CN113500287A - 一种摩擦焊接增材设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦焊接增材设备，包括机座、旋转装置、轴肩、挤出杆、轴套、挤出装置。本发明还提供了采用上述摩擦焊接增材设备进行增材制造的方法。本发明可以实现铝合金等金属材料的高质量增材制造，提高材料利用率和生产效率。

Description

一种摩擦焊接增材设备及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种摩擦焊接增材设备及方法。

背景技术

增材制造技术区别于传统的铸、锻、焊等热加工“等材成形”技术及车、铣、磨等冷加工“减材成形”技术的一种全新的制造方法，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。

目前常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造，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，摩擦增材制造作为一种固相增材制造方法，增材材料具有晶粒细小、组织致密等优点，是一种具有发展潜力的增材方法，在轻合金增材方面独具优势。

发明专利CN202110134068.9中公开了一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法，该方法通过往搅拌头中空腔体送入丝材，利用活塞挤压丝材成棒体后与搅拌头一起旋转，与待增材基质摩擦生热实现增材，但是此方法有两个不足，一是丝材在搅拌头中空腔体内挤紧后与搅拌头贴合非常紧密，增材材料工作时很难挤出来，影响生产效率，另外一个就是，搅拌头带着棒体旋转时，与活塞有相对转动，导致活塞与棒体摩擦生热，棒体软化后活塞会插入棒体内，会导致增材材料更难挤出，而且在停止旋转后活塞与棒体也将会焊接成一体，影响设备运行。

发明专利CN201810234931.6中公开了一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法，该方法通过棒材与轴肩内腔进行相对旋转产生的摩擦作用下热塑化，热塑化的材料在顶锻力作用下沿轴肩下端的中心通孔流出，流出的热塑化材料在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面，此方法不足之处在于，为了实现棒材与轴肩内腔相对旋转摩擦，棒材截面尺寸始终会比轴肩下端的中心通孔大，所以不能将增材材料全部挤出，软化的材料在空腔内堆积，影响材料的挤出和生产效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种摩擦焊接增材设备及方法，可以实现铝合金等金属材料的高质量增材制造，提高材料利用率和生产效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种摩擦焊接增材设备，包括机座、旋转装置、轴肩、挤出杆、轴套、挤出装置。

作为优选，所述旋转装置安装在所述机座上，所述旋转装置为任一产生旋转运动的装置，可以驱动所述轴肩旋转。

作为优选，所述旋转装置为伺服电机驱动带轮传动。

作为优选，所述轴肩的旋转速度为100r/min~2000r/min。

作为优选，所述轴肩有贯通的中空内腔，中空内腔两端的截面为非圆形。

作为优选，所述轴肩的中空内腔两端的截面为方形。

作为优选，所述轴肩的中空内腔为贯通的方形。

作为优选，所述轴肩的挤出端的端面设有由中心向外扩散的槽。

作为优选，所述轴肩的挤出端的端面设有凸起，由中心向外扩散。

作为优选，所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔中移动，所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔移动的前端至少有一段截面为非圆形，所述挤出杆的非圆形的部分与所述轴肩的非圆形中空内腔相配合，从而所述挤出杆可以随所述轴肩旋转。

作为优选，所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔移动的前端的截面形状为方形。

作为优选，所述轴套与所述挤出杆一端相连，所述挤出杆与所述轴套连接的一端为圆形，所述轴套有与所述挤出杆配合的圆孔，所述挤出杆可与所述轴套作相对旋转。

作为优选，所述挤出装置安装在所述机座上，一端与所述轴套相连，所述挤出装置为任一产生直线运动的装置，驱动所述轴套作相对移动，从而带动所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔中移动。

作为优选，所述挤出装置为电缸。

本发明还提供了采用上述摩擦焊接增材设备进行增材制造的方法，包括如下步骤：

S1、将摩擦焊接增材设备下移使轴肩接触基体的待增材区表面；

S2、将母材放入轴肩的中空内腔中；

S3、挤出装置驱动轴套带动挤出杆向下移动，插入轴肩的中空内腔；

S4、旋转装置驱动轴肩旋转，带动母材和挤出杆同步旋转，母材和基体、轴肩和基体相互进行摩擦产热使母材和基体软化；

S5、挤出装置持续驱动轴套带动挤出杆向下移动给母材向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩的旋转往外扩散；

