[发明专利]一种摩擦点焊增材制造方法

说明书

本发明公开一种摩擦点焊增材制造方法，该方法利用填充式摩擦点焊的原理，在焊点表面逐层添加同种或异种材料，重复进行摩擦点焊工艺过程，实现同种或异种材料的增材制造。该方法可在构件表面增材制造同种或异种材料的凸起结构，还可用来制备具有致密等轴晶组织或者具有成分梯度特征的异种材料小直径棒材。

技术领域

本发明涉及增材制造技术和填充式摩擦点焊技术，具体涉及一种摩擦点焊增材制造方法。

背景技术

在固相点焊领域，填充式摩擦点焊技术是由德国HZG(前GKSS)研究中心开发的，其特征为采用搅拌针，搅拌套和压紧套三个部件组成的焊接工具进行焊接，即搅拌针旋转下压材料，同时搅拌套旋转上升容纳挤出的塑性金属；随后搅拌针上升，搅拌套下压形成平整的焊点，详见美国专利US006722556B2。

填充式摩擦点焊技术是一种点连接技术，目前主要用于铝合金等材料板材的点焊连接，由于摩擦点焊过程中材料不熔化，属于固相连接方法，克服了铝合金熔焊过程中易产生气孔、夹杂和裂纹等缺陷的固有缺点，接头成形依赖搅拌工具周围高温摩擦产热与被搅拌金属材料塑性流动的相互作用。塑性连接产生在搅拌工具周围形成的搅拌区域，该区域在搅拌工具旋转、挤压、锻造等机械力作用下，形成致密等轴晶组织，从而赋予接头优异的力学性能和组织性能。

鉴于填充式摩擦点焊的固相焊接特性，可将其用来进行铝合金等材料的固相增材制造。可用于对铝合金等材料固相增材制造技术的方法主要有：

(1)挤入摩擦压焊

1993年英国焊接研究所(TWI)提出了挤入摩擦压焊的原理，在工件表面放置相对较软的材料，采用焊接工具旋转并摩擦，将材料挤入工件中。该方法在金属结构制造及修复焊接领域有广泛应用，如在各种结构上焊接各种吊耳、挂钩及固定把柄等，局部裂纹及孔洞等堵漏及修复焊接。该方法的缺点在于只能够制造同种材料的结构，无法实现不同材料、成分的控制，且制造精度较低。

(2)线性摩擦压焊

TWI近年来提出基于线性摩擦的固相摩擦增材制造技术，可以将不同的材料逐层通过线性摩擦焊的方法堆积到基体上。该方法的缺点在于，线性摩擦焊过程中存在一个顶锻步骤，在顶锻过程中将多余塑性材料挤出焊接界面，使得每次堆积到基体上的材料厚度不可控。

(3)耗材表面摩擦堆焊

1959年首先在苏联获得工业应用的摩擦压焊方法，采用可消耗的材料，通过旋转摩擦，在基体上堆焊。该方法适合于各种金属部件表面特殊沉积层、硬化合金层及耐磨损与腐蚀局部缺陷等的修复焊接。该方法的缺点在于，只能在材料表面堆焊沉积层，无法实现立体结构的增材制造。

(4)搅拌摩擦加工

该方法是从搅拌摩擦焊技术衍生出的摩擦加工技术，可应用于铝、镁、铜及钛合金、铸铁及高温合金的表面强化处理、局部晶粒细化处理及表面复合材料等加工，也可用于简单形状的三维立体增材制造。但是该方法的缺点在于，对于小直径、成分可调的圆柱体结构增材制造无法实现。

综上所述，虽然针对铝、镁、钛等合金的固相增材制造技术已经有了一些解决方案，但是各种方案均有其固有的缺点。对于小尺寸、成分可控的精密结构增材制造，尚无有效的解决方案。因此，亟需开发针对小尺寸、成分可控的精密结构增材制造新方法。

发明内容

本发明的目的在于实现小尺寸、成分可控的精密结构固相增材制造，能够解决现有固相增材制造方法存在的成分不可控、制造精度低等问题。