CN112658460A - 一种利用静止轴肩空腔进行fsw增材制造的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种静止轴肩结构、具有其的增材制造装置及方法。其中的增材制造装置，包括静止轴肩和搅拌头，搅拌头和静止轴肩之间具有空腔结构，所述空腔结构分别与进料通道和成形口连通，搅拌头的旋转产生的切向力，能够促进丝材和颗粒料从进料通道进入空腔；工作时，静止轴肩与基板接触，仅留有静止轴肩后沿的成形口用于增材层的形成；静止轴肩结构中的进料通道保证填充材料顺利到达空腔结构中，并且空腔结构中的填充材料可以和基板充分接触，实现增材层在基板的形成，其材料成形致密，并且不易出现孔隙。

Description

一种利用静止轴肩空腔进行FSW增材制造的装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种利用静止轴肩空腔进行FSW增材制造的装置及方法。

背景技术

增材制造技术，属于快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印、叠加成型的方式来构造物体的技术。与铸造锻压、铣削加工等传统等材和减材制造技术相比有着很大的不同。目前，金属增材制造主要采用电弧、激光和电子束，以熔化金属材料的方式逐层加工制备零件。然而，铝合金由于线膨胀系数大、导热率高等原因，采用熔化-凝固的增材方法会导致构件变形严重、零件尺寸精度难以保证。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种固相连接技术，具有接头质量高、焊接变形小、焊接过程绿色无污染、自动化程度高、焊接成本低等优势，受到研究人员的关注，并将增材制造与搅拌摩擦焊相结合。

中国专利CN201810229291.X中，提出了一种新型的搅拌摩擦增材制造机，其通过在搅拌头的轴肩上端增加带螺纹的轴承，外加套筒，实现填充材料的加入，套筒和套筒轴肩形成空腔用于储存填充材料，通过该方式获得增材层。但是，该方法送入的是粉料，容易从出粉口中流出，虽然设置了挡料板，但是还是容易导致粉料的不致密、不均匀，导致材料成形不足。此外，材料在套筒和套筒轴肩形成空腔中仅与轴肩接触，难以与搅拌针作用的区域接触，增材层与工件的结合不紧密。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中静止轴肩搅拌摩擦增材制造过程中的增材层与工件的结合不紧密的缺陷，从而提供一种利用静止轴肩空腔进行FSW增材制造的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种静止轴肩结构，包括，静止轴肩本体，所述静止轴肩本体具有轴向通孔；至少一个进料通道，其成形于所述静止轴肩本体内，并朝向静止轴肩的工作端倾斜设置；所述静止轴肩本体的工作端面具有成形口。

上述静止轴肩结构中，所述进料通道的入口位于静止轴肩本体外侧；所述进料通道的出口位于静止轴肩本体内侧，并靠近所述静止轴肩的工作端，并且，所述出口低于所述入口；其中，靠近所述工作端是指，可与下述的位于工作端处搅拌头和静止轴肩之间的空腔结构相连通，从而为增材制造提供材料。

