CN110449726A - 一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌头、一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置及方法，该装置包括搅拌针、轴肩、填材和模具，填材设置于搅拌针和模具之间，模具表面设置有型腔，搅拌针由圆柱体和圆台结构一体构成，圆台结构的外侧面上设置有增加摩擦的螺纹和通流槽。该装置及方法可以在金属不熔融的前提下，获得高性能的金属增材制造结构，实现了复杂金属结构的一次性一体增材塑性成型制造，提高了材料利用率和制造效率，解决了复杂金属结构制造精度低、材料内部缺陷多、加工工时长的问题。

Description

一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及材料塑性成型技术领域，尤其是涉及一种用于材料增材塑性成型的装置和方法。

背景技术

材料塑性成型主要方式有铸造、塑性加工(增材制造、焊接)等，铸造适合生产不同材料、形状和重量的构件，并适合批量生产，在构件的生产中已得到广泛应用，但其所形成的产品公差较大，容易产生内部缺陷，使得铸造在一些复杂结构件的生产中存在较大的应用局限性。

增材制造是一种新型的材料塑性加工成型方式，在产品的设计上具有很大的自由度，并减少了部件的装配工序，特别是在小批量产品的生产中，具有成本较低、经济适用性强等优点，目前在航天航空、医疗、军工、艺术设计等多个领域得到了广泛的应用。

典型的金属增材制造方法主要包括电子束选区熔化成型技术、激光熔融沉积成型技术、分层实体制造技术、激光选区熔化成型技术、电子束熔融沉积成型技术等方法。虽然这些增材制造方法弥补了铸造方法的一些不足，但由于都涉及到了金属的熔化及凝固过程，因此不可避免会导致金属零件内部产生气孔、裂纹、夹杂、未熔合等缺陷，影响了结构产品的制造质量，同时，制造材料受到限制，且在规模化的生产中成本高、工时长。

焊接技术是实现金属材料之间永久性连接的主要方法，目前已逐步应用于金属材料的增材制造中。作为一种新型的固相焊接方法，搅拌摩擦焊的接头组织细化、力学性能好、表面成型好、变形小、无裂纹、气孔等焊接缺陷，且可适用于多种材料的高质量焊接，具有效率高、成本低、焊接过程环保无污染等优点，因此，近年来搅拌摩擦焊在工业生产中得到了越来越广泛的应用。

目前，一些科研人员已尝试将搅拌摩擦焊技术应用于增材制造领域。例如，专利号为CN105397276A的发明专利公开了一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，该方法通过将预先加工好的模具和基板焊接在一起，再将固定在旋转机构上的棒材利用搅拌摩擦焊的方法实现在模具中的塑化成型。专利号为CN109202273A的发明专利公开了一种填丝搅拌摩擦焊增材制造工具和方法。通过特殊设计的搅拌头使得丝材在搅拌针侧壁伸出，焊接过程中在搅拌针和轴肩螺旋槽的旋转锻压作用下丝材塑化流出最终沉积在基体待增材表面，层层堆积实现结构件成型。专利号为CN109108505A的发明专利提出了一种搅拌摩擦焊技术对电弧增材制造铝合金强化的方法，该方法主要是在电弧制造完每一层铝合金后用搅拌摩擦焊对每层铝合金进行强化处理，消除气孔、未熔合等缺陷，并使组织得到细化。

综合来看，当前整体思路主要包括两方面，一是基于搅拌摩擦焊原理对金属材料实施逐层焊接达到增材制造的目的，二是与传统增材制造方法相结合达到辅助强化效果。前者逐层增材制造的方法效率较低，构件在反复热力作用下容易产生较大残余变形，需要后续机械加工出来，不利于复杂结构件的快速高精度增材制造。后者复合增材制造方法中，搅拌摩擦焊强化区域有限，难以获得整体性能优异的增材制造结构件。

