姚喆赫 1,2,3潘成颢 1,2,3迟一鸣 1,2,3陈健 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
超声复合激光制造技术通过施加外部超声以提升激光制造的加工能力与质量，已成为国内外研究热点。分析了当前超声复合激光制造技术涉及的耦合机理，并综述了超声在激光制造过程中的作用机制。根据超声振动模块与基体的接触模式将超声引入方式划分为固定接触式、移动接触式、非接触式，并分别阐述三种超声引入方式的优势与缺点。进一步，从增材、等材、减材制造三个方面全面讨论了不同超声引入方式和不同激光制造技术相结合的超声复合激光制造技术，探讨了不同复合制造技术的原理和技术特点，归纳了超声振动在激光制造过程中的影响规律。在当前研究进展基础上对超声复合激光制造技术的发展方向进行了展望。
激光制造 复合制造 超声振动 耦合机制 超声引入方式
石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
采用超声波辅助激光熔化沉积法制备SiCp/AlSi30复合材料, 研究SiC质量分数对铝基复合材料相组成、微观组织及力学性能的影响规律。当SiC的质量分数小于10%时, 液态铝合金与SiC颗粒之间未发生界面反应, 陶瓷颗粒保持原始的形态。当SiC的质量分数达到15%时, 部分SiC颗粒与熔融的铝合金反应形成了针状的Al4SiC4。SiC增强相的加入促进了硅相的非均匀形核, 导致初生硅尺寸的细化。由于高硬度增强相的加入和晶粒细化的共同作用, 质量分数10%碳化硅颗粒增强AlSi30复合材料的力学性能得到提高, 其显微硬度与未增强的AlSi30合金相比提高了25.3%。此外, 质量分数10% SiCp/AlSi30的摩擦因数和磨损率与超声波辅助激光熔化沉积法制备的纯AlSi30合金相比分别降低了19%和25%, 复合材料磨损性能得到提高。
激光熔化沉积 铝基复合材料 超声振动 碳化硅质量分数 laser metal deposition aluminum matrix composite ultrasonic vibration silicon corbide content
为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration, HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理, 借助COMSOL软件, 建立了激光微熔池模型, 开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算, 分析了超声空化效应和声流效应的产生条件, 并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明, 高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化, 温度场更加均匀, 有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生, 降低残余应力; 超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比, 超声加载位置每靠近熔池10 mm, 熔池声压增大2~3倍, 每增大4 μ倍的振动幅值, 熔池输入声压增大10 Pa; 超声振动对熔池主要起搅拌作用, 当振幅＞7 μm、加载位置到熔池距离＜60 mm时可产生声流效应, 距离＜15 mm时, 影响机制则以空化效应为主; 随着辅加超声振动场强度的增大, 焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势, 即组织随超声功率的增加逐渐细化。
COMSOL数值模拟 高频超声振动 振幅 熔池声压 微观组织 晶粒度 COMSOL simulation high-frequency ultrasound vibration (HFUV) amplitude acoustic pressure of the molten pool microstructure grain size
青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520
为提高传统激光熔覆涂层中的组织性能和整体质量，采用空载式超声振动辅助设备制备涂层。在45钢表面制备304L+La2O3涂层，分析研究了熔覆层的显微组织、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明：超声振动产生的空化效应以及声流作用能够使涂层晶粒更加细小，改善组织性能。施加超声后熔覆层硬度平均为758.2 HV，比无超声工艺提高了7.4%，摩擦因数和磨损量分别降低了6.5%和12.9%。
激光熔覆 超声振动 显微硬度 摩擦因数 磨损量 laser cladding ultrasonic vibration microhardness friction coefficient wear rate
1 浙江科技学院 机械与能源工程学院，浙江杭州30023
2 台州学院 航空工程学院，浙江台州318000
为解决现有医用钛合金接骨螺钉结构复杂、尺寸不一、表面毛刺较多等抛光难点，提出了一种新的抛光方法——滚筒式超声-磁流变复合抛光，并自主设计了滚筒式超声-磁流变复合抛光装置。该装置采用三磁极励磁结构的电磁铁励磁方式，通过理论计算与Maxwell仿真分析确定该励磁装置结构尺寸与线圈参数。搭建滚筒式超声-磁流变复合抛光实验平台，开展励磁电流单因素抛光实验，对抛光装置中磁流变液磁感应强度进行测试，并与仿真结果进行对比。当电磁铁励磁装置N极宽度为35 mm，线圈匝数为1 080匝，线径为1.25 mm时，可通入线圈的最大电流为5 A，抛光区域可形成良好的磁路特征，磁场分布可形成磁流变抛光区与磨粒更新区，磁流变抛光区磁感应强度最高可达0.57 T。滚筒内抛光区域磁流变液磁感应强度的测试值小于仿真值。抛光前后工件表面粗糙度变化率随励磁电流的增大先升高后降低，当电流为4 A时，表面粗糙度由1.39 μm降至0.435 μm，此时表面粗糙度变化率取得最大值68.7%。三磁极励磁结构的电磁铁励磁装置磁感应强度能够满足磁流变液在抛光时对磁场的要求，有效抛光区域较大。
