CN105397276A - 一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法 - Google Patents

Abstract

一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，它涉及一种制造棒材的方法。本发明为了解决现有的高能束增材制造方法制造的材料存在气孔、裂纹、变形大的问题。本发明的步骤一、圆柱形母材的制备：步骤二、增材制造模具的制备：步骤三、增材制造基板的制备：步骤四、模具与基板的焊接：步骤五、模具和基板的定位：步骤六、增材制造参数的确定：步骤七、增材制造的成形过程。本发明制造工艺简单，不需要保护气体和真空环境，解决了高能束增材制造过程中容易出现的气孔、裂纹及变形等问题，能够获得高性能的结构材料。本发明适用于多种材料的增材制造。

Description

一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法

技术领域

本发明涉及一种制造棒材的方法，具体涉及一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法。

背景技术

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。我国各高校自90年代开始进行相关研究，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后，在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。

以激光束、电子束为能源的高能束增材制造技术是该技术领域的重要发展方向，具有快速成型、加工精度较高等优点，在高温合金成形和精密部件制造等领域应用广泛。但在高能束增材制造过程中，温度较高会使材料发生熔化，由于成形速度较快，材料凝固时不可避免地会存在气孔、裂纹以及熔合不良等缺陷，且后续加工制造对已凝固材料产生热作用，可能降低整体性能，这对于目前广泛应用的铝、镁合金等低熔点轻金属材料的影响更为严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的高能束增材制造方法制造的材料存在气孔、裂纹、变形大的问题，进而提供一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法。

本发明的技术方案是：一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，它包括以下步骤：

步骤一、圆柱形母材的制备：

先确定增材制造的材料类型，并采用机械加工的方式加工成圆柱形棒材，其直径为10-50mm，长度为50-200mm；然后在棒材上端的外侧面加工一个深2-5mm的平台，平台长度为10-20mm，以便于将其固定在搅拌摩擦设备上；用砂纸将棒材表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤二、增材制造模具的制备：

选择熔点高于增材材料的管材制作增材制造的模具，并清除其内外表面的油污和氧化膜；管材壁厚为2-10mm，内径比圆柱形棒材直径大2-10mm；

步骤三、增材制造基板的制备：

选择熔点高于增材材料的板材制作增材制造的基板，基板的厚度大于5mm、基板的长度和基板的宽度均需大于增材制造模具的外径；基板表面用砂纸打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤四、模具与基板的焊接：

采用氩弧焊方法将增材制造模具和基板焊接在一起，以保证搅拌摩擦增材制造能够在模具内持续、稳定进行；

步骤五、模具和基板的定位：

采用工装夹具，将焊在一起的模具和基板固定在搅拌摩擦设备上，保证模具和基板在搅拌摩擦增材制造过程中不发生滑动；

步骤六、增材制造参数的确定：

搅拌摩擦增材制造参数包括圆柱形棒材的旋转速度和进给速度；棒材的旋转速度范围为200-3000r/min，棒材的进给速度的范围为1-200mm/min；

步骤七、增材制造的成形过程：

将棒材固定在旋转机构上，在控制系统中输入增材制造参数；启动搅拌摩擦设备，棒材以设定的增材制造参数运动，在棒材接触到基板时开始进行增材制造，直至达到预定的尺寸为止。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明提出一种搅拌摩擦增材制造的方法，该方法采用固相增材制造技术，增材制造过程中峰值温度低于材料熔点，材料不发生熔化，不涉及熔池的形成和凝固，可以消除高能束增材制造时熔池凝固过程中产生的裂纹、气孔等缺陷；

2、搅拌摩擦增材制造过程中高速旋转的棒材与已增材金属摩擦，摩擦界面附近金属受到较高热输入发生塑化的同时产生剧烈的塑性变形，形成细小均匀的等轴再结晶晶粒，可以显著改善传统增材制造时结构件力学性能各向异性明显的缺点，有利于结构件整体力学性能的提高；

3、搅拌摩擦增材制造与传统增材制造方法相比热输入大幅降低，材料受热或冷却过程中发生膨胀或收缩的程度不大，不均匀变形程度很小，使得残余应力极小，对工件疲劳强度、应力腐蚀等力学性能的不利影响几乎可以忽略不计，易于获得质量稳定、具有优良性能的结构材料；

4、搅拌摩擦增材制造过程中由于材料始终处于固态，不易发生氧化，因此不需要惰性气体环境或真空环境，无需相关辅助设备，制造成本降低；

5、搅拌摩擦增材制造过程中不会产生光辐射、烟尘和噪音污染等，是一种绿色的增材制造方法，对人体和环境无任何危害；

6、搅拌摩擦增材制造过程仅需部分电能带动搅拌摩擦设备主轴旋转，并驱动棒材旋转摩擦产生热量自发塑化形成增材金属，无其他能源消耗，总体能源消耗较低。

附图说明

图1是本发明中搅拌摩擦增材制造过程的示意图，其中1为增材制造的圆柱形棒材，1-1为棒材夹持段，1-2为棒材摩擦段，2为增材制造的模具，3为已增材的金属，4为增材制造的基板。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，它包括以下步骤：

步骤一、圆柱形母材的制备：

先确定增材制造的材料类型，并采用机械加工的方式加工成圆柱形棒材1，其直径为10-50mm，长度为50-200mm；然后在棒材1上端的外侧面加工一个深2-5mm的平台1-1，平台1-1长度为10-20mm，以便于棒材1通过螺栓与搅拌摩擦焊设备机械连接在一起；用砂纸将棒材1表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤二、增材制造模具的制备：

