CN113134674A - 一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，特别适用于多层搅拌摩擦增材的制造，该搅拌摩擦增材装置的围栏适于在工作台上限定出增材区域，所述围栏的至少一部分可升降设置，并且，围栏内侧具有冷却喷嘴；可升降设置的围栏可以带动冷却喷嘴随焊上移，从而冷却增材材料的下层区域，以保证下层区域的稳固支撑，从而提高多层材料增材的质量；另外，设置在所述围栏的顶部的加热器也可随焊上移，以控制所述加热器辅助加热上层区域的增材材料，即所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，提高增材界面的温度，增加该界面处材料的扩散能力，增加界面结合强度，从而提高成型质量。

Description

一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置及方法。

背景技术

增材制造是一种新兴的材料加工技术，尤其针对复杂机械机构，具有快速高效的加工优势。搅拌摩擦增材制造作为一种固相增材技术，通过搅拌头摩擦产生热量使之达到塑化状态。一般为了使材料达到良好的塑性状态，需要极高的转速才能获得充足的热量，但是，这将对设备提出较大的性能要求。

对于高温增材材料，例如铜，在较低转速下，无法达到良好的塑性状态。对于较低温的增材材料，例如铝，其可以在低转速下达到塑性状态，但是，采用常规的增材工艺，搅拌头并未穿入结合面的下层材料，增材材料与下层之间仅靠温度与压力结合，并且在搅拌头处于低转速下，界面温度较低，所以界面的结合能力也较差。另外，搅拌摩擦增材过程中，增材材料在搅拌头中伸出，碰到冰冷的基板时会散失热量，会进一步造成材料塑化不佳。当增材高度较高时，增材后底层的材料由于未及时冷却或受热，在受到上层增材搅拌头的挤压过程中，其会在承载上层增材材料时不能起到良好的支撑作用。

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多层搅拌摩擦增材制造时，成型效果差的问题，从而提供一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特别适用于多层搅拌摩擦增材的制造，并提高成型质量，该搅拌摩擦增材装置包括，

工作台和围栏，所述围栏适于在工作台上限定出增材区域，所述围栏的至少一部分可升降设置，并且，其内侧具有冷却喷嘴；

搅拌头，其可受驱动在所述增材区域内进行增材制造；

加热器，其设置在所述围栏的顶部；

以及控制器，其分别与所述搅拌头的驱动装置及围栏的驱动装置通信连接，所述控制器根据所述搅拌头的增材信息向所述围栏的驱动装置发送相应的驱动信号，以控制所述加热器加热增材材料的上层区域、所述冷却喷嘴喷出的冷却介质冷却增材材料的下层区域。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述围栏包括一级挡板和二级挡板，所述一级挡板具有第一腔体，所述二级挡板可向上伸出地设置于所述第一腔体内；其中，所述第一腔体内具有所述围栏的驱动装置，所述围栏的驱动装置的活动端与所述二级挡板连接。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述围栏的驱动装置为气缸，其活动端固定连接至所述二级挡板的内腔。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述一级挡板的顶部具有通孔，所述通孔供所述二级挡板伸出；所述二级挡板的底部设有凸出部，所述凸出部适于与所述一级挡板的通孔边缘的顶壁抵接限位。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述气缸的活动端通过垫块与所述二级挡板的内腔顶壁连接。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述冷却喷嘴为雾化喷头；所述二级挡板的内侧壁上均匀设有若干所述雾化喷头。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述一级挡板的内侧壁上均匀设有若干所述雾化喷头。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述加热器为感应线圈，其环绕在所述二级挡板的顶部。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，还包括基板，所述基板定位在工作台上，所述增材区域位于所述基板上。

本发明还提供一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材方法，采用上述的装置，其包括以下步骤：

根据待增材零件的尺寸选择合适的围栏，将所述围栏放置在工作台上以限定出增材区域；

控制所述搅拌头在所述增材区域内进行增材制造；

开始进行第一层增材制造时，所述围栏处于最低高度，其内侧的冷却喷嘴处于非工作状态，控制加热器对增材位置进行辅助加热；

控制搅拌头依次进行各层增材制造，当增材至第一预设高度时，开启所述冷却喷嘴，对位于下层的增材进行冷却；当增材至第二预设高度时，控制所述围栏的至少一部分上升，以使得所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，对相对于增材位置靠下的增材进行冷却，直至增材完成。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，特别适用于多层搅拌摩擦增材的制造，该搅拌摩擦增材装置的围栏适于在工作台上限定出增材区域，所述围栏的至少一部分可升降设置，并且，围栏内侧具有冷却喷嘴；可升降设置的围栏可以带动冷却喷嘴随焊上移，从而冷却增材材料的下层区域，以保证下层区域的稳固支撑，从而提高多层材料增材的质量；另外，设置在所述围栏的顶部的加热器也可随焊上移，以控制所述加热器辅助加热上层区域的增材材料，即所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，提高增材界面的温度，增加该界面处材料的扩散能力，增加界面结合强度，从而提高成型质量。