S6、移动摩擦焊接增材设备使扩散的母材在轴肩的顶锻力下连续沉积在基体上。

在步骤S1中也可以使轴肩的端面高于基体待增材区表面一定高度，高度为0.5mm~5mm，其步骤如下：

S1、将摩擦焊接增材设备下移使轴肩的端面高于基体待增材区表面一定高度；

S2、将母材放入轴肩的中空内腔中；

S3、挤出装置驱动轴套带动挤出杆向下移动，插入轴肩的中空内腔；

S4、旋转装置驱动轴肩旋转，带动母材和挤出杆同步旋转，母材和基体相互进行摩擦产热使母材和基体软化；

S5、挤出装置持续驱动轴套带动挤出杆向下移动给母材向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩的旋转往外扩散，轴肩和挤出至端面的母材相互进行摩擦产热；

S6、移动摩擦焊接增材设备使扩散的母材在轴肩的顶锻力下连续沉积在基体上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、母材不会和与轴肩的中空内腔紧密贴合，可以有效降低增材所需的挤出力；

2、母材、挤出杆随轴肩同步旋转，母材与轴肩、挤出杆与母材间均没有相对转动，因此除了与基板相摩擦的母材端部会软化外，其他地方不会软化，从而不会出现软化的材料堵塞轴肩的中空内腔的情况，可以进一步降低增材所需的挤出力，提高生产效率；

3、挤出杆与母材间没有相对转动，对母材仅有推力，不会出现连接在一起的情况；

4、挤出杆可以将母材完全挤出，提高材料利用率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的轴肩3的典型结构一示意图；

图3是本发明的挤出杆4的典型结构示意图；

图4是本发明的轴套5的典型结构示意图；

图5是本发明的轴肩3的典型结构二示意图；

图6是本发明的轴肩3的典型结构三示意图；

图7是本发明的轴肩3的典型结构四示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一：

如图1~图4所示，一种摩擦焊接增材设备，包括机座1、旋转装置2、轴肩3、挤出杆4、轴套5、挤出装置6。

旋转装置2安装在机座1上，包括电机和带轮传动，电机带动带轮驱动轴肩3旋转，轴肩3的旋转速度为100~2000r/min可调。

轴肩3有贯通的中空内腔，中空内腔截面为贯通的方形。

挤出杆4在轴肩3的中空内腔中移动，挤出杆4插入轴肩3的中空内腔的部分的截面形状为方形，挤出杆4与轴肩3的方形中空内腔相配合，轴肩3旋转时可带着挤出杆4旋转。

轴套5与挤出杆4一端相连，挤出杆4可与轴套5作相对旋转。

挤出装置6安装在机座1上，一端与轴套5相连，挤出装置6为电缸，挤出装置6驱动轴套5作上下移动，从而带动挤出杆4在轴肩3的中空内腔中上下移动。

母材8的截面为与方形中空内腔相配合的方形，轴肩3旋转时可带着母材8旋转。

增材制造时，母材8放入轴肩3的中空内腔中，一端穿过中空内腔与基体7的待增材区表面接触，挤出杆4插入轴肩3的中空内腔，旋转装置2驱动轴肩3旋转，带动母材8和挤出杆4同步旋转，挤出装置6驱动轴套5推动挤出杆4往下移，从而给母材8一个向下的挤出力，母材8和基体7、轴肩3和基体7相互进行摩擦产热使母材8和基体7软化，在挤出装置6的挤出力作用下，将软化的母材挤出并随着轴肩3的旋转往外扩散，并随轴肩3的旋转和移动在轴肩3的顶锻力下沉积在基体7上。

实施例二：

具体实施过程中，包括以下实施步骤：

S1、将设备下移使轴肩3接触基体7的待增材区表面；

S2、将母材8放入轴肩3的中空内腔中；

S3、挤出装置6驱动轴套5带动挤出杆4向下移动，插入轴肩3的中空内腔；

S4、旋转装置2驱动轴肩3旋转，带动母材8和挤出杆4同步旋转，母材8和基体7、轴肩3和基体7相互进行摩擦产热使母材8和基体7软化；

S5、挤出装置6持续驱动轴套5带动挤出杆4向下移动给母材8向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩3的旋转往外扩散；

