CN112828441B - 一种半固态增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种半固态增材制造装置及方法。增材制造装置，包括用于填充材料通过的中空通道的搅拌头；伸入中空通道内并与搅拌头的内壁具有一定间隙的旋转结构；以及设于搅拌头的外部用于对通过所述中空通道的填充材料加热的加热器。通过加热，将输送的填充材料进行预热，减少材料的变形抗力，便于材料的软化，在此基础上，内部旋转机构有利于促进材料向下流动且增加材料在搅拌头尖端排出的能力，并与外部搅拌头共同作用，细化成形件的晶粒尺寸，并且搅拌头的顶锻作用可以有效地避免孔洞缺陷及弱连接缺陷的产生；另外，旋转结构剧烈的搅拌摩擦作用会使得填充材料表面的氧化膜破碎，不影响成形件的性能。

Description

一种半固态增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种半固态增材制造装置及方法。

背景技术

随着制造技术的发展，目前正在从传统的制造方式逐步向先进制造方向进行转变，其中增材制造技术具有快速高效的特点，成为先进制造技术的一个典型代表。增材技术在航空航天、轨道交通以及船舶运输等制造业已经得到了广泛地研究及应用。目前，增材技术多采用激光、电子束及电弧等熔化填料的方式，但是在材料的凝固过程中会产生裂纹、气孔等缺陷。

上述现有技术中的熔化焊的方式，较高的热输入会极大的增加接头内晶粒尺寸、使得强化相溶解，进而导致接头性能的下降。镁合金具有比强度高的特点，应用十分的广泛，在目前的激光3D打印中，因为较强的反光效果，难以实现高质量打印。

搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，在焊接中材料不会发生熔化，通过搅拌摩擦增材的方式可以避免材料因为熔化而产生的缺陷，在此基础上开发出一种搅拌摩擦增材的方式，实现低温增材。该方式中，搅拌头的搅拌摩擦作用会使得接头内晶粒尺寸得到细化，且固相增材技术可以极大的减少增材过程中的热输入，进而控制增材制造零件的变形量以及增加接头的力学性能。

目前搅拌摩擦焊接中采用多层搭接的方式进行增材，没有实现真正意义上的增材制造，且多层材料的搭接界面处会存在一定的钩状缺陷，降低接头的有效承载厚度以及有效搭接宽度。增材过程中送丝的方式可以逐层增加材料，新增加的材料在无针搅拌头的搅拌挤压作用下，会具有一定的塑性变形，通过扩散连接的方式实现新层材料与下层材料之间的连接。由于连接界面位置通过热传导的方式进行连接，采用无针搅拌头会导致新增材料层与原始材料之间通过扩散连接的方式进行，在连接中容易出现弱连接甚至孔洞的缺陷。另外，以棒材为填料在增材制造过程中输送的材料尺寸较大，填料部分具有较差的塑化能力，需要较高的转速或者较低的焊接速度，难以提升增材制造的效率。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有增材制造连接过程中会出现连接缺陷的问题，从而提供一种半固态增材制造装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种增材制造装置，包括，具有中空通道的搅拌头，所述中空通道适于填充材料的通过；旋转结构，其伸入所述中空通道内，并与所述搅拌头的内壁具有一定间隙；以及加热器，其设于所述搅拌头的外部，用于对通过所述中空通道的填充材料加热。

上述增材制造装置中，所述加热器为电磁感应加热器，其环绕所述搅拌头的外壁设置。

上述增材制造装置中，所述旋转结构表面具有促进所述填充材料向下流动的螺纹结构。

上述增材制造装置中，所述搅拌头的底部具有若干个出料孔，所述出料孔与所述中空通道连通，并且，出料孔的直径小于所述中空通道的直径。

上述增材制造装置中，所述出料孔在所述搅拌头底部上环形阵列布置；所述出料孔的直径为1-5mm。

上述增材制造装置中，所述旋转结构与所述搅拌头底部之间具有一贮料空腔，所述贮料空腔为所述中空通道底部的一部分，所述贮料空腔的高度为0-5mm。

上述增材制造装置中，所述旋转结构与所述搅拌头的内壁之间的间隙为0.05-2mm。

上述增材制造装置中，还包括驱动结构，所述驱动结构包括内部旋转机构和主轴旋转机构；其中，所述主轴旋转机构通过空心主轴与所述搅拌头连接。

上述增材制造装置中，所述内部旋转机构的转速为500-5000rpm，所述主轴旋转机构的转速为500-5000rpm；并且，所述内部旋转机构和所述主轴旋转机构的转动方向相反。