本申请将搅拌摩擦焊技术应用于增材制造领域，利用焊接设备热机作用来软化材料并驱动其塑性流动，达到复杂金属结构一次性一体增材塑性成型制造的目的，能够很好的解决复杂金属结构的精密快速制造问题，具有成本低、效率高、应用范围广等优点。

发明内容

针对现有材料塑性成型过程中的不足，本发明利用搅拌摩擦焊技术的一系列优势，提出了一种实现材料一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，包括焊接设备，所述焊接设备上安装搅拌头，所述焊接设备的主轴带动搅拌头动作，所述搅拌头与模具装置配合工作，所述模具装置包括模具、填材；所述模具设置有型腔，所述填材放置于模具的上端面，将型腔遮蔽；所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩的底部中间，所述搅拌针包括圆柱体和圆台结构，其中所述圆柱体位于轴肩与圆台结构之间；所述焊接设备带动搅拌头动作时，所述填材在搅拌针和轴肩的摩擦下发生热软化，同时所述搅拌针和轴肩向下挤压填材，驱使热软化后的填材填充进入模具型腔。

如上所述的一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，进一步优选为，所述圆台结构的外侧面设置有一条或者数条通流槽，所述圆台结构下底面为内凹面结构。

如上所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，进一步优选为，所述内凹面结构为圆锥、半球体或其他形状，所述通流槽的底面形状为半圆、三角形、V型或其他形状。

如上所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，进一步优选为，所述通流槽的数量为2-6条平行、且间隔设置的凹槽。

进一步优选为，所述填材为铜、铝、镁、锡等金属及其合金或部分非金属，所述填材的长度为10-2000mm，宽度为10-200mm，高度为5-50mm。

进一步优选为，所述模具的硬度要高于所制备结构件的硬度。

本发明还提供了采用上述一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置进行增材塑性成形的方法，包括如下步骤：

(1)装卡定位：将模具固定，避免移动，并使焊接设备主轴正对模具型腔中心位置上方，将填材放置于模具正上方，填材同时将型腔遮蔽；

(2)成型：将搅拌头一起安装在焊接设备主轴上，启动焊接设备，并驱动搅拌针沿主轴轴向进给，进给速度0.1-1.0mm/s，使搅拌针下扎进入填材，待轴肩接触填材上表面并嵌入0.05-0.5mm深度时，停止下移，保持搅拌头的静止旋转状态，使受热并发生塑性变形的填材在搅拌针和轴肩旋转挤压作用下填充进入模具型腔；待塑化填材充分填补型腔后，以一定的速度使搅拌针和轴肩沿着型腔分布轨迹移动；直至将型腔内的填材压实，最后搅拌头上移旋转拔出，上移速度0.1-2.0mm/s；