选择熔点高于增材材料的管材制作增材制造的模具2，并清除其内外表面的油污和氧化膜；管材壁厚为2-10mm，内径比圆柱形棒材1直径大2-10mm；

步骤三、增材制造基板的制备：

选择熔点高于增材材料的板材制作增材制造的基板4，基板4的厚度大于5mm、基板4的长度和基板4的宽度均需大于增材制造模具2的外径；基板4表面用砂纸打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤四、模具与基板的焊接：

采用氩弧焊方法将增材制造模具2和基板4焊接在一起，使得模具2能够承受搅拌摩擦增材制造过程中增材金属对其施加的载荷，以保证增材制造过程能够在模具2内持续、稳定进行；

步骤五、模具和基板的定位：

采用工装夹具，将焊在一起的模具2和基板4固定在搅拌摩擦设备上，使得一体化的模具2和基板4能够承受搅拌摩擦增材制造过程中增材金属对它们施加的载荷，以保证模具2和基板4在搅拌摩擦增材制造过程中不发生滑动；

步骤六、增材制造参数的确定：

搅拌摩擦增材制造参数包括圆柱形棒材1的旋转速度和进给速度；棒材1的旋转速度范围为200-3000r/min，棒材1的进给速度的范围为1-200mm/min；

步骤七、增材制造的成形过程：

将棒材1固定在旋转机构上，在控制系统中输入增材制造参数；启动搅拌摩擦设备，棒材1以设定的增材制造参数运动，在棒材1接触到基板4时开始进行增材制造，直至达到预定的尺寸为止。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中增材制造的材料为2024铝合金棒材。如此设置，以保证棒材1能够装卡在搅拌摩擦设备上并作为增材制造的材料来源。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中选择低碳钢管材制作增材制造的模具2，并清除其内外表面的油污和氧化膜，管材壁厚为5mm，内径为24mm。如此设置，以保证增材制造过程中模具2不与高速旋转的铝合金棒材1直接接触，且其能够约束增材金属的成形空间。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中选择低碳钢制作增材制造的基板4，其厚度为10mm、长度和宽度均为50mm。如此设置，以保证基板4能够承受增材制造过程中增材金属对其施加的载荷。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤六中圆柱形棒材1旋转速度范围为800r/min，进给速度的范围为50mm/min。如此设置，以保证增材制造过程中产生的热输入适当，最终获得良好的增材构件。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

本搅拌摩擦增材制造方法是利用圆柱形棒材与基板之间的初始摩擦热塑化棒材端部，在棒材继续进给过程中所施加的轴向力在产生摩擦热的同时，可对其下方已增材的金属产生锻压作用从而获得大变形特征的锻造组织。随着增材制造过程的不断进行，圆柱形棒材与其下方已增材的金属不断摩擦生热，继续塑化剩余的棒材并形成增材制造金属，直至达到预定的尺寸为止。

搅拌摩擦增材制造方法由增材制造的圆柱形棒材1、增材制造的模具2和增材制造的基板4组成，其中圆柱形棒材1由夹持段1-1和摩擦段1-2组成，棒材夹持段1-1固定在搅拌摩擦设备上。

Claims (5)

1.一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、圆柱形母材的制备：

先确定增材制造的材料类型，并采用机械加工的方式加工成圆柱形棒材(1)，其直径为10-50mm，长度为50-200mm；然后在棒材(1)上端的外侧面加工一个深2-5mm的平台(1-1)，平台(1-1)长度为10-20mm；用砂纸将棒材(1)表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤二、增材制造模具的制备：

选择熔点高于增材材料的管材制作增材制造的模具(2)，并清除其内外表面的油污和氧化膜；管材壁厚为2-10mm，内径比圆柱形棒材(1)直径大2-10mm；

步骤三、增材制造基板的制备：

选择熔点高于增材材料的板材制作增材制造的基板(4)，基板(4)的厚度大于5mm、基板(4)的长度和基板(4)的宽度均需大于增材制造模具(2)的外径；基板(4)表面用砂纸打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤四、模具与基板的焊接：

采用氩弧焊方法将增材制造模具(2)和基板(4)焊接在一起；

步骤五、模具和基板的定位：

采用工装夹具，将焊在一起的模具(2)和基板(4)固定在搅拌摩擦设备上；

步骤六、增材制造参数的确定：

搅拌摩擦增材制造参数包括圆柱形棒材(1)的旋转速度和进给速度；棒材(1)的旋转速度范围为200-3000r/min，棒材(1)的进给速度的范围为1-200mm/min；

步骤七、增材制造的成形过程：

将棒材(1)固定在旋转机构上，在控制系统中输入增材制造参数；启动搅拌摩擦设备，棒材(1)以设定的增材制造参数运动，在棒材(1)接触到基板(4)时开始进行增材制造，直至达到预定的尺寸为止。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，其特征在于：步骤一中增材制造的材料为2024铝合金棒材。

3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，其特征在于：步骤二中选择低碳钢管材制作增材制造的模具(2)，并清除其内外表面的油污和氧化膜，管材壁厚为5mm，内径为24mm。

4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，其特征在于：步骤三中选择低碳钢制作增材制造的基板(4)，其厚度为10mm、长度和宽度均为50mm。

5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，其特征在于：步骤六中圆柱形棒材(1)旋转速度范围为800r/min，进给速度的范围为50mm/min。