丝导超声激光复合增材修复装置及方法

2026-06-08 11:42:03

　　

　　本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种丝导超声激光复合增材修复装置及方法。

　　1、激光增材修复具有能量密度高、增材修复速度快、残余应力低、力学性能好等优点，在航空航天、武器制造、汽车制造等多个领域中有广泛的应用前景。然而，增材修复过程中激光束的高能量密度使得工件修复区发生熔化，因此不可避免地存在组织粗大问题；同时，熔化之后的快速凝固使得修复区内部易形成气孔缺陷，从而严重降低工件性能。

　　2、超声在液体中的空化效应和声流效应能够有效地促进熔体对流，从而有利于熔体中的气体排出，减小气孔缺陷；超声引起的过冷形核能够有效促进熔池晶粒的等轴化，从而细化修复区组织。因此超声辅助激光增材修复技术可有效改善修复区的组织性能。传统超声激光复合增材修复技术是将超声振动施加于工件，通过工件将机械振动传递到熔池之中。然而，由于超声能量在传递过程中存在耗散，因此超声输入功率通常较大，导致基材大范围的剧烈振动，产生熔滴飞溅，造成修复区成形困难。

　　3、由于熔池中物理与化学变化PG电子官网剧烈，如何在送丝环节施加超声振动以形成稳定可靠的超声辅助效果具有极大的挑战。公开号为cn113634763a的发明专利公开了一种与超声冲击复合的同轴送丝激光增材制造方法，该方法将丝材穿过超声换能器，如此，若超声与丝材之间的作用力较大，则导致送丝困难，反之则易导致丝材与超声装置无法稳定接触从而降低超声的传播效率。

　　1、为了克服以上现有技术存在的不足，本发明提供了一种丝导超声激光复合增材修复装置。此丝导超声激光复合增材修复装置可实现超声工具头与进给丝材之间的稳定、紧密接触，使超声能量有效导入熔池，达到避免飞溅、改善修复区组织性能的目的。

　　3、本发明的目的通过以下的技术方案实现：本丝导超声激光复合增材修复装置，包括工作台、激光增材修复机构和超声辅助送丝机构，所述激光增材修复机构安装于工作台的上方；所述超声辅助送丝机构包括超声设备、送丝导管、轴承法兰、送丝轮、升降组件、从动轮、主动轮和旋转电机，所述超声设备通过轴承安装于轴承法兰，所述送丝导管固定于轴承法兰，所述轴承法兰安装于升降组件；所述从动轮安装于超声设备的后端，所述旋转电机安装于升降组件，且所述旋转电机的动力输出轴通过主动轮与从动轮连接，所述送丝轮通过送丝座安装于升降组件，所述超声设备的变幅杆设有与丝材匹配的第一环槽，所述第一环槽与送丝轮形成被丝材穿过的送丝槽。

　　4、优选的，所述轴承法兰的上端设有安装槽，所述送丝导管通过箍筋固定于安装槽。

　　5、优选的，所述升降组件包括升降板、升降PG电子官网底座、电缸和升降电机，所述升降底座设置于工作台旁边，所述电缸和升降电机安装于升降底座，且所述电缸和升降电机连接，所述升降板安装于电缸的伸缩杆；所述旋转电机固定安装于升降板的后端，所述轴承法兰安装于升降板的前端。

　　6、优选的，所述升降板的前端设有条状的调节槽孔，所述轴承法兰的一端安装于调节槽孔；所述升降板的后端设有2排固定孔，所述旋转电机通过螺栓固定于相应的固定孔。

　　7、优选的，所述升降组件还包括滑轨，所述滑轨的上端和下端分别与升降板和升降底座连接。

　　8、优选的，所述送丝座的前设设有弧形槽，所述送丝轮通过转轴安装于弧形槽。

　　9、优选的，所述送丝轮的轮体设有第二环槽，所述第一环槽和第二环槽形用于夹持丝材的送丝槽。

　　10、优选的，所述激光增材修复机构包括激光器和保护气体喷管，所述激光器和保护气体喷管均安装于工作台的上方，且所述保护气体喷管位于激光器的侧边。

　　11、丝导超声激光复合增材修复方法，采用上述的丝导超声激光复合增材修复装置，包括以下步骤：

　　12、s1、将待修复工件固定在工作台上表面，调整激光器位置和角度，使激光器的聚焦点对准工件待增材修复位置，调整保护气体喷管，使喷嘴以合适的距离和角度对准待增材修复位置，编辑工作台程序，设置预定增材修复路径；

　　13、s2、调整通过升降组件调整超声设备的高度和水平位置，使送丝导管进给的丝材置于工件上表面光斑作用区，并以合适角度对准待增材修复位置；

　　14、s3、设置激光器的功率、激光器的离焦量、超声设备的振动频率、超声设备的空载振幅、电机的转速、工作台的移动速度和送丝速度；

　　15、s4、开通保护性气体，启动超声设备，接着激光器、旋转电机、送丝机和工作台同时启动，在激光增材修复的同时，旋转电机驱动超声设备转动配合送丝导管的送丝，在工作台的移动下沿预定路径进行增材修复；

