CN110640294B - 一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法，该装置为一套异形静止轴肩体，包括搅拌头、静置轴肩体及模具，搅拌头外侧同轴套装有静置轴肩体，静置轴肩体与模具配合安装。采用该模具经过多次径向增材，获得所需的增材制造零件。增材制造过程中加入超声以及辅热等辅助工艺来保证增材制造零件的性能。在半固态下，超声的空化作用会细化晶粒，形成超细晶/纳米晶材料；在固态下，超声不仅可促进原子扩散能力，还能降低残余应力，利于获得高承载力的增材结构。同时，对于金属基复合材料的增材制造，超声的加入还可促进材料间的剧烈混合，避免在增材过程中出现偏析现象。

Description

一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法。

背景技术

随着工程技术的不断发展，传统的车、铣、刨、磨等减材制造方法已不再满足一些工程的需求。因此，增材制造技术应运而生。增材制造技术是在一定温度和压力条件下，实现材料逐步堆积的过程，是一种从无到有的制造技术。目前，增材制造技术大多采用的是材料挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积。但是，在材料先熔化再固化的过程中，增材制造生产的产品表面或内部容易产生气孔等缺陷。为了解决上述缺陷，许多学者对增材制造技术提出改进方法。其中，以搅拌摩擦焊为代表的固态连接技术应用于增材制造中，彻底解决增材制造过程中，因材料熔化造成的气孔等缺陷。搅拌摩擦焊技术不仅能实现金属材料的增材制造，而且可以实现复合材料的增材加工。

中国发明专利CN 107378229 A公布一种采用搅拌摩擦焊实现复合材料增材制造的方法。该专利中，将增材制造的原材料放置于特定的夹具中，搅拌头通过该夹具预留的矩形槽孔对原材料加工，实现单层的增材制造。重复上述操作，获得预期的块状复合材料。该方法对所需的夹具配合精度要求高，且夹具具有一定的复杂度。

中国发明专利CN 108161448 A公布一种新型的搅拌摩擦增材制造机，该专利中，粉末状原材料通过送粉机构送出，并由搅拌头加工堆积，逐步累积成所需的块状零件。该方法只能实现粉末状材料的增材制造，对其他形态的原材料无能为力。

中国发明专利CN 107020447 A公布一种大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺。该专利中，首先将原材料加工成薄壁圆环；然后采用搅拌摩擦焊将单层的薄壁圆环焊接；最后使用焊丝填充匙孔。重复上述步骤，得到所需的厚壁环体。该方法只能加工环状材料，并且需要使用焊丝对搅拌摩擦焊留下的匙孔进行修复，大大增加操作的复杂性。

中国发明专利CN 109202273 A公布一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法。该专利中，丝材通过空心搅拌工具的中心孔送入加工区，经加热与动轴肩的顶锻作用实现增材制造。该方法需要将搅拌工具加工成空心结构，该结构会影响搅拌针的强度。同时，该方法只能使用丝状原材料，这大大限制该方法的应用范围。

中国发明专利CN 107598358 A公布一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法。该专利中，采用可消耗搅拌头，搅拌头材料不断损耗并堆积在基体表面实现增材制造。该方法使用的可消耗搅拌头不易过长，否则容易出现搅拌头折断的现象。

上述所有专利均采用轴向增材的方式实现增材制造即在搅拌工具轴线的方向上不断累积材料。但是，搅拌摩擦焊在焊接过程中，轴向有一定的减薄量，这使得上述的增材方法的效率大大降低。

发明内容

为了实现径向增材以解决上述问题，本发明提供一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置，包括搅拌头、静置轴肩体及模具，搅拌头外侧同轴套装有静置轴肩体，静置轴肩体与模具配合安装。

所述搅拌头包括夹持端、动轴肩和搅拌针，夹持端与动轴肩一端一体成型，动轴肩另一端安装有搅拌针，搅拌针以及搅拌头动轴肩外表面设置有花纹形沟槽，搅拌针为锥形或圆柱形；所述搅拌头的动轴肩直径与搅拌针直径比例为2:1～10:1，所述搅拌头直径比模具边缘到中心距离小0～3mm。

