[发明专利]一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法

说明书

一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法，该装置为一套异形静止轴肩体，包括搅拌头、静置轴肩体及模具，搅拌头外侧同轴套装有静置轴肩体，静置轴肩体与模具配合安装。采用该模具经过多次径向增材，获得所需的增材制造零件。增材制造过程中加入超声以及辅热等辅助工艺来保证增材制造零件的性能。在半固态下，超声的空化作用会细化晶粒，形成超细晶/纳米晶材料；在固态下，超声不仅可促进原子扩散能力，还能降低残余应力，利于获得高承载力的增材结构。同时，对于金属基复合材料的增材制造，超声的加入还可促进材料间的剧烈混合，避免在增材过程中出现偏析现象。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法。

背景技术

随着工程技术的不断发展，传统的车、铣、刨、磨等减材制造方法已不再满足一些工程的需求。因此，增材制造技术应运而生。增材制造技术是在一定温度和压力条件下，实现材料逐步堆积的过程，是一种从无到有的制造技术。目前，增材制造技术大多采用的是材料挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积。但是，在材料先熔化再固化的过程中，增材制造生产的产品表面或内部容易产生气孔等缺陷。为了解决上述缺陷，许多学者对增材制造技术提出改进方法。其中，以搅拌摩擦焊为代表的固态连接技术应用于增材制造中，彻底解决增材制造过程中，因材料熔化造成的气孔等缺陷。搅拌摩擦焊技术不仅能实现金属材料的增材制造，而且可以实现复合材料的增材加工。

中国发明专利CN 107378229 A公布一种采用搅拌摩擦焊实现复合材料增材制造的方法。该专利中，将增材制造的原材料放置于特定的夹具中，搅拌头通过该夹具预留的矩形槽孔对原材料加工，实现单层的增材制造。重复上述操作，获得预期的块状复合材料。该方法对所需的夹具配合精度要求高，且夹具具有一定的复杂度。

中国发明专利CN 108161448 A公布一种新型的搅拌摩擦增材制造机，该专利中，粉末状原材料通过送粉机构送出，并由搅拌头加工堆积，逐步累积成所需的块状零件。该方法只能实现粉末状材料的增材制造，对其他形态的原材料无能为力。

中国发明专利CN 107020447 A公布一种大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺。该专利中，首先将原材料加工成薄壁圆环；然后采用搅拌摩擦焊将单层的薄壁圆环焊接；最后使用焊丝填充匙孔。重复上述步骤，得到所需的厚壁环体。该方法只能加工环状材料，并且需要使用焊丝对搅拌摩擦焊留下的匙孔进行修复，大大增加操作的复杂性。

中国发明专利CN 109202273 A公布一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法。该专利中，丝材通过空心搅拌工具的中心孔送入加工区，经加热与动轴肩的顶锻作用实现增材制造。该方法需要将搅拌工具加工成空心结构，该结构会影响搅拌针的强度。同时，该方法只能使用丝状原材料，这大大限制该方法的应用范围。

中国发明专利CN 107598358 A公布一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法。该专利中，采用可消耗搅拌头，搅拌头材料不断损耗并堆积在基体表面实现增材制造。该方法使用的可消耗搅拌头不易过长，否则容易出现搅拌头折断的现象。

上述所有专利均采用轴向增材的方式实现增材制造即在搅拌工具轴线的方向上不断累积材料。但是，搅拌摩擦焊在焊接过程中，轴向有一定的减薄量，这使得上述的增材方法的效率大大降低。

发明内容

为了实现径向增材以解决上述问题，本发明提供一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置，包括搅拌头、静置轴肩体及模具，搅拌头外侧同轴套装有静置轴肩体，静置轴肩体与模具配合安装。

所述搅拌头包括夹持端、动轴肩和搅拌针，夹持端与动轴肩一端一体成型，动轴肩另一端安装有搅拌针，搅拌针以及搅拌头动轴肩外表面设置有花纹形沟槽，搅拌针为锥形或圆柱形；所述搅拌头的动轴肩直径与搅拌针直径比例为2:1～10:1，所述搅拌头直径比模具边缘到中心距离小0～3mm。