本发明还提供一种增材制造方法，其采用如上述的增材制造装置，包括如下步骤：

将基板固定，在焊接中保证基板不发生位移；

驱动所述搅拌头和所述旋转结构转动，当所述搅拌头和所述旋转结构达到一定转速时，向所述中空通道中通入填充材料；

加热所述中空通道内的填充材料，并在所述搅拌头和旋转结构的共同作用下，使填充材料达到塑性状态或半固态；

控制搅拌头向前移动，进行增材制造。

上述增材制造方法中，向所述中空通道中通入填充材料后，在旋转结构下方空腔内会积累一定的填充材料，在所述旋转结构的挤压作用下，逐渐从搅拌头底部的出料孔排出。

上述增材制造方法中，在第一层增材制造结束后重复进行后续各层的增材制造；制造完成后，将所述基板和增材制造的零件分离。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的增材制造装置，包括具有中空通道的搅拌头，所述中空通道适于填充材料的通过；旋转结构，其伸入所述中空通道内，并与所述搅拌头的内壁具有一定间隙；以及设于所述搅拌头的外部的加热器，用于对通过所述中空通道的填充材料加热。通过加热，将输送的填充材料进行预热，减少材料的变形抗力，便于材料的软化，甚至呈现出半固态效果；在此基础上，内部旋转机构有利于促进材料向下流动且增加材料在搅拌头尖端排除的能力，并可与外部搅拌头共同作用，细化接头的晶粒尺寸，从而有效的避免孔洞缺陷及弱连接缺陷；另外，旋转结构的搅拌摩擦作用会使得填充材料表面的氧化膜剧烈破碎，不影响成形件的性能。

2、本发明提供的增材制造装置，在无针搅拌头底部设有若干个与中空通道连通的出料孔，并且出料孔的直径小于所述中空通道的直径，通过增加小孔数量，将一个材料输出通道变成多个通道同时输出，可以减小材料的输出直径，便于增材成形，以及增加搅拌头对填充材料的搅拌作用。

3、本发明提供的增材制造装置，内部增加旋转机构，且旋转机构底部增加贮料空腔，其中，所述贮料空腔为所述中空通道底部的一部分；在以粉末或者丝材作为填料时，内部旋转机构不仅对材料有促进向下流动的能力，还对贮料空腔内的材料具有顶锻作用；当材料处于半固态时，材料塑性较强，存在搅拌头下部空腔时，在搅拌头内部旋转轴的搅拌摩擦作用下可以进一步破碎材料表面的氧化膜，不对接头质量产生影响。

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增材制造装置的使用状态示意图；

图2为本发明实施例1中提供的增材制造装置的剖视图；

图3为本发明实施例2中提供的增材制造装置的剖视图；

附图标记说明：

1、基板；2、电磁感应加热器；3、进料孔；4、搅拌头；5、增材层；6、旋转结构；7、出料孔。

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，本实施例提供一种增材制造装置，该装置以增材制造的方式制备零件，具体地是在基板1上依次成形层状的增材层5，所述基板1用于材料的沉积。本实施例提供的增材制造装置包括，搅拌头4、旋转结构6以及加热器；其中，搅拌头4具有中空通道3，其与作为驱动结构一部分的主轴旋转机构通过空心主轴连接，通过空心主轴向中空通道3内进行材料的填充，所述中空通道3适于填充材料的通过；旋转结构6，其与作为驱动结构另一部分的内部旋转机构连接，并伸入所述中空通道3内，所述旋转结构6与所述搅拌头4的内壁具有一定间隙，优选地，两者之间的距离可以选择为0.05-2mm，搅拌头内部旋转工具对空腔材料的搅拌摩擦以及挤压作用，有利于晶粒细化；所述加热器设于所述搅拌头的外部，用于对通过所述中空通道的填充材料加热。

本实施例提供的增材制造装置，通过加热，将输送的粉末状或丝状的填充材料进行预热，减少材料的变形抗力，便于材料的软化，甚至呈现出半固态效果；在此基础上，内部旋转机构有利于促进材料向下流动且增加材料在搅拌头尖端排除的能力，并可与外部搅拌头共同作用，细化接头的晶粒尺寸，从而有效的避免孔洞缺陷及弱连接缺陷；另外，旋转结构的搅拌摩擦作用会使得填充材料表面的氧化膜剧烈破碎，不影响成形件的性能。

可选择地，上述增材制造装置中，所述加热器为电磁感应加热器2，其环绕所述搅拌头4的外壁设置。作为外部辅助加热装置的电磁感应加热器2具有结构简单且无接触加热，采用辅助加热的方式可以增加输出材料的软化程度，塑性较好的材料具有可以快速输出的特点，增加增材效率；加热同时可以使得材料达到半固态情况，结合搅拌头4的挤压作用，有利于避免常规搅拌摩擦增材中容易产生的缺陷。电磁感应加热器2，可以通过调整功率，使搅拌头4内部材料获得预期的状态，以便于进行固态增材或者进行半固态增材。