S6、移动设备使扩散的母材在轴肩3的顶锻力下连续沉积在基体7上。

实施例三：

具体实施过程中，也可以通过如下实施步骤实现：

S1、将摩擦焊接增材设备下移使轴肩的端面高于基体待增材区表面一定高度，高度为0.5mm~5mm；

S2、将母材放入轴肩的中空内腔中；

S3、挤出装置驱动轴套带动挤出杆向下移动，插入轴肩的中空内腔；

S4、旋转装置驱动轴肩旋转，带动母材和挤出杆同步旋转，母材和基体相互进行摩擦产热使母材和基体软化；

S5、挤出装置持续驱动轴套带动挤出杆向下移动给母材向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩的旋转往外扩散，轴肩和挤出至端面的母材相互进行摩擦产热；

S6、移动摩擦焊接增材设备使扩散的母材在轴肩的顶锻力下连续沉积在基体上。

实施例四：

如图5所示，轴肩3的挤出端的端面设有由中心向外扩散的槽。

实施例五：

如图6所示，轴肩的挤出端的端面设有凸点，凸点由中心向外扩散。

实施例六：

如图7所示，轴肩的挤出端的端面设有凸台，凸台由中心向外扩散。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语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设备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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (10)

1.一种摩擦焊接增材设备，其特征在于：包括机座、旋转装置、轴肩、挤出杆、轴套、挤出装置；

所述旋转装置安装在所述机座上，为任一产生旋转运动的装置，可以驱动所述轴肩旋转；

所述轴肩有贯通的中空内腔，中空内腔两端的截面为非圆形；

所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔中移动，所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔移动的前端至少有一段截面为非圆形，所述挤出杆的非圆形的部分与所述轴肩的非圆形中空内腔相配合，从而使所述挤出杆可以随所述轴肩旋转；

所述轴套与所述挤出杆一端相连，所述挤出杆可与所述轴套作相对旋转；

所述挤出装置安装在所述机座上，一端与所述轴套相连，所述挤出装置为任一产生直线运动的装置，驱动所述轴套作相对移动，从而带动所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔中移动。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述轴肩的中空内腔两端的截面为方形。

3.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述轴肩的中空内腔截面为贯通的方形。

4.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述挤出杆在所述轴肩的中空内腔移动的前端的截面形状为方形。

5.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述挤出杆与所述轴套连接的一端为圆形，所述轴套有与所述挤出杆配合的圆孔。

6.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述轴肩的挤出端的端面设有由中心向外扩散的槽。

7.根据权利要求1所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述轴肩的挤出端的端面设有凸起。

8.根据权利要求7所述的摩擦焊接增材设备，其特征在于：所述轴肩的凸起由中心向外扩散。

9.采用权利要求1-8任一项所述的上述摩擦焊接增材设备进行增材制造的方法，其特征在于：

包括如下步骤：

S1、将摩擦焊接增材设备下移使轴肩接触基体的待增材区表面；

S2、将母材放入轴肩的中空内腔中；

S3、挤出装置驱动轴套带动挤出杆向下移动，插入轴肩的中空内腔；

S4、旋转装置驱动轴肩旋转，带动母材和挤出杆同步旋转，母材和基体、轴肩和基体相互进行摩擦产热使母材和基体软化；

S5、挤出装置持续驱动轴套带动挤出杆向下移动给母材向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩的旋转往外扩散；

S6、移动摩擦焊接增材设备使扩散的母材在轴肩的顶锻力下连续沉积在基体上。

10.采用权利要求1-8任一项所述的上述摩擦焊接增材设备进行增材制造的方法，其特征在于：

包括如下步骤：

S1、将摩擦焊接增材设备下移使轴肩的端面高于基体待增材区表面一定高度；

S2、将母材放入轴肩的中空内腔中；

S3、挤出装置驱动轴套带动挤出杆向下移动，插入轴肩的中空内腔；

S4、旋转装置驱动轴肩旋转，带动母材和挤出杆同步旋转，母材和基体相互进行摩擦产热使母材和基体软化；

S5、挤出装置持续驱动轴套带动挤出杆向下移动给母材向下的挤出力，将软化的母材挤出并随着轴肩的旋转往外扩散，轴肩和挤出至端面的母材相互进行摩擦产热；

S6、移动摩擦焊接增材设备使扩散的母材在轴肩的顶锻力下连续沉积在基体上。

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