2、本发明提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，所述围栏包括一级挡板和二级挡板，所述一级挡板具有第一腔体，所述二级挡板可向上伸出地设置于所述第一腔体内，其中，所述第一腔体内具有所述围栏的驱动装置，所述围栏的驱动装置的活动端与所述二级挡板连接，通过所述围栏的驱动装置将二级挡板升起实现加热器与冷却喷嘴跟随增材，其结构简单、性能稳定。

3、本发明提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材方法，其根据待增材零件的尺寸选择合适的围栏，将所述围栏放置在工作台上以限定出增材区域；然后进行增材制造，在开始进行第一层增材制造时，围栏处于最低高度，其内侧的冷却喷嘴处于非工作状态，控制加热器对增材位置进行辅助加热；控制搅拌头依次进行各层增材制造，当增材至第一预设高度时，开启所述冷却喷嘴，对位于下层的增材进行冷却；当增材至第二预设高度时，控制所述围栏的至少一部分上升从而使所述加热器以及围栏随焊提高，以使得所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，对相对于增材位置靠下的增材进行冷却，直至增材完成，本方法可以提高增材界面的温度，增加该界面处材料的扩散能力，增加界面结合强度的同时，又能够对位于下层的增材进行激冷冷却，保持稳固支撑，从而提高增材的成型质量。

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辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置顶部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的围栏剖视图。

附图标记说明：

1-主轴；2-感应线圈；3-二级挡板；4-一级挡板；5-基板；6-增材零件；7-搅拌头；8-冷却喷嘴；9-垫块；10-气缸。

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“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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1-3所示，本实施例提供一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，特别适用于多层搅拌摩擦增材的制造，采用冷却与加热联合形式，增加增材材料性能，以提高成型质量，本实施例提供的搅拌摩擦增材装置包括，基板5，所述基板5定位在工作台上，还包括围栏，所述围栏优选地包括一级挡板4和二级挡板3，所述适于在工作台上限定出增材区域，具体地，限定出的增材区域为基板5上限定的区域；所述二级挡板3可相对于一级挡板下下运动，以使得所述围栏的至少一部分可升降设置；并且，在所述围栏的内侧设有冷却喷嘴8，作为优选的实施方式，所述冷却喷嘴8可同时设置在所述一级挡板4和二级挡板3的内侧四周都均匀设有所述冷却喷嘴8；另外，作为可替换的方式，所述冷却喷嘴8也可仅设置在二级挡板 3的四周内侧。上述二级挡板3上设置的冷却喷嘴8可以随着二级挡板3而上下运动，从而朝向限定的区域内喷射冷却介质，该冷却介质可以是冷却液或冷却空气，以使得冷却介质喷射区域内的增材得到冷却，有效解决下部材料过热而支撑力不足的问题。

本实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，搅拌头7 由主轴1驱动，所述主轴可由机器人带动，或由其它搅拌摩擦焊接设备驱动，所述搅拌头7受驱动可以在上述限定的增材区域内进行层层增材制造，最终形成增材零件。

本实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，还包括加热器，其设置在所述围栏的顶部，也就是说，所述加热器在所述围栏的顶部同样所述限定出的增材区域设置，以为顶部的增材层提供辅助加热，从而提高增材界面的温度，增加该界面处材料的扩散能力，增加界面结合强度。可选择地，所述加热器为感应线圈2，如图1和图2所示，其环绕在所述二级挡板3的顶部。

本实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，还包括控制器，控制器分别与所述搅拌头的驱动装置及围栏的驱动装置通信连接，具体地，所述控制器分别与焊接机器人和围栏的驱动结构通信连接，所述控制器根据所述搅拌头的增材信息向所述围栏的驱动装置发送相应的驱动信号，以控制所述加热器加热增材材料的上层区域、所述冷却喷嘴喷出的冷却介质冷却增材材料的下层区域。具体地，在增材过程中，当开始进行第一层增材制造时，所述围栏处于最低高度，其内侧的冷却喷嘴处于非工作状态，控制加热器对增材位置进行辅助加热；控制器可控制搅拌头依次进行各层增材制造，当增材至第一预设高度时，开启所述冷却喷嘴，对位于下层的增材进行冷却；当增材至第二预设高度时，控制所述围栏的至少一部分上升，以使得所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，对相对于增材位置靠下的增材进行冷却，直至增材完成。

本实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其围栏适于在工作台上限定出增材区域，所述围栏的至少一部分可升降设置，并且，围栏内侧具有冷却喷嘴；可升降设置的围栏可以带动冷却喷嘴随焊上移，从而冷却增材材料的下层区域，以保证下层区域的稳固支撑，从而提高多层材料增材的质量；另外，设置在所述围栏的顶部的加热器也可随焊上移，以控制所述加热器辅助加热上层区域的增材材料，即所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，提高增材界面的温度，增加该界面处材料的扩散能力，增加界面结合强度，从而提高成型质量。