优选地，上述增材制造装置中，所述旋转结构6表面具有促进所述填充材料向下流动的螺纹结构，在促进材料向下流动的同时，可进一步提高搅拌效果，从而进一步细化接头的晶粒尺寸，以及加剧填充材料表面氧化膜的破碎。

可选择地，上述增材制造装置中，所述搅拌头4的底部具有若干个出料孔7，所述出料孔7与所述中空通道3连通，并且，出料孔7的直径小于所述中空通道3的直径。通过在无针搅拌头底部通过增加小孔数量，将一个材料输出通道变成多个通道同时输出，可以减小材料的输出直径，便于增材成形，以及增加搅拌头对填充材料的搅拌作用。优选地，上述增材制造装置中，出料孔7可以以圆环阵列的方式进行分布，出料孔7直径为1-5mm。

优选地，上述增材制造装置中，所述旋转结构与所述搅拌头底部之间具有一贮料空腔，所述贮料空腔为所述中空通道底部的一部分。在以粉末以及丝材作为填料时，内部旋转机构不仅对材料有促进向下流动的能力，还对贮料空腔内的材料具有顶锻作用；当材料受热及搅拌作用处于半固态时，材料塑性较强，存在搅拌头下部空腔时，在搅拌头内部旋转轴的搅拌摩擦作用下可以进一步破碎材料表面的氧化膜，不对接头质量产生影响。特别地，所述贮料空腔的高度为0-5mm，增加空腔结构，利用搅拌头旋转结构尖端，增加对排出材料的搅拌作用。当空腔高度较长时，会因为距离过大而使得材料流动减弱，进而使得材料沿着出料孔流出能力减弱。

相比于传统搅拌摩擦增材制造方法，本发明中采用感应加热的方式以及内部旋转轴的搅拌摩擦作用的方式相结合，尽管同样是在固态下成形，但是加热作用以及旋转结构6底部空腔的作用下，材料的塑性会得到极大的提升，甚至达到半固态，便于冶金缺陷的消除，便于材料快速流出，有效的提升增材制造的效率，并且内部旋转轴的搅拌摩擦作用会使得填充材料表面的氧化膜剧烈破碎，不影响成形件的性能；搅拌头内部旋转工具对空腔材料的搅拌摩擦以及挤压作用，有利于晶粒细化。

本实施例提供的增材制造装置的实施步骤如下：

将基板1通过机械连接的方式固定于工作台上，在焊接中保证基板1不发生旋转以及不产生位移，保证增材质量；

在增材制造前，启动主轴旋转机构使其进行旋转，当空心主轴达到一定转速后，通过空心主轴上部进行材料的填充，搅拌头4内部的旋转结构可以促进材料向下流动，促进材料首先进入旋转工具底部的空腔；特别的，在以粉末或丝材为填料时，首先将搅拌头4内部的旋转结构6和内部旋转机构进行相连，搅拌头4和主轴旋转机构相连，内部旋转机构和主轴旋转机构分别由独立的旋转机构进行控制；优选地，增材中内部旋转工具的转速为500-5000rpm，外部空心搅拌头的旋转速度为500-5000rpm；并且，旋转结构6与搅拌头4的旋转方向相反；

将填充材料通过空心主轴添加至搅拌头内部，在感应加热及搅拌头内部旋转工具的作用下，在旋转工具下方空腔内会积累一定的材料，在内部旋转工具的挤压作用下，逐渐从搅拌头底部的出料孔逐渐排出；

在增材制造过程中，搅拌头向前方移动速度为5-5000mm/min；增材过程中，填充材料受热作用容易出现氧化层，进而影响连接质量。当材料处于半固态时，材料塑性较强，存在搅拌头下部贮料空腔时，在搅拌头内部旋转轴的搅拌摩擦作用下可以破碎材料表面的氧化膜，不对接头质量产生影响；

优选的，为了保证较高的焊接速度，在增材制造过程中需要将感应加热装置调整到较高的温度，感应加热需要将搅拌头内部、内部旋转搅拌工具底部的材料升高到熔点的50-80%，使得材料达到较高的塑性状态，甚至出现半固态，增加增材效率；

第一层加工制造结束后进行第二层的制备，重复以上过程；

制备零件完成后，将基板和零件取下，并通过机械加工的方式将零件于基板分离。

本实施例提供的增材制造方法，包括以下步骤：

将基板固定，在焊接中保证基板不发生位移；驱动所述搅拌头和所述旋转结构转动，当所述搅拌头和所述旋转结构达到一定转速时，向所述中空通道中通入填充材料；加热所述中空通道内的填充材料，并在所述搅拌头和旋转结构的共同作用下，使填充材料达到塑性状态或半固态；控制搅拌头向前移动，进行增材制造。