所述静置轴肩体包括支撑架，所述支撑架包括若干支撑柱、连接圆环和静止动轴肩，支撑柱一端与连接圆环相连，另一端与静止动轴肩相连，且静止动轴肩的外接圆直径大于连接圆环的外径，连接圆环外端面设置有第一安装圆环，第一安装圆环的内径小于连接圆环内径设置形成顶部轴承安装槽，顶部轴承安装槽内安装有第一圆锥滚子轴承，所述静止动轴肩内端面设置有第二安装圆环，第二安装圆环内径小于静止动轴肩中心孔内径设置形成底部轴承安装槽，底部轴承安装槽内安装有第二圆锥滚子轴承，所述搅拌头的夹持端依次贯穿底部轴承安装槽和顶部轴承安装槽，且搅拌头的动轴肩上端面与支撑架下端的端面紧密贴合，搅拌头的夹持端伸出顶部圆锥滚子轴承部分同轴套装有锁紧环，锁紧环下端面抵在顶部圆锥滚子轴承内圈上端面上，且锁紧环通过顶丝与搅拌头的夹持端固定。

所述模具为环状五角星形结构，其中一个所述环状五角星形结构的内凹角为断开式并通过折叠合页相连，模具的内壁加工有凸缘用于安装辅热垫板，模具用于与静置轴肩体的静止动轴肩配合。

所述静止动轴肩形状与模具形状一致，且静止动轴肩尺寸比模具尺寸小0～20mm。

一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，采用一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置，包括以下步骤：

步骤1、将所需形状的模具固定于搅拌摩擦焊机的工作台上，在模具内壁涂抹脱模剂后，将原材料填满模具，所述原材料为粉末状、丝状或块状原材料；

步骤2、加工得到第一次径向增材所得的材料；

步骤2.1，选取带针搅拌头，搅拌针长度等于所需增材制造零件的高度；

步骤2.2，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头以50～10000r/min的转速转动，同时以0.1～20mm/min的速度下扎进模具中央位置，同时接通电源，启动辅热垫板，辅热垫板的加热温度为100～2000℃，并同时施加超声振动，超声振动功率为60～2000W，振幅为15～55μm，在辅热垫板与搅拌头的双重作用下使材料加热至半固态，当搅拌针下表面到辅热垫板上表面的距离为0～0.2mm时停止下扎，并保持转速1～60s后停止旋转；继续保持压力0～1000s后抽回，抽回结束后搅拌摩擦焊机停止工作，断开电源辅热垫板停止加热，持续施加超声振动一段时间后，停止施加超声振动；

步骤3、加工得到第二次径向增材所得的材料；

步骤3.1，更换直径小于步骤2所述搅拌针直径的搅拌头；

步骤3.2，再次添加原材料，将原材料填满由搅拌针回抽而产生的匙孔，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头以50～10000r/min的转速转动，同时以0.1～20mm/min的速度下扎进模具中央位置，同时接通电源，启动辅热垫板，辅热垫板的加热温度为100～2000℃，并同时施加超声振动，超声振动功率为60～2000W，振幅为15～55μm，在辅热垫板与搅拌头的双重作用下使材料保持在固态，当搅拌针下表面到辅热垫板上表面的距离为0～0.2mm时停止下扎，并保持转速1～60s后停止旋转；继续保持压力0～1000s后抽回，抽回结束后搅拌摩擦焊机停止工作，断开电源辅热垫板停止加热，持续施加超声振动一段时间后，停止施加超声振动；

步骤4、重复步骤3.2直到匙孔的深度小于1.5～2mm时，更换无针搅拌头，重复步骤3.2，得到增材制造的零件。

步骤2、步骤3和步骤4在搅拌头回抽后持续施加超声振动30～3000s。

所述搅拌针的旋向分为左旋和右旋，当选择左旋螺纹搅拌针时，则搅拌头的旋转方向为逆时针；当选择右旋螺纹搅拌针时，则搅拌头的旋转方向为顺时针，由于搅拌针附近材料向上流动，在动轴肩的作用下，上方的材料向下流动，此时材料流动形成闭环，有利于获得更高的增材质量。

步骤3所述搅拌头动轴肩直径比步骤2所述的搅拌针最大直径大1～30mm，步骤3所述搅拌针长度小于增材制造的零件厚度1～10mm。

步骤4所述的无针搅拌头动轴肩直径比步骤4遗留匙孔的孔洞直径大1～30mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明解决了基于材料熔化增材制造过程中原材料熔化产生的气孔、夹杂等缺陷，可实现不同形貌的金属材料、金属基复合材料等原材料的增材制造。

2、本发明中材料在搅拌头搅拌的驱动下剧烈流动并发生大的塑性变形：对于金属与金属基复合材料，剧烈的材料流动以及塑性变形使得材料形成细小的等轴晶，大大增加材料的强度；对于复合材料，充分的材料流动使得材料混合均匀，避免偏析等缺陷的产生。

