本技术涉及高效激光加工，具体为一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置。
背景技术：
1、激光熔覆是一种新型表面加工与成形技术，利用高能量密度激光束辐照基材与粉末使其充分熔融，可获得高硬度、高耐磨性、抗腐蚀和抗高温氧化性能优良的熔覆层，被广泛应用于汽车制造、石油化工、航空航天及生物医学等领域。但在激光熔覆过程中，熔覆层在短时间内经历快速熔化和冷却，由于基材与粉末的膨胀系数不同，导致凝固后熔覆层内留存有较大的残余应力，而且快速冷却会导致熔池内合金元素分布不均匀，使熔覆层易出现裂纹、气孔等缺陷。
2、超声振动在细化晶粒、使组织均匀化、提高材料强度、增强材料塑性等方面作用显著，被广泛应用于涉及金属凝固的场合。目前，国内外已有不少学者和研究人员将超声振动作为一种新的辅助工艺引入到了激光熔覆领域。在激光熔覆过程中引入超声振动，可以引起熔池搅拌使其上下翻动，改变物质和热的传递及液态熔融材料的晶体生长和再结晶过程，从而细化晶粒，降低残余应力，抑制裂纹产生，加速气体排出，减少气孔产生，改善熔覆层组织与性能。超声辅助激光熔覆的作用主要体现在超声波在熔池中传播时产生的空化效应、声流效应、机械效应和热效应等。超声空化泡膨胀破裂会吸收周围热量，导致局部过冷度降低和形核速率增大，同时空化泡破裂产生强烈内部冲击，使已形成的大尺寸枝晶破碎，从而促进熔覆层晶粒细化且均匀分布。声流效应和机械效应可以加剧熔体内部液体搅拌和流动，均匀化晶粒和合金元素的分布。热效应会增强上述效应的作用。目前已有学者通过对基体与熔覆层元素的定量分析发现，引入超声可明显提高稀释率，使得基体材料与熔覆层材料混合更加均匀，可明显提高熔覆层与基体之间的结合强度；超声辅助激光熔覆能够促使熔覆层成分的均匀分布，有利于减小各部分之间由于凝固收缩不同而产生的凝固应力，从而抑制裂纹的生成。
3、但在实际操作过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：如采用超声辅助激光熔覆时，熔融基材与粉末的作用机制有欠考虑，未针对熔融基材与粉末作用机制选配超声施振方向、施振角度、施振距离等多种因素，导致熔覆层成形质量较差，机械性能有待提高。
技术实现思路
1、本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，解决现有超声辅助激光熔覆工艺的不足，提高熔覆层成形质量和机械性能。
2、本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，包括激光熔覆系统、第一超声振动冲击系统、第二超声振动冲击系统和固定夹具，所述激光熔覆系统与第一超声振动冲击系统通过所述固定夹具连接在一起，所述第二超声振动冲击系统包括振动板，所述振动板用于放置基材，所述第一超声振动冲击系统与激光熔覆系统均设置在所述基材的上方，所述第一超声振动冲击系统作用于熔覆层形成的垂直方向，所述第二超声振动冲击系统作用于所述熔覆层形成的平行方向。
3、在一些实施例中，所述第一超声振动冲击系统包括第一超声波发生器、第一换能器、第一变幅杆和振子，所述第一超声波发生器通过第一线缆电性连接所述第一换能器，所述第一变幅杆连接在所述第一换能器的端部，所述振子连接在所述第一变幅杆上。
4、在一些实施例中，所述第二超声振动冲击系统还包括第二超声波发生器、第二换能器和第二变幅杆，所述第二超声波发生器通过第二线缆连接所述第二换能器，所述第二换能器的端部连接所述第二变幅杆，所述第二变幅杆连接所述振动板。
5、在一些实施例中，所述固定夹具包括夹具主体、蜗杆转接机构、第一偏转机构和第二偏转机构，所述蜗杆转接机构设置在所述夹具主体上，所述第一偏转机构连接所述蜗杆转接机构，所述第二偏转机构连接所述第一偏转机构，所述第一偏转机构的偏转轴线平行于所述第二转接机构的偏转轴线。
6、在一些实施例中，所述蜗杆转接机构包括蜗轮和蜗杆轴，所述蜗轮转动连接在所述夹具主体上，所述蜗杆轴滑动设置在所述夹具主体上，所述蜗杆轴靠近所述蜗轮的侧壁沿自身轴向开设有螺旋齿槽，所述蜗轮适配在所述螺旋齿槽内，所述蜗杆轴的侧壁固定有滑块，所述滑块滑动适配于所述夹具主体，所述滑块连接所述第一偏转机构。
7、在一些实施例中，所述第一偏转机构包括第一偏转体和第一偏转柱，所述第一偏转柱固定连接所述滑块，所述第一偏转体通过第一偏转轴铰接在所述第一偏转柱上，所述第一偏转体连接所述第二偏转机构。
8、在一些实施例中，所述第二偏转机构包括第二偏转柱和第二偏转体，所述第二偏转体通过连杆连接所述第一偏转体，所述第二偏转柱通过第二铰接轴转动连接所述第二偏转体，所述第二偏转柱固定有第二抱箍，所述第一超声振动冲击系统装夹在所述第二抱箍上。
9、在一些实施例中，所述夹具主体上转动连接有第三偏转柱，所述第三偏转柱上固定有第一抱箍，所述激光熔覆系统装夹在所述第一抱箍上。
