼，採用超聲波焊接進行多層箔片堆疊的焊接過程無法實現。但是如果將鋼質箔片進行預熱後，鋼箔的硬度可以有極大地降低，在硬度降低的條件下，便可以採用超聲波焊接進行鋼質箔片的多層堆垛焊接。
[0006]綜上所述，受限於箔片厚度、寬度以及超聲波焊接適用範圍幾方面的影響，目前單純採用超聲波焊接進行快速成型在增量製造領域就效率和適用範圍來說，並沒有任何優勢。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提供一種成本低、效率高並且可製作組織緻密、無鑄態組織的基於箔帶連續堆積的快速成型方法及裝置。
[0008]為了達到上述目的，本發明通過對箔片或者基體進行有效預熱，軟化金屬，使其適於超聲焊接，有效地解決了目前超聲波焊接功率較低而導致的其可焊金屬箔的寬度和厚度受到限制，以及較硬金屬難以超聲波焊接等問題，提出了一種基於預熱與超聲波焊接結合的新型輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置。
[0009]本發明可以通過如下技術方案達到:
一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於通過額外輔助加熱與超聲波焊接結合實現金屬箔帶三維方向多層堆焊，具體為:通過對快速成型中的金屬箔或者基體材料預熱，利用外加熱場預熱並軟化金屬箔或基體材料後，在超聲波焊接功率受限的條件下增加金屬箔片的可焊厚度與寬度，改善材料之間的焊接結合質量，進而實現金屬箔多層一次或者多層多次有效堆疊的超聲波焊接，通過固相超聲焊接的方式形成三維固態塊狀實體，最後配以數控程序控制的機械加工平臺，實現所需要的零件的幾何特徵加工。
[0010]本發明採用多層箔帶超聲波焊接的方式完成三維固態塊狀實體的製備，金屬箔可以以多層豎排不交錯的方式連續堆積，也可以以多層豎排交錯堆積的方式進行連續堆積。
[0011]本發明所述輔助加熱式超聲快速成型方法中輔助加熱可以如下多種加熱方式之一:(I)採用在加工臺面下或者超聲壓頭內部放置電熱絲，通過電熱絲使金屬箔片或者基體金屬得到預熱；(2)由電磁感應加熱的方式提供，在超聲焊接壓頭前方安裝電磁線圈，通過感應加熱的方式實現對金屬箔和基體金屬的預熱；(3)由電阻縫焊滾輪在超聲焊接壓頭前滾壓，並且通電來進行預熱；(4)通過對金屬箔片進行通電，依靠金屬箔在通電狀態下的自身電阻產熱實現對金屬箔片的預熱；(5)採用TIG電弧對金屬箔或者基體金屬在超聲壓頭的前方進行預熱。
[0012]本發明中用於超聲快速成型的金屬箔或者基體材料根據不同的材質在焊接前預熱溫度可在50-500攝氏度之間。
[0013]本發明為了避免預熱對金屬箔或者基體金屬帶來的氧化，可以對預熱過程及超聲波焊接過程中操作區域進行實時通氣保護，一般所用氣體為氬氣、氦氣或者氮氣進行保護。
[0014]本發明在對金屬箔或者金屬基體的預熱同時，採用紅外測溫的方式進行實時監測與反饋，避免焊接過程成形成鑄態組織，保證整個焊接界面的固相連接特性。
[0015]本發明所述的輔助加熱式超聲快速成型方法及裝置，由於採用了超聲波焊接前預熱的方式，超聲滾焊或縫焊壓頭的寬度可以明顯增加，一般不大於30_，可單次焊接的金屬箔片厚度也可以明顯增加，一般不大於2mm，本發明中所採用的輔助加熱方式主要有電阻熱、電磁感應加熱或者電弧來提供，這幾種熱源均具有容易實現，裝置添加方便，對操作平臺的空間佔用小，熱量輸入控制方便等特點。快速成型過程中操作平臺和控制平臺的簡化意味著生產效率的提高。而且本發明中所採用的電阻熱或電磁感應等加熱方法所採用的設備投入低，並且可以實現流水線式加熱，因此非常適合零件快速成型的批量生產。
[0016]本發明還提出了一種用於實現上述輔助加熱式超聲快速成型方法的裝置，其特徵在於包括加熱單元、焊接單元以及分別與加熱單元和焊接單元相連接的控制單元，還設有與控制單元相連接的溫度檢測單元。
[0017]本發明在超聲快速成型的基礎上對金屬箔或者基體金屬材料輔助加熱，在相對金屬材料熔點較低的溫度下進行預熱，使待焊接材料的塑性提高，硬度降低，從而改善其超聲焊接性，在目前超聲功率受限制的情況下也能對較厚和較寬金屬箔進行超聲焊接。由於焊接過程中還是超聲固相連接起主要作用，而非金屬的熔化連接，層間結合以固相結合為主，排除了材料熔化形成的鑄態組織，因此結合質量較高。同時在本發明中，對快速成型區域進行了有效的惰性氣體保護，從而可以防止預熱導致的金屬材料表面氧化，進一步保證了結合質量。因此，採用本發明成型的零件強度高、組織緻密性好，並且可以實現多功能梯度零件的快速成型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]附圖1為本發明的操作示意圖。
[0019]附圖2為本發明採用電磁感應方式預熱時的操作示意圖。
[0020]附圖3為本發明採用電阻縫焊接單元預熱時的操作示意圖。
[0021]附圖標記:超聲滾壓焊接壓頭1、金屬箔2、加熱單元3、保護氣罩4、操作臺5、電磁線圈6、電阻縫焊單元7。
[0022]【具體實施方式】:
下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步的說明。
[0023]如圖1所示，本發明在快速成型開始前將金屬箔2放在操作臺5上，通過加熱單元3對待焊金屬材料進行預熱，同時通過保護氣罩4通入保護氣減少加工區域待焊金屬受熱氧化程度，隨後超聲滾壓焊接壓頭I對該層金屬箔2進行滾壓焊接，焊接完成後進行按相同步驟進行下一層焊接，從而實現在基板上的增量製造過程。
[0024]實施例1
如圖2所示，使用0.5mm厚的鋁箔在電磁感應加熱方式下進行超聲快速成型，先將第一層鋁箔放置在操作臺5上裝卡好，然後將一層鋁箔放置在第一層鋁箔上，利用超聲滾壓焊接對兩層鋁箔進行焊接，焊接過程中電磁線圈6 (加熱單元)通電，對正在焊接部位的鋁箔進行加熱，同時在超聲滾壓焊接壓頭I上施加壓力和超聲震動，使兩層鋁箔快速連接在一起，該層焊接完成後，再將下一層鋁箔放置好，按上面步驟進行循環焊接，最終得到快速成型的鋁零件。
[0025]實施例2
如圖3所示，使用0.4mm厚的鎳合金箔在4mm厚的鈦合金板上超聲快速成型，先將鈦合金裝卡在操作臺5上，然後將一層鎳合金放置在鈦合金板上進行超聲滾壓焊接，在超聲滾壓焊接壓頭I的前方安裝有電阻縫焊滾輪7(加熱單元)，利用小功率的電阻縫焊對鎳合金箔與鈦合金板進行碾壓預熱，隨後用超聲滾壓焊接完成最終連接，該層焊接完成後，再將下一層鎳合金箔放置好，按以上步驟進行循環焊接，最終得到快速成型的具有功能梯度的零件。
[0026]本發明與現有技術相比，由於採用了超聲波焊接前預熱的方式，超聲波焊接壓頭的寬度可以明顯增加，一般不大於30_，可單次焊接的金屬箔片厚度也可以明顯增加，一般不大於2mm，本發明中所採用的輔助加熱方式主要有電阻熱、電磁感應加熱或者電弧來提供，這幾種熱源均具有容易實現，裝置添加方便，對操作平臺的空間佔用小，熱量輸入控制方便等特點。快速成型過程中操作平臺和控制平臺的簡化意味著生產效率的提高。而且本發明中所採用的電阻熱或電磁感應等加熱方法所採用的設備投入低，並且可以實現快速精確加熱，因此非常適合零件快速成型的批量生產。
【權利要求】
1.一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於通過額外輔助加熱與超聲波焊接結合實現金屬箔帶三維方向多層堆焊，具體為:通過對快速成型中的金屬箔或者基體材料預熱，利用外加熱場預熱並軟化金屬箔或基體材料後，在超聲波焊接功率受限的條件下增加金屬箔片的可焊厚度與寬度，改善材料之間的焊接結合質量，進而實現金屬箔多層一次或者多層多次有效堆疊的超聲波焊接，通過固相超聲焊接的方式形成三維固態塊狀實體，最後配以數控程序控制的機械加工平臺，實現所需要的零件的幾何特徵加工。
2.根據權利要求1所述的一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於採用多層箔帶超聲波焊接的方式完成三維固態塊狀實體的製備，金屬箔以多層豎排不交錯的方式連續堆積，或以多層豎排交錯堆積的方式進行連續堆積。
3.根據權利要求1所述的一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於預熱操作通過以下多種加熱方式之一達到:(1)採用在加工臺面下或者超聲壓頭內部放置電熱絲，通過電熱絲使金屬箔片或者基體金屬得到預熱；(2)由電磁感應加熱的方式提供，在超聲焊接壓頭前方安裝電磁線圈，通過感應加熱的方式實現對金屬箔和基體金屬的預熱；(3)由電阻縫焊滾輪在超聲焊接壓頭前滾壓，並且通電來進行預熱；(4)通過對金屬箔片進行通電，依靠金屬箔在通電狀態下的自身電阻產熱實現對金屬箔片的預熱；(5)採用TIG電弧對金屬箔或者基體金屬在超聲壓頭的前方進行預熱。
4.根據權利要求3所述的一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於在焊接前金屬箔或者基體預熱溫度在50-500攝氏度之間。
5.根據權利要求4所述的一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於對預熱過程及超聲波焊接過程中操作區域進行實時通氣保護，所用氣體為氬氣、氦氣或者氮氣。
6.根據權利要求4所述的一種輔助加熱式超聲快速成型方法，其特徵在於在對金屬箔或者金屬基體的預熱同時，採用紅外測溫的方式對金屬箔或者金屬基體的溫度進行實時監測與反饋，避免焊接過程中形成鑄態組織，保證整個焊接界面的固相連接特性。
7.一種用於實現如權利要求1-6中任意一項所述輔助加熱式超聲快速成型方法的裝置，其特徵在於包括加熱單元、焊接單元以及分別與加熱單元和焊接單元相連接的控制單元，還設有與控制單元相連接的溫度檢測單元。
【文檔編號】B23K20/24GK103600166SQ201310627808
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】張洪濤, 常青, 馮吉才, 紀昂, 趙佔鋒, 劉積厚 申請人:哈爾濱工業大學（威海）