上述增材制造方法中，向所述中空通道中通入填充材料后，在旋转结构下方空腔内会积累一定的填充材料，在所述旋转结构的挤压作用下，逐渐从搅拌头底部的出料孔排出。

上述增材制造方法中，在第一层增材制造结束后重复进行后续各层的增材制造；制造完成后，将所述基板和增材制造的零件分离。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种增材制造装置，与实施例1中所示的增材制造装置的不同之处在于，不设置内部旋转机构。其适用于以棒材为填充材料时，仅需要外部旋转搅拌头4，而不采用内部旋转工具，并且需要在棒材的顶部施加持续的顶锻作用，便于材料从出料孔7中排出。另外，搅拌头末端通过多个出料孔输出材料，可以将棒材的大尺寸变成小尺寸，利于增材成型。

本实施例提供的增材制造装置的实施步骤如下：

将基板通过机械连接的方式固定于工作台上，在焊接中保证基板1不发生旋转以及不产生位移，保证增材质量；

在增材制造前，启动主轴旋转机构使其进行旋转，当空心主轴达到一定转速后，通过空心主轴上部进行棒材的填充；将填充材料通过空心主轴添加至搅拌头内部，在感应加热及搅拌头内部旋转工具的作用下，在旋转工具下方空腔内会积累一定的材料，在内部旋转工具的挤压作用下，逐渐从搅拌头底部的出料孔逐渐排出；

在增材制造过程中，搅拌头向前方移动速度为5-5000mm/min；优选的，为了保证较高的焊接速度，在增材制造过程中需要将感应加热装置调整到较高的温度，感应加热需要将搅拌头内部、内部旋转搅拌工具底部的材料升高到熔点的50-80%，使得材料达到较高的塑性状态，甚至出现半固态，增加增材效率；

第一层加工制造结束后进行第二层的制备，重复以上过程；

制备零件完成后，将基板和零件取下，并通过机械加工的方式将零件于基板分离。

本实施例提供的增材制造装置，在搅拌头外部增加感应加热装置，外部辅助具有结构简单且无接触加热；采用辅助加热的方式可以增加输出材料的软化程度，塑性较好的材料具有可以快速的输出，增加增材效率；在棒材的顶部施加持续的顶锻作用，便于材料从流出孔排出；其在加热同时可以使得材料达到半固态情况，结合搅拌头的挤压作用，有利于避免常规搅拌摩擦增材中容易产生的缺陷。

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 (5)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括，

搅拌头，其具有中空通道，所述中空通道适于填充材料的通过；

旋转结构，其伸入所述中空通道内，并与所述搅拌头的内壁具有一定间隙，所述旋转结构与所述搅拌头的内壁之间的间隙为0.05-2mm；

加热器，其设于所述搅拌头的外部，用于对通过所述中空通道的填充材料加热；

驱动结构，所述驱动结构包括内部旋转机构和主轴旋转机构，所述主轴旋转机构通过空心主轴与所述搅拌头连接，所述内部旋转机构的转速为500-5000rpm，所述主轴旋转机构的转速为500-5000rpm，所述内部旋转机构和所述主轴旋转机构的转动方向相反；

其中，所述旋转结构表面具有促进所述填充材料向下流动的螺纹结构；

所述搅拌头的底部具有若干个出料孔，所述出料孔与所述中空通道连通，出料孔的直径小于所述中空通道的直径；所述出料孔在所述搅拌头底部上环形阵列布置，所述出料孔的直径为1-5mm；所述旋转结构与所述搅拌头底部之间具有一贮料空腔，所述贮料空腔为所述中空通道底部的一部分，所述贮料空腔的高度h为0<h≤5mm；所述内部旋转机构不仅对材料有促进向下流动的能力，还对贮料空腔内的材料具有顶锻作用；利用所述搅拌头的旋转结构尖端，增加对排出材料的搅拌作用；所述填充材料在所述加热器及所述内部旋转机构的作用下，在旋转工具下方空腔内会积累一定的材料，在所述内部旋转机构的挤压作用下，逐渐从所述出料孔排出。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述加热器为电磁感应加热器，其环绕所述搅拌头的外壁设置。

3.一种增材制造方法，其采用如权利要求1-2任一项所述的增材制造装置，包括如下步骤：

将基板固定，在焊接中保证基板不发生位移；

驱动所述搅拌头和所述旋转结构转动，当所述搅拌头和所述旋转结构达到一定转速时，向所述中空通道中通入填充材料；

加热所述中空通道内的填充材料，并在所述搅拌头和旋转结构的共同作用下，使填充材料达到塑性状态或半固态；

控制搅拌头向前移动，进行增材制造。

4.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，向所述中空通道中通入填充材料后，在旋转结构下方空腔内会积累一定的填充材料，在所述旋转结构的挤压作用下，逐渐从所述出料孔排出。

5.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，在第一层增材制造结束后重复进行后续各层的增材制造；制造完成后，将所述基板和增材制造的零件分离。

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