3、本发明中对于搅拌针上左旋螺纹搅拌针，搅拌头的旋转方向为逆时针；对于右旋螺纹搅拌针，搅拌头的旋转方向为顺时针。这种“左+逆”或“右+顺”的组合恰与搅拌摩擦焊工艺相反，可使修复过程中材料向上流动并聚集于搅拌针的根部(近动轴肩端面)利于在动轴肩的顶锻作用下获得更高的增材质量。

4、本发明中采用辅热垫板整体加热的方式。这不仅可减小增材过程中零件厚度方向上的温度梯度，还可使材料处于半固态或固态的温度可控，利于基于超声在固态或半固态下的效用获得可高承载的增材构件。

5、首次填充时，模具边缘处的半固态材料容易结合，避免模具边缘处零件出现接合不良的缺陷。后面采用固态下增材，有利于控制增材过程热输入，避免热输入过高造成材料晶粒长大影响增材零件的机械性能。

6、当模具中的原材料处于半固态，在超声的空化作用下组成材料的晶粒被击碎，在合理的参数(固/液比、超声波振幅及频率等)下可将晶粒细化至超细晶/纳米晶，大幅度提高增材零件的承载能力。

7、当模具中的原材料处于固态时，超声的强振动效用可大幅度提高原子的扩散能力，使后填充材料与已增材部分间的结合强度。

8、在增材零件完成制造后，持续的超声振动有利于降低处于固态零件的残余应力。

9、本发明在制备增材零件时，具有原材料间冶金结合良好、无气孔/夹杂缺陷、晶粒尺寸细化、零件结构几何形状不限等有益效果。

附图说明

图1为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置结构示意图；

图2为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置的静置轴肩体与搅拌头配合结构仰视图；

图3为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置使用的径向增材搅拌头结构示意图；

图4为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置的静置轴肩体结构示意图；

图5为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置的模具结构示意图；

图6为本发明搅拌摩擦焊径向增材制造的装置的加工过程示意图，其中图6(a)为得到的第一次径向增材所得的材料；图6(b)为得到的第二次径向增材所得的材料，图6(c)为径向增材所得的成品零件；

1-搅拌头，2-锁紧环，3-静置轴肩体，4-第二圆锥滚子轴承，5-模具，6-辅热垫板，7-折叠合页，8-第一圆锥滚子轴承，9-顶丝，10-搅拌针，11-动轴肩，12-支撑柱，13-第一安装圆环，14-静止动轴肩，15-第二安装圆环，16-连接圆环，17-第一次径向增材所得的材料，18-第二次径向增材所得的材料，19-径向增材所得的成品零件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置，包括搅拌头1、静置轴肩体3及模具5，搅拌头1外侧同轴套装有静置轴肩体3，静置轴肩体3与模具5配合安装。

所述搅拌头1包括夹持端、动轴肩11和搅拌针10，夹持端与动轴肩11一端一体成型，动轴肩11另一端安装有搅拌针10，搅拌针10以及动轴肩11端面设置有花纹形沟槽，搅拌针10为锥形或圆柱形；所述搅拌头1的动轴肩11直径与搅拌针10直径比例为2:1～10:1，所述搅拌头1直径比模具5边缘到中心之间的距离小0～3mm。

所述静置轴肩体3包括支撑架，所述支撑架包括若干支撑柱12、连接圆环16和静止动轴肩14，支撑柱12一端与连接圆环16相连，另一端与静止动轴肩14相连，且静止动轴肩14的外接圆直径大于连接圆环16的外径，连接圆环16外端面设置有第一安装圆环13，第一安装圆环13的内径小于连接圆环16内径设置形成顶部轴承安装槽，顶部轴承安装槽内安装有第一圆锥滚子轴承8，所述静止动轴肩14内端面设置有第二安装圆环15，第二安装圆环15内径小于静止动轴肩14中心孔内径设置形成底部轴承安装槽，底部轴承安装槽内安装有第二圆锥滚子轴承4，所述搅拌头1的夹持端依次贯穿底部轴承安装槽和顶部轴承安装槽，且搅拌头1的动轴肩上端面与支撑架下端的端面紧密贴合，搅拌头1的夹持端伸出顶部圆锥滚子轴承部分同轴套装有锁紧环2，锁紧环2下端面抵在顶部圆锥滚子轴承内圈上端面上，且锁紧环2通过顶丝9与搅拌头1的夹持端固定。

