CN105171229A - 一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法，属于金属材料增材制造(3D打印)领域。该方法基于增材制造“逐层”堆积的技术原理，由搅拌摩擦头搅拌两层金属使之连接，在逐层搅拌连接堆积一定层数后，切换切削刀具进行切削加工使搅拌摩擦部分和非搅拌摩擦部分板材分离，分离板材不取走，作为后续搅拌摩擦时支撑。搅拌摩擦焊固态材料连接技术在焊接过程中材料没有发生熔化，因而可以避免气孔、裂纹等金属冶金缺陷，连接区域强度高；同时焊接能量输入低，焊后工件应力低、变形小。本发明利用搅拌摩擦焊固态连接低应力高性能的技术优势，可实现铝合金等有色轻金属大型整体构件的低成本、高性能快速制造。

Description

一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法

技术领域

本发明属于金属材料增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法。

背景技术

大型整体铝合金等金属构件在现代航空航天飞行器中广泛应用，对提高飞行器可靠性和轻量化水平起到重要作用。为保证高性能，这些大型构件通常采用锻造方法制造。然而，锻造方法制造大型整体构件所需重型锻造设备和模具昂贵，工艺复杂，生产周期长，材料利用率低(<10％)，从而造成大型整体铝合金构件制备困难且成本高。

增材制造技术有望实现大型整体铝合金等金属构件的低成本快速制造。其由计算机控制按照CAD模型，采用高能束对金属材料(粉末、丝材或板材)进行逐层熔化/凝固堆积，直接由三维模型逐层堆积成近净金属构件。和传统方法相比，其无需模具，生产周期短，材料利用率高，可成形传统方法无法制造复杂/超复杂结构件，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景，因此近年来倍受关注。然而，基于高能束“熔化”的增材制造方法，存在内应力大(凝固收缩应力、热应力等)和冶金缺陷问题，造成大型构件易于变形开裂且力学性能较差，尤其是铝合金等有色轻金属，难以采用高能束增材制造方法。

搅拌摩擦焊是一种新型固态材料连接技术，焊接过程中材料没有发生熔化，因而接头可以避免气孔、裂纹等金属冶金缺陷，接头强度高；同时由于焊接能量输入较低，可以实现焊后工件的低应力和小变形。因此，搅拌摩擦焊广泛应用于铝合金等有色轻金属的焊接过程。基于搅拌摩擦焊发展固态成形的搅拌摩擦增材制造技术，有望实现铝合金等有色轻金属大型整体构件的低成本快速制造。

发明内容

本发明的目的是基于搅拌摩擦焊固态连接的低应力高性能技术优势，以及增材制造“逐层”堆积的技术原理，提出了金属材料搅拌摩擦增材新方法，可实现大型铝合金等有色轻金属整体构件的低成本快速制造。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，采用搅拌摩擦逐层搭接的方法，实现金属板材的堆积制造。

根据本发明的实施例，该方法还可以具有以下技术特征，具体包括以下步骤：

(1)分层与路径规划：通过CAD绘制零件的三维模型，采用切片软件获得零件分层截面数据，规划分层截面搅拌摩擦路径。

(2)搅拌摩擦单层多道搭接：搅拌头按照已规划截面扫描路径将两层金属板材固态连接，连续部分形成金属零件的单层形貌；

(3)非搅拌摩擦部位切除：搅拌头将金属板材搅拌连接堆积一定层数后，切换为切削刀具，使搅拌摩擦部分和非搅拌摩擦部位板材分离；

(4)逐层堆积成形：重复执行(2)增材和(3)减材过程，在基板或成形板上形成多层堆积的高性能金属构件。

为了更好地实现本发明，上述切片软件分层的层厚为所使用板材的厚度，具体厚度可根据成型件精度要求进行选择；所述搅拌头将金属板材搅拌连接堆积一定层数可以是单层或多层，随具体工艺条件而变化。

本发明与现有金属增材制造技术相比，有如下优点和有益效果：

1、本发明采用在增材制造过程采用搅拌摩擦焊技术，避免了熔化/凝固过程造成的各种缺陷，成型件性能优异、应力低。

2、本发明处理工序简单，实施容易，特别适用于大型整体铝合金等有色轻金属构件增材制造，使其摆脱传统增材制造的三大瓶颈问题的困扰，实现高性能大型金属构件的低成本快速制造。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种金属材料搅拌摩擦增材制造装置示意图

图中：1.金属板材；2.数控移动平台；3.刀具库；4.搅拌摩擦头；5.龙门机床。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1示出了本发明一个实施例，具体操作包括以下步骤：

(1)在数控移动平台2上铺置金属板材1两层，采用搅拌摩擦头4实现两层板材之间的搭接，搭接区域形成金属构件的单层轮廓；

(2)搅拌摩擦头在刀具库中更换为切削刀具，通过切削使搅拌摩擦区域和非搅拌摩擦区域板材分离，同时分离板材不取走，作为后续搅拌摩擦时支撑；

(3)搅拌摩擦头升高一个板材厚度，同时铺置一层金属板材，采用搅拌摩擦头4实现新铺板材与已加工板材之间的搭接

(4)重复执行步骤(2)～(3)，实现金属板材的逐层堆积制造。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，在逐层堆积的增材制造过程中，由搅拌摩擦头按规划路径搅拌连接两层金属板材，在逐层搅拌连接堆积一定层数后，切换为切削刀具对已加工层进行切削加工，使搅拌摩擦部分和非搅拌摩擦部位板材分离，同时分离板材不取走，作为后续搅拌摩擦时的支撑，然后继续进行逐层搅拌连接堆积和切削加工过程，直至完成整个金属构件的成型过程。

2.根据权利要求1所述的金属材料搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，所用的搅拌摩擦头的材料和形状根据被加工板材选择。

3.根据权利要求1所述的金属材料搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，所述金属板材可以是任何材料、任何厚度的金属板材。

4.根据权利要求1所述的金属材料搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，所述逐层搅拌连接堆积一定层数可以单层或多层，可随具体工艺条件而变化。