上述静止轴肩结构中，所述进料通道的入口直径可以大于或等于所述出口的直径。

上述静止轴肩结构中，所述成形口为位于所述静止轴肩本体上的缺槽结构。进一步地，上述静止轴肩结构中，所述缺槽结构位于所述进料通道的出口的对侧。

上述静止轴肩结构中，所述静止轴肩工作端的外圈直径可选择为10.0-80.0mm，内圈直径可选择为8.0-78.0mm。

上述静止轴肩结构中，所述缺槽结构在水平方向上的宽度可选择为6.0-70.0mm；所述缺槽结构的深度可选择为1.0-5.0mm。

上述静止轴肩结构中，所述缺槽结构自内而外向下倾斜，其中，倾斜角度为1-3°。

上述静止轴肩结构中，所述进料通道为直线形通道或螺旋形通道。

上述静止轴肩结构中，所述静止轴肩本体具有锥形段，所述进料通道位于所述锥形段内。

本发明还提供一种增材制造装置，包括上述的静止轴肩和搅拌头，其中，所述搅拌头穿设于所述静止轴肩的轴向通孔内。

上述增材制造装置中，所述搅拌头为搅拌针，或者所述搅拌头为无针搅拌头。

上述增材制造装置中，所述搅拌头和静止轴肩之间具有空腔结构，所述空腔结构分别与进料通道和成形口连通。

上述增材制造装置中，所述空腔结构相对于静止轴肩的工作端面的内凹量为1.0-5.0mm，且所述内凹量大于或等于所述成形口的深度。

上述增材制造装置中，所述进料通道的出口完全位于所述空腔结构的侧壁上，其中，所述进料通道的出口的孔径为0.8-4mm。

上述增材制造装置中，所述空腔结构为环形空腔或圆形空腔。

上述增材制造装置中，还包括电机、机械手和位于机械手上的旋转主轴，其中，所述搅拌头安装于所述旋转主轴上。

本发明还提供一种增材制造方法，使用上述的增材制造装置，包括以下步骤：

将搅拌头和静止轴肩夹装在增材制造装置上，设置空腔结构的内凹量；并保证静止轴肩的进料通道的入口位于静止轴肩的前沿，成形口位于静止轴肩的后沿；

启动增材制造装置，将待填充材料通过进料通道送入到空腔结构中，经过搅拌头的搅拌、摩擦作用达到塑化状态，然后塑化材料经成形口在焊接方向后侧堆积成形增材层；

当增材层开始成形时，控制所述搅拌头和静止轴肩沿焊接方向前进，在焊接方向后侧得到致密成形的增材层。

上述增材制造方法中，所述搅拌头的转速为1500-4000rpm，下压量为0-0.5mm，倾角0-2°。

上述增材制造方法中，所述搅拌头和静止轴肩的焊速为300-1500mm/min。

上述增材制造方法中，所述待填充材料为直径0.4-3mm的丝材，或者颗粒直径0.1-1mm的颗粒料。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的静止轴肩结构，其静止轴肩本体内具有朝向工作端倾斜设置的进料通道，可以保证填充材料顺利到达工作端位置处，以及在工作端面具有成形口，经过搅拌、摩擦作用得到的塑性填充材料通过该成形口在静止轴肩后沿堆积，形成增材层，以达到增材制造的目的，其中的填充材料只能从成形口挤出形成增材层，不会从其他位置外溢，材料利用率高。

2、本发明提供的增材制造装置，包括静止轴肩和搅拌头，搅拌头和静止轴肩之间具有空腔结构，所述空腔结构分别与进料通道和成形口连通，搅拌头的旋转产生的切向力，能够促进丝材和颗粒料从进料通道进入空腔；工作时，静止轴肩与基板接触，仅留有静止轴肩后沿的成形口用于增材层的形成；静止轴肩结构中的进料通道保证填充材料顺利到达空腔结构中，并且空腔结构中的填充材料可以和基板充分接触，实现增材层在基板的形成，其材料成形致密，并且不易出现孔隙。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的静止轴肩结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明实施例2中提供的增材制造焊具使用状态剖视图；

图4为图3中B处的放大图；

图5为本发明实施例3中提供的增材制造焊具使用状态剖视图；

图6为图5中C处的放大图。

附图标记说明：

1、进料通道；2、成形口；3、空腔结构；4-1、搅拌针；4-2、无针搅拌头；5、静止轴肩本体；6、基板；7、增材层。

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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种适用于增材制造的静止轴肩结构，该静止轴肩结构包括，静止轴肩本体5，所述静止轴肩本体5具有轴向通孔，该轴向通孔适于接纳下述的搅拌头以构成可用于增材制造的搅拌摩擦焊焊具；在所述静止轴肩本体5成形有进料通道1，如图2所示，该进料通道1可设有一个，为直线形，并朝向静止轴肩本体5的工作端倾斜设置，可以保证待填充材料通过进料通道1顺利到达出口并进入下述的位于工作端处搅拌头和静止轴肩本体5之间的空腔结构中；其中，所述进料通道1的入口位于静止轴肩本体5外侧，所述进料通道1的出口位于静止轴肩本体5内侧，并靠近所述静止轴肩本体5的工作端，并且，所述出口低于所述入口；其中，靠近所述工作端是指，可使进料通道1的出口与下述的位于工作端处搅拌头和静止轴肩本体5之间的空腔结构3相连通，从而为增材制造提供材料；所述静止轴肩本体5的工作端面具有成形口2，所述成形口2为位于所述静止轴肩本体5上的缺槽结构，优选地，该成形口2由静止轴肩本体5后沿进行开槽处理而得，如图2所示，所述缺槽结构位于所述进料通道1的出口的对侧，以便使得待填充材料有足够长的时间和空间在空腔结构3内搅拌塑化。

本实施例提供的静止轴肩结构，其静止轴肩本体5内具有朝向工作端倾斜设置的进料通道1，可以保证填充材料顺利到达工作端位置处，以及在工作端面具有成形口2，经过搅拌、摩擦作用得到的塑性填充材料通过该成形口2在静止轴肩本体5后沿堆积，形成增材层7，以达到增材制造的目的，其中的填充材料只能从成形口2挤出形成增材层7，不会从其他位置外溢，材料利用率高；并且填充材料可同静止轴肩本体5的端面侧壁进行限定，不需要挡料板等额外装置来防止材料流出。