所述模具5为环状五角星形结构，其中一个所述环状五角星形结构的内凹角为断开式并通过折叠合页7相连，模具5的内壁加工有凸台用于安装辅热垫板6，辅热垫板6为市购件，模具5用于与静置轴肩体3的静止动轴肩14配合。

所述静止动轴肩14形状与模具5形状一致，且静止动轴肩14尺寸比模具5尺寸小0～20mm。

实施例1

一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，采用一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置，包括以下步骤：

步骤1、选取环状五角星形结构的模具5，并将模具5固定于搅拌摩擦焊机的工作台上，其中模具5的中心到环状五角星形结构的模具5的外凸尖点的距离L为13mm，高为5mm，为了避免纯铝粉末与模具5内壁粘连，在模具5内壁涂抹聚四氟乙烯后，在模具5中放满纯铝粉末；

步骤2、加工得到第一次径向增材所得的材料17；

步骤2.1，选取图2所示的圆柱形搅拌针10的搅拌头1，搅拌头1的动轴肩11直径为20mm，搅拌针10直径为12mm，搅拌针10长3mm；

步骤2.2，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头1以1200r/min的转速转动，同时以2mm/min的速度下扎进模具5中间位置，同时接通电源，启动辅热垫板6，辅热垫板6的加热温度为450℃，同时施加超声振动，超声振动功率为2000W，振幅为15μm，在辅热垫板6与搅拌头1的双重作用下使材料加热至半固态，当搅拌针10下表面接触辅热垫板6上表面时停止下扎，并保持转速停留20s后抽回搅拌针10，关闭搅拌摩擦焊机，同时断开电源，辅热垫板6停止加热，持续施加超声振动120s后，停止施加超声振动，得到第一次径向增材所得的材料17，如图6(a)所示；

步骤3、加工得到第二次径向增材所得的材料18；

步骤3.1，更换直径小于步骤2.1所述搅拌针10直径的新搅拌头1，新搅拌头1动轴肩11直径为16mm，搅拌针10直径为8mm，搅拌针10长3mm；

步骤3.2，再次将纯铝粉末放于模具5中，并将搅拌针10抽回产生的匙孔填满，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头1以1200r/min的转速转动，同时以2mm/min的速度下扎进模具5中间位置，同时接通电源，启动辅热垫板6，辅热垫板6的加热温度为200℃，同时施加超声振动，超声振动功率为2000W，振幅为15μm，在辅热垫板6与搅拌头1的双重作用下使材料保持在固态，当搅拌针10下表面接触辅热垫板6上表面时停止下扎，并保持转速停留20s后抽回搅拌针10，关闭搅拌摩擦焊机，同时断开电源，辅热垫板6停止加热，持续施加超声振动120s后，停止施加超声振动，得到第二次径向增材所得的材料18，如图6(b)所示；

步骤4、重复步骤3.2直到匙孔的深度小于1.5mm时，将纯铝粉末放于模具5中，并将搅拌针10抽回产生的匙孔填满，更换无针搅拌头1，搅拌头1的动轴肩11直径15mm，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头1以1200r/min的转速转动，同时以2mm/min的速度下扎进模具5中间位置，同时接通电源，启动辅热垫板6，辅热垫板6的加热温度为200℃，同时施加超声振动，超声振动功率为2000W，振幅为15μm，在辅热垫板6与搅拌头1的双重作用下使材料保持在固态，当搅拌针10下表面接触辅热垫板6上表面时停止下扎，并保持转速停留20s后抽回搅拌针10，关闭搅拌摩擦焊机，同时断开电源，辅热垫板6停止加热，持续施加超声振动120s后，停止施加超声振动，得到径向增材所得的成品零件19，如图6(c)所示。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其中径向增材制造的装置包括搅拌头、静置轴肩体及模具，搅拌头外侧同轴套装有静置轴肩体，静置轴肩体与模具配合安装；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将所需形状的模具固定于搅拌摩擦焊机的工作台上，在模具内壁涂抹脱模剂后，将原材料填满模具，所述原材料为粉末状、丝状或块状原材料；