磁流变抛光 励磁装置 超声振动 接骨螺钉 有限元 magnetorheological finishing excitation device ultrasonic vibration medical bone screws finite element analysis 光学 精密工程
2022, 30(18): 2219
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津300072
2 天津城建大学 理学院，天津300384
针对难加工的镍基高温合金小孔加工，设计了一种新颖的超声振动复合电火花小孔高速加工系统，该系统集成了电极超声振动、电极旋转和电极中心出水等功能，可方便地应用于其他电火花加工机床，并在镍基高温合金GH4099材料工件上开展了一系列小孔加工试验。通过改变加工电流和时间，对比材料去除率、电极损耗率和小孔形貌等指标。试验结果表明：超声振动复合加工在小电流加工时，可以有效地提升材料去除率，并减少相对电极损耗率。在同等条件下，当峰值电流为1 A时，使用该系统加工的孔深度较普通电火花加工的提升89.62%；当峰值电流为6 A时，相比于普通电火花加工材料去除率提升46.42%，相对电极损耗率减少了25.85%。该系统具有更稳定的加工过程，为难加工金属电火花精加工提供一种便利、高效的解决方案。
电火花加工 超声振动 GH4099 电极旋转 EDM ultrasonic vibration GH4099 tool electrode rotation 光学 精密工程
2022, 30(14): 1694
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
在超声振动打孔时, 微晶玻璃最大切深决定了孔壁表面质量。基于脆性断裂材料去除机理, 建立了简单实用的超声打孔材料去除率理论关系式, 得出影响表面质量的主要工艺参数为:金刚石粒径、刀具转速和进给速度。通过正交实验方法, 得到了微晶玻璃超声打孔的最佳工艺参数, 金刚石粒径650#、刀具转速12 000 rpm和进给速度5 mm/min。通过工艺参数优化后, 微晶玻璃打孔质量得到明显提升, 孔壁经过化学抛光处理后, 表面粗糙度Ra达到0.055 1 μm, 能有效提升激光陀螺腔体的真空特性和激光陀螺的性能。
超声振动 微晶玻璃 最大切深 表面粗糙度 表面质量 ultrasonic vibration ceramic glass max depth of the scratch surface roughness surface quality
辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州121001
该文提出了一种减小滚珠丝杠副摩擦力的超声振动减摩振子。将激振器与滚珠丝杠的螺母通过螺栓在法兰处相连，通过激发减摩振子的二阶扭转振动模态，实现对滚珠丝杠副的减摩。利用有限元分析软件对减摩振子进行模态分析并对激振器套筒长度、激振器法兰厚度及内孔直径进行正交试验，通过优选得到最佳组合并确定其主要结构尺寸,试制了样件。最后对减摩振子进行实验测试，验证了该减摩方法的可行性。
超声振动减摩 滚珠丝杠副 扭转模态 正交试验 ultrasonic vibration anti-friction ball screw pair torsional mode orthogonal experiment
为改进激光焊接质量，在1CR13不锈钢激光焊接过程中施加超声振动对焊接件进行跨态处理，通过焊缝组织观察和分析，研究超声振动对激光焊接影响的规律。试验结果表明，在超声振动作用下，焊缝与基体结合界面处柱状晶定向凝固受到影响，部分柱状晶结晶方向趋于杂乱，断面晶粒度随振动功率增加呈增大趋势，晶粒得到细化。结合金属凝固理论与超声空化理论，分析超声振动对焊接熔池作用的机理，认为超声振动产生的空化效应造成焊接熔池微区温度降低与局部高压，增加了熔体结晶驱动力，减小了凝固激活能，提高了形核率，得到了更加细密的组织。
激光焊接 超声振动 激光技术 凝固 laser welding ultrasonic vibration laser technology solidification
石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
采用超声波辅助激光熔化沉积法制备了Al-12Si试样, 研究了激光功率、扫描速度、扫描间距及超声波功率对沉积层致密度的影响规律, 采用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射技术和拉伸试验分析了工艺优化后沉积试样的微观组织和力学性能。结果表明, 沉积试样的致密度随着激光功率、超声波功率的增大而增大, 随着扫描速度、扫描间距的增加先增加后降低。当采用激光功率1 100 W、扫描速度6 mm/s、扫描间距1.0 mm、超声波功率1 000 W的工艺参数, 对同一沉积层进行两次相互垂直的扫描策略时, 能够获得沉积层致密度最高为99.1%的试样。此时沉积层中主要由晶粒尺寸为2.5~75 μm的α-Al固溶体和铝硅共晶两种组织构成。由于试件致密度的提高, 其抗拉强度和延伸率分别比无超声波下最优工艺试件提高了17%和53%。
激光熔化沉积 Al-12Si合金 超声振动 致密度 laser metal deposition Al-12Si alloy ultrasonic vibration density