(3)后续加工：采用机械加工的方式去除型腔以外多余的填充母料，而后打开模具，获得完整的增材塑性成型制造的结构件。

进一步优选为，所述搅拌针移动路径为直线或曲线。

进一步优选为，所述填料的长度、宽度和厚度分别大于所述模具型腔的长度、宽度和厚度。

本发明的优点和有益效果在于：

本发明可以实现复杂金属结构一次性一体增材塑性成型，解决了复杂金属结构制造精度底、加工工时长的问题，具有成本低、应用范围广等优点。

本发明实现了材料以块状形式成型，与其它增材制造的方法相比具有很高的成型速度，可实现高效率的生产。

在焊具的热机作用下，所成型的结构件消除了气孔、夹杂和层间未熔合等缺陷，使得结构件组织均匀，性能得到提高。

附图说明

图1搅拌头示意图；

图2-1实现一体增材塑性成型的过程示意图；

图2-2实现一体增材塑性成型的过程示意图；

图2-3实现一体增材塑性成型的过程示意图；

图2-4实现一体增材塑性成型的过程示意图；

图中：Ⅰ-轴肩；Ⅱ-填材；Ⅲ-型腔；Ⅳ-模具；D1-轴肩直径；D2-搅拌针圆柱体直径；D3-通流槽直径；D4-圆台结构下底面直径；H1-轴肩高度；H2-搅拌针圆柱体高度；H3-圆台结构高度；H4-填材厚度；H5-模具厚度；21-圆柱体；22-通流槽；23-圆台结构；L1-填材宽度；L2-模具宽度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1中，本实施例提供了一种结构独特的搅拌头结构，所述搅拌头包括轴肩Ⅰ、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩的底部中间；搅拌针包括圆柱体21和圆台结构23，其中所述圆柱体21位于轴肩Ⅰ与圆台结构23之间，所述圆柱体21形成轴肩Ⅰ与圆台结构23的过渡部分，所述圆台结构23的下底面形成搅拌针的底部。

其中圆台结构23的外侧面上设置有一条或数条通流槽22，所述通流槽22为螺旋结构的凹槽；或者数条平行、且间隔设置的凹槽，同时所述凹槽的圆心位于圆台结构23的轴线上。通流槽22为填材Ⅱ的塑性变形流动提供流动空间，同时也通过螺纹增加摩擦。

其中，所述圆台结构23母线与垂线之间具有锐角夹角，所述夹角角度在10-30度之间。夹角的设置也为填材Ⅱ塑性变形提供了流动空间。

如图1-2-4所示，本实施例还提供了利用搅拌头进行模具成型的一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，为了增强对搅拌头结构的充分理解，下述的描述中还会涉及对搅拌头结构的描述。

一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置包括焊接设备，所述焊接设备的主轴上安装搅拌头，所述搅拌头包括轴肩Ⅰ和搅拌针，搅拌针由圆柱体21和圆台结构23同心一体构成，圆台结构23半径较小的底面(上底面)为圆柱体21底面，圆柱体的直径D2为5-30mm，高度H2为5-30mm，圆台结构23下底面的直径D4为5-40mm，高度H3为3-20mm，在圆台结构23的外侧面加工有可供塑化金属流动的通流槽22，其底部直径为2-10mm，其中圆台结构23的外侧面也可以为光滑面，通流槽22数量不做限定，通流槽22沿着所述圆台结构的外侧面周向、间隔的分布，通流槽22也可以是螺旋结构，通流槽22底面的形状可以为半圆、三角形以及其它形状，圆台结构半径较大的底面(下底面)为内凹面结构也可以为平面，内凹面的形状可为圆锥、半球体或其它形状。

焊接设备与模具装置进行工作配合，模具装置包括模具Ⅳ和填材Ⅱ，模具Ⅳ放置于垫板之上，模具Ⅳ由可分离的左右两部分组成，两部分组装后即可形成完整的型腔Ⅲ，模具的长度为10-2000mm，宽度为10-120mm，高度为10-120mm，加工结束后打开模具即可得到结构件、模具件；所述模具的硬度要高于所制备结构件的硬度。板状的填料Ⅱ放置在模具Ⅳ上面，填料Ⅱ的宽度L1为10-200mm，高度H2为5-50mm，长度为10-2000mm，填料Ⅱ可为铝、铜、镁、锡等金属材质及其合金等，也可以为一些受热后塑性较好的非金属，搅拌头的硬度应高于塑性成型材料的硬度，搅拌头和垫板材料为工具钢、镍基高温合金、钴基高温合金、高熔点金属、碳化物及金属基复合材料中的任意一种。

如图2-1-2-4所示，在材料塑化成型的具体加工过程时、加工之前、搅拌针的轴心要达到与型腔Ⅲ中心同心，启动焊接设备，轴肩带动搅拌针发生旋转，同时焊接设备驱动搅拌头沿主轴轴向进给，并使搅拌针以0.1-1mm/s的速度下扎入板状的填料Ⅱ，待搅拌头的轴肩接触板状填料Ⅱ上表面并嵌入0.05-0.5mm深度时，焊接设备Ⅰ停止下移，搅拌头保持静止旋转状态，板状填料Ⅱ在焊接设备Ⅰ的摩擦搅拌作用下发生热塑性变形，并在搅拌头的顶锻力作用向下流入型腔Ⅲ，待塑化材料充分填补型腔Ⅲ后，搅拌头以一定的速度沿着型腔Ⅲ分布轨迹移动，直至搅拌头完全经过型腔Ⅲ，消除结构件中的气孔、夹杂和层间未熔合等缺陷，使得结构件组织均匀，性能得到提高。最后搅拌头以0.1-2mm/s的上移速度旋转拔出。最后利用机械加工的方式去除型腔以外多余的填充母料，而后打开模具，获得完整的增材塑性成型制造的结构件。