步骤2、加工得到第一次径向增材所得的材料；

步骤2.1，选取带针搅拌头，搅拌针长度等于所需增材制造零件的高度；

步骤2.2，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头以50 ~ 10000r/min的转速转动，同时以0.1 ~20 mm/min的速度下扎进模具中央位置，同时接通电源，启动辅热垫板，辅热垫板的加热温度为100~2000 ℃，并同时施加超声振动，超声振动功率为60 ~ 2000 W，振幅为15 ~ 55 μm，在辅热垫板与搅拌头的双重作用下使材料加热至半固态，当搅拌针下表面到辅热垫板上表面的距离为0~0.2mm时停止下扎，并保持转速1 ~ 60s后停止旋转；继续保持压力0 ~1000s后抽回，抽回结束后搅拌摩擦焊机停止工作，断开电源辅热垫板停止加热，持续施加超声振动一段时间后，停止施加超声振动；

步骤3、加工得到第二次径向增材所得的材料；

步骤3.1，更换直径小于步骤2所述搅拌针直径的搅拌头；

步骤3.2，再次添加原材料，将原材料填满由搅拌针回抽而产生的匙孔，启动搅拌摩擦焊机，该搅拌头以50 ~ 10000r/min的转速转动，同时以0.1 ~ 20 mm/min的速度下扎进模具中央位置，同时接通电源，启动辅热垫板，辅热垫板的加热温度为100~2000 ℃，并同时施加超声振动，超声振动功率为60 ~ 2000 W，振幅为15 ~ 55 μm，在辅热垫板与搅拌头的双重作用下使材料保持在固态，当搅拌针下表面到辅热垫板上表面的距离为0~0.2mm时停止下扎，并保持转速1 ~ 60s后停止旋转；继续保持压力0 ~1000s后抽回，抽回结束后搅拌摩擦焊机停止工作，断开电源辅热垫板停止加热，持续施加超声振动一段时间后，停止施加超声振动；

步骤4、重复步骤3.2直到匙孔的深度小于1.5~2mm时，更换无针搅拌头，重复步骤3.2，得到增材制造的零件。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：所述搅拌头包括夹持端、动轴肩和搅拌针，夹持端与动轴肩一端一体成型，动轴肩另一端安装有搅拌针，搅拌针以及动轴肩端面设置有花纹形沟槽，搅拌针为锥形或圆柱形；所述搅拌头的动轴肩直径与搅拌针直径比例为2:1~10:1，所述搅拌头直径比模具边缘到中心之间的距离小0~ 3mm。

3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：所述静置轴肩体包括支撑架，所述支撑架包括若干支撑柱、连接圆环和静止动轴肩，支撑柱一端与连接圆环相连，另一端与静止动轴肩相连，且静止动轴肩的外接圆直径大于连接圆环的外径，连接圆环外端面设置有第一安装圆环，第一安装圆环的内径小于连接圆环内径设置形成顶部轴承安装槽，顶部轴承安装槽内安装有第一圆锥滚子轴承，所述静止动轴肩内端面设置有第二安装环，第二安装环内径小于静止动轴肩中心孔内径设置形成底部轴承安装槽，底部轴承安装槽内安装有第二圆锥滚子轴承，所述搅拌头的夹持端依次贯穿底部轴承安装槽和顶部轴承安装槽，且搅拌头的动轴肩上端面与支撑架下端的端面紧密贴合，搅拌头的夹持端伸出顶部圆锥滚子轴承部分同轴套装有锁紧环，锁紧环下端面抵在顶部圆锥滚子轴承内圈上端面上，且锁紧环通过顶丝与搅拌头的夹持端固定。

4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：所述模具为环状五角星形结构，其中一个所述环状五角星形结构的内凹角为断开式并通过合页相连，模具的内壁加工有凸缘用于安装辅热垫板，模具用于与静置轴肩体的静止动轴肩配合。

5. 根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：所述模具形状与静止动轴肩形状一致，且静止动轴肩尺寸比模具尺寸小0 ~20 mm。

6.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：步骤2、步骤3和步骤4在搅拌头回抽后持续施加超声振动30~3000s。

7.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：所述搅拌针的旋向分为左旋和右旋，当选择左旋螺纹搅拌针时，则搅拌头的旋转方向为逆时针；当选择右旋螺纹搅拌针时，则搅拌头的旋转方向为顺时针，由于搅拌针附近材料向上流动，在动轴肩的作用下，上方的材料向下流动，此时材料流动形成闭环，有利于整获得更高的增材质量。

8.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：步骤3所述搅拌头动轴肩直径比步骤2所述的搅拌针最大直径大1~30 mm，步骤3所述搅拌针长度小于增材制造的零件厚度1 ~ 10mm。

9.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊径向增材制造的方法，其特征在于：步骤4所述的无针搅拌头动轴肩直径比步骤4遗留匙孔的孔洞直径大1~30 mm。

Images