作为可替换的实施方式，上述静止轴肩结构中，所述进料通道1还可设置为多个，其可以保证增材制造过程中的进料量。

作为可替换的实施方式，上述静止轴肩结构中，所述进料通道1还可设置为弯曲结构通道，例如可以是螺旋形通道，特别地，该螺旋形通道是指，沿搅拌头转动方向偏移开设的螺旋孔，其可以在搅拌头的转动及剪切作用下促进填充材料从进料通道1进入空腔结构3。

作为可替换的实施方式，上述静止轴肩结构中，所述缺槽结构也可位于与所述出口偏置的一侧。

上述静止轴肩结构中，进料通道1可以是等径的，也可以是变径的，其中，变径是指进料通道1的入口直径大于所述入口的直径，以提高送料效率。

可选择地，上述静止轴肩结构中，静止轴肩底部即静止轴肩本体5的工作端的外圈直径为10.0-80.0mm，内圈直径为8.0-78.0mm，成形口2在水平方向上的开槽宽度为6.0-70.0mm，成形口2上表面可以不设角度，也可以和焊接方向呈1-3°的夹角，并于焊接倾角配合，保证增材层7在作为待焊材料的基板6上的形成。

上述静止轴肩结构中，所述静止轴肩本体5具有锥形段，所述进料通道1位于所述锥形段内。

实施例2

如图3-4所示，本实施例提供一种增材制造装置，其包括实施例1中所述的静止轴肩本体5和搅拌头，以及电机、机械手和位于机械手上的旋转主轴；其中，所述搅拌头安装于所述旋转主轴上，并且所述搅拌头为搅拌针4-1，其中，所述搅拌针4-1穿设于所述静止轴肩本体5的轴向通孔内，如图4所示，在搅拌针4-1与静止轴肩本体5内壁之间具有一环形的空腔结构3，该空腔结构3在前端与进料通道1连通，在后端与成形口2连通，在进行增材制造时，搅拌针4-1的旋转产生的切向力，能够促进丝材和颗粒料从进料通道进入空腔结构3；工作时，静止轴肩本体5与基板6接触，仅留有静止轴肩本体5后沿的成形口用于增材层的形成；静止轴肩结构中的进料通道1保证填充材料顺利到达空腔结构3中，并且空腔结构3中的填充材料可以和基板6充分接触，实现增材层7在基板6上的形成，其材料成形致密，不易出现孔隙，并且，本实施例提供的增材制造装置，只对现有静止轴肩结构进行优化设计，不需要改造其他设备、部件，成本低。

上述增材制造装置中，搅拌针4-1相对于静止轴肩本体5最底部工作端的内凹量为1.0-5.0mm，成形口2在竖直方向上的开槽厚度为1.0-5.0mm，内凹量大于或者等于开槽厚度。所述进料通道1的出口可以完全位于所述空腔结构3的侧壁上，保证填充材料能够进入到空腔结构3中，从而提高进料效率，其中，所述进料通道的出口的孔径可选择为0.8-4mm。

上述增材制造装置中，进料通道1可以是等径的，也可以是静止轴肩本体5外表面的孔大，内壁的孔小；可以沿径向向内斜向下开孔，也可以沿搅拌头转动方向偏移开螺旋孔，从进料通道1中进入的填充材料可以是丝材也可以是颗粒料，通过外部送丝机构和送料机送入。

本实施例提供的增材制造装置进行增材制造的方法如下：

步骤一：对基板6表面进行打磨处理除去表面污渍、氧化物等，然后用丙酮进行清洗；

步骤二：将搅拌针4-1以及静止轴肩本体5夹装在搅拌摩擦焊机上，设置内凹量为1.0-5.0mm，并保证静止轴肩本体5的进料通道1位于静止轴肩本体5前沿、成形口2位于静止轴肩本体5后沿；

步骤三：启动搅拌摩擦焊机，搅拌针4-1的转速为1500-4000rpm，下压量为0-0.5mm，倾角0-2°，然后将直径0.4-3mm的丝材或者颗粒直径0.1-1mm的颗粒料通过进料通道1送入到空腔结构3中，经过搅拌针4-1的搅拌、摩擦作用达到塑化状态，然后塑化材料经成形口2在焊接方向后侧堆积成形、冷却；

步骤四：当增材层7开始成形时，设置焊具的焊速为300-1500mm/min沿焊接方向前进，丝材或者颗粒料以一定速度持续通过进料通道1送入到空腔结构3中，在焊接方向后侧得到致密成形的增材层7。