可选择地，上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述一级挡板4具有第一腔体，所述二级挡板3可向上伸出地设置于所述第一腔体内；其中，所述第一腔体4内具有所述围栏的驱动装置，该驱动装置优选为气缸10，也可选择为电缸等直线驱动结构，所述气缸的活动端与所述二级挡板连接。通过所述围栏的驱动装置将二级挡板升起实现加热器与冷却喷嘴跟随增材，其结构简单、性能稳定。

上述气缸的活动端固定连接至所述二级挡板的内腔，另外，气缸的活动端通过垫块9与所述二级挡板3的内腔顶壁连接，以增加所述二级挡板3 的行程距离。另外，所述围栏可不止仅设有一级挡板和二级挡板，还可以设置三级或更多级挡板，具体的高度及级数，可根据待增材零件的厚度而定。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述一级挡板4的顶部具有通孔，所述通孔供所述二级挡板3伸出；所述二级挡板3的底部设有凸出部，所述凸出部适于与所述一级挡板的通孔边缘的顶壁抵接限位，以限位所述二级挡板相对于一级挡板的极限位置，增加装置的稳定性。

上述辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，所述冷却喷嘴可选择为雾化喷头；所述二级挡板的内侧壁上均匀设有若干所述雾化喷头，可将水雾化喷出，对材料进行冷却；所述一级挡板的内侧壁上也可均匀设有若干所述雾化喷头，对底部的对材料进行冷却。

本实施例提供的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置中，增材底层材料时，不需要开启气缸，对底层基板进行加热从而进行增材过程。随着材料的增高，开启气缸带动感应线圈和雾化喷头升高，此时感应线圈对上层材料进行加热从而增加材料的塑性，提高增材的质量，与此同时，将雾化喷头打开对下层增材的材料进行冷却，保证下层增材的材料不会被加热，保持稳固的支撑，从而提高了多层材料增材的高质量。

本实施例还提供一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材方法，采用上述的装置，其包括以下步骤：

根据待增材零件的尺寸选择合适的围栏，将所述围栏放置在工作台上以限定出增材区域；

控制所述搅拌头在所述增材区域内进行增材制造；

开始进行第一层增材制造时，所述围栏处于最低高度，其内侧的冷却喷嘴处于非工作状态，控制加热器对增材位置进行辅助加热；

控制搅拌头依次进行各层增材制造，当增材至第一预设高度时，开启所述冷却喷嘴，对位于下层的增材进行冷却；当增材至第二预设高度时，控制所述围栏的至少一部分上升，以使得所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，对相对于增材位置靠下的增材进行冷却，直至增材完成。

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 (10)

1.一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，包括，

工作台和围栏，所述围栏适于在工作台上限定出增材区域，所述围栏的至少一部分可升降设置，并且，其内侧具有冷却喷嘴；

搅拌头，其可受驱动在所述增材区域内进行增材制造；

加热器，其设置在所述围栏的顶部；

以及控制器，其分别与所述搅拌头的驱动装置及围栏的驱动装置通信连接，所述控制器根据所述搅拌头的增材信息向所述围栏的驱动装置发送相应的驱动信号，以控制所述加热器加热增材材料的上层区域、所述冷却喷嘴喷出的冷却介质冷却增材材料的下层区域。

2.根据权利要求1所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述围栏包括一级挡板和二级挡板，所述一级挡板具有第一腔体，所述二级挡板可向上伸出地设置于所述第一腔体内；其中，所述第一腔体内具有所述围栏的驱动装置，所述围栏的驱动装置的活动端与所述二级挡板连接。

3.根据权利要求2所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述围栏的驱动装置为气缸，其活动端固定连接至所述二级挡板的内腔。

4.根据权利要求2或3所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述一级挡板的顶部具有通孔，所述通孔供所述二级挡板伸出；所述二级挡板的底部设有凸出部，所述凸出部适于与所述一级挡板的通孔边缘的顶壁抵接限位。

5.根据权利要求3所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述气缸的活动端通过垫块与所述二级挡板的内腔顶壁连接。

6.根据权利要求4所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述冷却喷嘴为雾化喷头；所述二级挡板的内侧壁上均匀设有若干所述雾化喷头。

7.根据权利要求6所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述一级挡板的内侧壁上均匀设有若干所述雾化喷头。

8.根据权利要求2或3所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述加热器为感应线圈，其环绕在所述二级挡板的顶部。

9.根据权利要求1所述的辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括基板，所述基板定位在工作台上，所述增材区域位于所述基板上。

10.一种辅助加热、激冷联合搅拌摩擦增材方法，采用如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

根据待增材零件的尺寸选择合适的围栏，将所述围栏放置在工作台上以限定出增材区域；

控制所述搅拌头在所述增材区域内进行增材制造；

开始进行第一层增材制造时，所述围栏处于最低高度，其内侧的冷却喷嘴处于非工作状态，控制加热器对增材位置进行辅助加热；

控制搅拌头依次进行各层增材制造，当增材至第一预设高度时，开启所述冷却喷嘴，对位于下层的增材进行冷却；当增材至第二预设高度时，控制所述围栏的至少一部分上升，以使得所述加热器始终对增材位置进行辅助加热，对相对于增材位置靠下的增材进行冷却，直至增材完成。

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