10、本实用新型的有益效果是：
11、1、由于采用双超声耦合辅助的新方法，对熔融粉末与基材从多方向、多角度、多距离等进行冲击作用，利用超声效应使激光熔覆时熔池均以细小等轴晶为界面进行形核凝固，有效解决了现有外场辅助激光增材制造为单一的以增加液态熔池流动为目的、导致对粗大柱状晶难于调控的不足，从而控制粗大柱状晶形成，使晶粒细化，获得细小致密的微观组织且减少成形残余应力，使超声冲击部位得以强化。
12、2、由于将激光熔覆系统和第一超声振动冲击系统通过固定夹具连接在一起，可以保证熔覆过程超声振动与激光熔覆的同步性及时效性。同时固定夹具可使第一超声振动冲击系统在x、y、z方向上自由调节，以满足超声施加角度、距离、方向等要求。
13、3、考虑了熔融基材与粉末在超声波施加下的作用机制，但对激光熔覆过程中的所用的基体及粉末没有限制。
14、4、结构简单，操控灵活，环保高效的辅助激光熔覆的装置方法，具有很强的工程应用价值。
1.一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，包括激光熔覆系统（1）、第一超声振动冲击系统、第二超声振动冲击系统和固定夹具（7），所述激光熔覆系统（1）与第一超声振动冲击系统通过所述固定夹具（7）连接在一起，所述第二超声振动冲击系统包括振动板（11），所述振动板（11）用于放置基材（13），所述第一超声振动冲击系统与激光熔覆系统（1）均设置在所述基材（13）的上方，所述第一超声振动冲击系统作用于熔覆层（12）形成的垂直方向，所述第二超声振动冲击系统作用于熔覆层（12）形成的平行方向。
2.根据权利要求1所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述第一超声振动冲击系统包括第一超声波发生器（2）、第一换能器（3）、第一变幅杆（4）和振子（5），所述第一超声波发生器（2）通过第一线缆（6）电性连接所述第一换能器（3），所述第一变幅杆（4）连接在所述第一换能器（3）的端部，所述振子（5）连接在所述第一变幅杆（4）上。
3.根据权利要求2所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述第二超声振动冲击系统还包括第二超声波发生器（8）、第二换能器（9）和第二变幅杆（10），所述第二超声波发生器（8）通过第二线缆（14）连接所述第二换能器（9），所述第二换能器（9）的端部连接所述第二变幅杆（10），所述第二变幅杆（10）连接所述振动板（11）。
4.根据权利要求1所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述固定夹具（7）包括夹具主体（71）、蜗杆转接机构、第一偏转机构和第二偏转机构，所述蜗杆转接机构设置在所述夹具主体（71）上，所述第一偏转机构连接所述蜗杆转接机构，所述第二偏转机构连接所述第一偏转机构，所述第一偏转机构的偏转轴线平行于所述第二偏转机构的偏转轴线。
5.根据权利要求4所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述蜗杆转接机构包括蜗轮（72）和蜗杆轴（73），所述蜗轮（72）转动连接在所述夹具主体（71）上，所述蜗杆轴（73）滑动设置在所述夹具主体（71）上，所述蜗杆轴（73）靠近所述蜗轮（72）的侧壁沿自身轴向开设有螺旋齿槽，所述蜗轮（72）适配在所述螺旋齿槽内，所述蜗杆轴（73）的侧壁固定有滑块（74），所述滑块（74）滑动适配于所述夹具主体（71），所述滑块（74）连接所述第一偏转机构。
6.根据权利要求5所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述第一偏转机构包括第一偏转体（75）和第一偏转柱（76），所述第一偏转柱（76）固定连接所述滑块（74），所述第一偏转体（75）通过第一偏转轴（77）铰接在所述第一偏转柱（76）上，所述第一偏转体（75）连接所述第二偏转机构。
7.根据权利要求6所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述第二偏转机构包括第二偏转柱（78）和第二偏转体（79），所述第二偏转体（79）通过连杆连接所述第一偏转体（75），所述第二偏转柱（78）通过第二铰接轴（80）转动连接所述第二偏转体（79），所述第二偏转柱（78）固定有第二抱箍（81），所述第一超声振动冲击系统装夹在所述第二抱箍（81）上。
8.根据权利要求7所述的一种考虑粉末与基材作用机制的超声辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述夹具主体（71）上转动连接有第三偏转柱（82），所述第三偏转柱（82）上固定有第一抱箍（83），所述激光熔覆系统（1）装夹在所述第一抱箍（83）上。