实施例3

如图5-6所示，本实施例提供一种增材制造装置，其包括实施例1中所述的静止轴肩本体5和搅拌头，与实施例2中所述的增材制造装置的不同之处在于，所述搅拌头为无针搅拌头4-2，该无针搅拌头4-2穿设于所述静止轴肩本体5的轴向通孔内，如图6所示，在无针搅拌头4-2与内壁之间具有一圆形的空腔结构3，该圆形是指在搅拌头与静止轴肩本体5内壁之间的空腔结构3在水平方向的截面为圆形，该空腔结构3在前端与进料通道1连通，在后端与成形口2连通，在进行增材制造时，无针搅拌头4-2的旋转产生的切向力及扰动力，能够促进丝材和颗粒料从进料通道进入空腔；工作时，静止轴肩本体5与基板6接触，仅留有静止轴肩本体5后沿的成形口2用于增材层7的形成；静止轴肩本体5中的进料通道1保证填充材料顺利到达空腔结构3中，并且空腔结构3中的填充材料可以和基板6充分接触，实现增材层7在基板6上的形成，其材料成形致密，不易出现孔隙，并且，本实施例提供的增材制造装置，只对现有静止轴肩本体5进行优化设计，不需要改造其他设备、部件，成本低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (21)

1.一种静止轴肩结构，其特征在于，包括，

静止轴肩本体，所述静止轴肩本体具有轴向通孔；

至少一个进料通道，其成形于所述静止轴肩本体内，并朝向静止轴肩的工作端倾斜设置；

所述静止轴肩本体的工作端面具有成形口。

2.根据权利要求1所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述进料通道的入口位于静止轴肩本体外侧；所述进料通道的出口位于静止轴肩本体内侧，并靠近所述静止轴肩的工作端；其中，所述出口低于所述入口。

3.根据权利要求2所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述成形口为位于所述静止轴肩本体上的缺槽结构。

4.根据权利要求2所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述进料通道的入口直径大于或等于所述出口的直径。

5.根据权利要求3所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述缺槽结构位于所述进料通道的出口的对侧。

6.根据权利要求1-5任一项所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述静止轴肩工作端的外圈直径为10.0-80.0mm，内圈直径为8.0-78.0mm。

7.根据权利要求3所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述缺槽结构在水平方向上的宽度为6.0-70.0mm；所述缺槽结构的深度为1.0-5.0mm。

8.根据权利要求7所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述缺槽结构自内而外向下倾斜，其中，倾斜角度为1-3°。

9.根据权利要求1所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述进料通道为直线形通道或螺旋形通道。

10.根据权利要求1所述的静止轴肩结构，其特征在于，所述静止轴肩本体具有锥形段，所述进料通道位于所述锥形段内。

11.一种增材制造装置，包括静止轴肩和搅拌头，其特征在于，所述静止轴肩为权利要求1-10任一项所述的静止轴肩，所述搅拌头穿设于所述静止轴肩的轴向通孔内。

12.根据权利要求11所述的增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头为搅拌针，或者所述搅拌头为无针搅拌头。

13.根据权利要求12所述的增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头和静止轴肩之间具有空腔结构，所述空腔结构分别与进料通道和成形口连通。

14.根据权利要求13所述的增材制造装置，其特征在于，所述空腔结构相对于静止轴肩的工作端面的内凹量为1.0-5.0mm，且所述内凹量大于或等于所述成形口的深度。

15.根据权利要求14所述的增材制造装置，其特征在于，所述进料通道的出口完全位于所述空腔结构的侧壁上，其中，所述进料通道的出口的孔径为0.8-4mm。

16.根据权利要求13所述的增材制造装置，其特征在于，所述空腔结构为环形空腔或圆形空腔。

17.根据权利要求11-16中任一项所述的增材制造装置，其特征在于，还包括电机、机械手和位于机械手上的旋转主轴，其中，所述搅拌头安装于所述旋转主轴上。

18.一种增材制造方法，使用如权利要求14或15所述的增材制造装置，其特征在于，包括以下步骤：

将搅拌头和静止轴肩夹装在增材制造装置上，设置空腔结构的内凹量；并保证静止轴肩的进料通道的入口位于静止轴肩的前沿，成形口位于静止轴肩的后沿；

启动增材制造装置，将待填充材料通过进料通道送入到空腔结构中，经过搅拌头的搅拌、摩擦作用达到塑化状态，然后塑化材料经成形口在焊接方向后侧堆积成形增材层；

当增材层开始成形时，控制所述搅拌头和静止轴肩沿焊接方向前进，在焊接方向后侧得到致密成形的增材层。

19.根据权利要求18所述的增材制造方法，其特征在于，所述搅拌头的转速为1500-4000rpm，下压量为0-0.5mm，倾角0-2°。

20.根据权利要求18所述的增材制造方法，其特征在于，所述搅拌头和静止轴肩的焊速为300-1500mm/min。

21.根据权利要求18所述的增材制造方法，其特征在于，所述待填充材料为直径0.4-3mm的丝材，或者颗粒直径0.1-1mm的颗粒料。

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