该装置及方法可以在金属不熔融的前提下，获得高性能的金属增材制造结构，实现了复杂金属结构的一次性一体增材塑性成型制造，提高了材料利用率和制造效率，解决了复杂金属结构制造精度低、材料内部缺陷多、加工工时长的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种搅拌头，所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩的底部中间；其特征在于：所述搅拌针包括圆柱体和圆台结构，其中所述圆柱体位于轴肩与圆台结构之间，所述圆柱体形成轴肩与圆台结构的过渡部分，所述圆台结构的下底面形成搅拌针的底部。

2.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于：所述圆台结构的外侧面上设置有一条或数条通流槽。

3.根据权利要求2所述的搅拌头，其特征在于：所述通流槽为螺旋结构的凹槽；

或所述通流槽为数条平行、且间隔设置的凹槽，所述凹槽的圆心位于圆台结构的轴线上。

4.一种一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，包括焊接设备，所述焊接设备上安装搅拌头，所述焊接设备的主轴带动搅拌头动作，所述搅拌头与模具装置配合工作，所述模具装置包括模具、填材；所述模具设置有型腔，所述填材放置于模具的上端面，将型腔遮蔽；所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩的底部中间，其特征在于：所述搅拌针包括圆柱体和圆台结构，其中所述圆柱体位于轴肩与圆台结构之间；所述焊接设备带动搅拌头动作时，所述填材在搅拌针和轴肩的摩擦下发生热软化，同时所述搅拌针和轴肩向下挤压填材，驱使热软化后的填材填充进入模具型腔。

5.根据权利要求4所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述圆台结构的外侧面上设置有一条或者数条通流槽。

6.根据权利要求5所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述通流槽为螺旋结构的凹槽；

或者所述通流槽为数条间隔、且平行的凹槽，所述凹槽的圆心位于圆台结构的轴线上。

7.根据权利要求4所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述圆台结构下底面为内凹面结构，和/或所述内凹面结构为圆锥、半球体中的任意一种。

8.根据权利要求6所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述通流槽的底面形状为半圆、三角形、V型结构中的任意一种。

9.采用权利要求1-8任一项所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置进行增材塑性成形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)装卡定位：将模具固定，填材铺设在模具上端面，并使填材遮蔽型腔；

(2)成型：将搅拌头安装在焊接设备主轴上，调整焊接设备，使搅拌头与模具型腔的中心在一条轴线上，启动焊接设备，焊接设备驱动搅拌头动作，使搅拌头逐渐下压填材，在搅拌针和轴肩旋转挤压下使填材受热并发生塑性变形，待轴肩接触填材上表面并嵌入填材内0.05-0.5mm深度时，焊接设备主轴停止下移，保持搅拌头静止旋转状态，使受热并发生塑性变形的填材在搅拌针和轴肩旋转挤压作用下逐渐填充进入模具型腔；待塑性变形的填材充分填补型腔后，焊接设备主轴带动搅拌头沿着型腔分布轨迹移动；直至型腔内部填材被压实，最后焊接设备主轴带动搅拌头上移旋转拔出；

(3)后续加工：去除型腔以外多余的填材，而后打开模具，获得完整的增材塑性成型制造的结构件。

10.根据权利要求9所述的一体增材塑性成型的搅拌摩擦焊装置进行增材塑性成形的方法，其特征在于，所述填料的长度、宽度和厚度分别大于所述模具型腔的长度、宽度和厚度。