　　16、s5、当本层增材修复结束后，激光器抬升向上移动一定距离，同时电缸通过升降板控制超声设备和送丝管抬升向上移动相等距离，重复s2-s4步骤，实现下一层增材修复。

　　17、优选的，在步骤s3中，功率为500-6000w，离焦量为-10～10mm，超声振动装置的频率为20-40khz，超声电源功率为1000w，空载振幅为10-40μm，旋转电机转速为5-50r/min，工作台带动工件移动速度为5-500mm/min。

　　19、1、本申请提出丝导超声激光复合增材修复新方法，利用超声设备端部工具头的侧面凹槽与送丝轮形成送丝槽，在增材修复过程中，进给丝材与超声工具头始终保持紧密接触，如此将超声能量通过丝材经由液桥直接导入熔池，既解决了传统超声激光复合时熔池金属飞溅严重的问题，又增强了超声对熔池形核和固态相变的作用效果，可获得常规激光修复区难以得到的成分均匀、近无气孔缺陷、高强高塑修复区，解决目前激光增材修复区组织粗大、易形成气孔缺陷的问题，可实现对损伤构件局部区域的高效率、高质量、精细化修复。

　　20、2、本申请提出的丝导超声激光复合增材修复装置，超声辅助送丝机构从机械形式上独立于激光器和机器人手臂，因此可以在不改装现有激光设备、不增加施工难度的前提下，通过在工作台旁单独增设超声辅助送丝机构，即可实现超声与激光的有效复合，因此装备简单、灵活性强，具有广阔的推广应用前景。

　　1.丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于，包括工作台、激光增材修复机构和超声辅助送丝机构，所述激光增材增材修复机构安装于工作台的上方；所述超声辅助送丝机构包括超声设备、送丝导管、轴承法兰、送丝轮、升降组件、从动轮、主动轮和旋转电机，所述超声设备通过轴承安装于轴承法兰，所述送丝导管固定于轴承法兰，所述轴承法兰安装于升降组件；所述从动轮安装于超声设备的后端，所述旋转电机安装于升降组件，且所述旋转电机的动力输出轴通过主动轮与从动轮连接，所述送丝轮通过送丝座安装于升降组件，所述超声设备的变幅杆设有与丝材匹配的第一环槽，所述第一环槽与送丝轮形成被丝材穿过的送丝槽。

　　2.根据权利要求1所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述轴承法兰的上端设有安装槽，所述送丝导管通过箍筋固定于安装槽。

　　3.根据权利要求1所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述升降组件包括升降板、升降底座、电缸和升降电机，所述升降底座设置于工作台旁边，所述电缸和升降电机安装于升降底座，且所述电缸和升降电机连接，所述升降板安装于电缸的伸缩杆；所述旋转电机固定安装于升降板的后端，所述轴承法兰安装于升降板的前端。

　　4.根据权利要求3所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述升降板的前端设有条状的调节槽孔，所述轴承法兰的一端安装于调节槽孔；所述升降板的后端设有2排固定孔，所述旋转电机通过螺栓固定于相应的固定孔。

　　5.根据权利要求3所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述升降组件还包括滑轨，所述滑轨的上端和下端分别与升降板和升降底座连接。

　　6.根据权利要求1所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述送丝座的前设设有弧形槽，所述送丝轮通过转轴安装于弧形槽。

　　7.根据权利要求1所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述送丝轮的轮体设有第二环槽，所述第一环槽和第二环槽形用于夹持丝材的送丝槽。

　　8.根据权利要求1所述的丝导超声激光复合增材修复装置，其特征在于：所述激光增材修复机构包括激光器和保护气体喷管，所述激光器和保护气体喷管均安装于工作台的上方，且所述保护气体喷管位于激光器的侧边。

　　9.丝导超声激光复合增材修复方法，其特征在于：采用权利要求1～7任意一条所述的丝导超声激光复合增材修复装置，包括以下步骤：

　　10.根据权利要求9所述的丝导超声激光复合增材修复方法，其特征在于：在步骤s3中，功率为500-6000w，离焦量为-10～10mm，超声振动装置的频率为20-40khz，超声电源功率为1000w，空载振幅为10-40μm，旋转电机转速为5-50r/min，工作台带动工件移动速度为5-500mm/min。

　　本发明公开了一种丝导超声激光复合增材修复装置及方法，修复装置包括工作台、激光增材修复机构和超声辅助送丝机构，激光增材增材修复机构安装于工作台的上方；超声辅助送丝机构包括超声设备、送丝导管、轴承法兰、送丝轮、升降组件、从动轮、主动轮和旋转电机，超声设备轴承安装于轴承法兰，送丝导管固定于轴承法兰，轴承法兰安装于升降组件；所述从动轮安装于超声设备的后端，旋转电机安装于升降组件，旋转电机的动力输出轴通过主动轮与从动轮连接，送丝轮通过送丝座安装于升降组件，超声设备的变幅杆与送丝轮形成被丝材穿过的送丝槽。本发明既解决了传统超声激光复合时熔池金属飞溅严重的问题，又增强了超声对熔池形核和固态相变的作用效果。

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