一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法与流程

本发明涉及金属焊接及增材制造技术领域，特别是涉及一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法。

背景技术：

静轴肩搅拌摩擦焊技术是常规搅拌摩擦焊技术的一种创新发展，属于固相焊接技术，其原理是轴肩固定不旋转，搅拌针旋转，利用搅拌针旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌针对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌针高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时静轴肩对焊缝金属的锻压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。相对于常规搅拌摩擦焊技术，静轴肩搅拌摩擦焊技术仍具有常规搅拌摩擦焊的特点，同时还具有自己独特的优势：可以用来解决钛合金搅拌摩擦焊因导热系数差，焊接温度梯度大而导致的组织性能不均匀的问题。焊接过程中，轴肩不旋转，搅拌针旋转，轴肩可设计成与角焊缝配合的轴肩，目前已成功实现t型接头及角接接头角焊缝的焊接，可以获得外凸形圆滑过渡的角焊缝接头且强度较熔化焊有所提高；静轴肩搅拌摩擦焊技术可以实现添加填充材料的焊接，结合以上两点，将静轴肩搅拌摩擦焊技术做适当调整便可以实现搅拌摩擦无余量近净成形增材制造，目前尚未见相关研究与报道。

静轴肩搅拌摩擦焊过程中，轴肩固定不旋转，搅拌针旋转，基于静轴肩搅拌摩擦焊的技术特点，搅拌头必须设计成特殊结构形式，导致整个搅拌头长度较长，而搅拌针直径较小(直径大时，成型困难，容易产生缺陷)，属于细长零件；为了增加搅拌头的刚度，通常将连接部分设计的较粗，导致搅拌针与连接部分过度突兀，易产生应力集中，易断裂，在旋转情况下，过长搅拌头易产生偏心问题，搅拌针与金属内壁直接摩擦，搅拌针易断裂失效，针对应力集中问题，通用办法是采用圆弧过渡方式连接。但针对搅拌针摩擦断裂问题，目前尚未有解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法，解决现有技术中搅拌针摩擦断裂的问题，设置静轴肩内部为三级台阶孔，定心轴承在上台阶孔承固定搅拌头，搅拌针与下台阶孔采用过盈配合，辅助定心，增加搅拌头刚度，解决因搅拌头过长，偏心量大与静轴肩内壁摩擦造成搅拌针过早断裂失效的问题。静轴肩还设置有滚轮轴承，且滚轮轴承与搅拌针同步移动，辅助压紧工件，解决因静轴肩空间狭小而造成的装夹困难的难题。随焊碾压，改善焊缝组织和应力分布，减小焊缝变形，本发明通过静轴肩装置能够进行无余量搅拌摩擦增材制造，实现近净成形制造。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置，包括：搅拌头、静轴肩和滚轮轴承，在所述静轴肩的上表面中心位置沿竖直方向开有同心的台阶孔，所述搅拌头穿过所述台阶孔，所述滚轮轴承竖直设置在所述台阶孔侧部且突出所述静轴肩的下端断面，所述台阶孔自上而下包括上台阶孔、中台阶孔和下台阶孔，且所述上台阶孔、中台阶孔和下台阶孔的直径依次减小，所述搅拌头一端的搅拌针穿过所述下台阶孔，所述中台阶孔与所述搅拌头间隙配合，所述搅拌头套接有所述定心轴承，所述定心轴承设置在所述上台阶孔内。

优选的，所述上台阶孔与所述定心轴承采用过盈配合，所述中台阶孔的直径大于所述搅拌头的直径1～2mm，所述下台阶孔的直径比所述搅拌针的直径大0.2～0.3mm；

优选的，还包括滚轮轴和所述滚轮轴承的滚轮轴孔，所述滚轮轴水平穿过所述滚轮轴孔将所述滚轮轴承固定在所述静轴肩上，所述滚轮轴孔的中心距所述静轴肩下端断面的距离h比所述滚轮轴承的半径r小0.1～0.2mm，所述滚轮轴与所述滚轮轴孔过盈配合，所述滚轮轴承底部切点到所述静轴肩下端断面的距离大于0.15～0.2mm；

优选的，所述搅拌针和所述滚轮轴承在待加工材料上的工作轨迹重合；

优选的，所述静轴肩下端断面开设有螺纹孔、拆卸孔和连接沉头孔，所述螺纹孔和所述连接沉头孔均以所述下台阶孔的轴线为对称中心对称设置在所述下台阶孔两侧，所述螺纹孔设置在所述连接沉头孔外侧，所述螺纹孔、连接沉头孔和下台阶孔均在同一直线上，所述拆卸孔设置在所述螺纹孔的两侧，所述拆卸孔与所述定心轴承垂直连通；

优选的，所述螺纹孔设置有2个，所述拆卸孔设置有4个，所述连接沉头孔设置有2个。

本发明还提供了一种使用静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置进行增材制造的方法，包括：

(1)将两块宽于搅拌针直径的薄板放置于平口钳的夹具中，调节薄板位置，使所述薄板上表面平行于钳口平面，同时保证所述薄板露出所述钳口平面，调整完毕后，夹紧固定；

(2)调节搅拌针位置，使的所述搅拌针位于薄板中心线的正上方；

(3)静轴肩固定不旋转，搅拌针旋转，且缓慢下降，所述搅拌针接触所述薄板并插入板内，待滚轮轴承的滚轮接触并压入所述薄板表面时，所述滚轮下压停止，停留4～5s后，所述静轴肩与所述搅拌针同时运动，实现单层增材，单层增材完成后，向上抬起所述搅拌针，下降工作平面，预制下一层所述薄板，进行第二层增材制造，重复此步骤，最终获得块体增材成型材料。

优选的，所述步骤1中薄板装夹时，所述薄板上表面高于平口钳上表面0.15～0.2mm；

优选的，所述步骤2中所述搅拌针中心投影点位于所述薄板中心线上；

优选的，所述步骤3中滚轮轴承的滚轮接触所述薄板后压入深度为0.1～0.2mm。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、本发明在静轴肩内设置同心台阶孔，搅拌头穿过台阶孔，上台阶通过定心轴承套接在搅拌头外，搅拌针与下台阶孔间隙配合，搅拌头和搅拌针的连接部与中台阶孔间隙配合，搅拌头在台阶孔内转动稳定，且不会与侧壁发生摩擦。上述结构解决了因搅拌头过长，偏心量大与静轴肩内壁摩擦造成搅拌针过早断裂失效的问题，其能够改善搅拌头刚度不足、偏心摆动与静轴肩内壁摩擦断裂的问题，提高了搅拌头使用寿命。

2、本发明在静轴肩内设置滚轮轴承，滚轮轴承的滚轮突出静轴肩下端断面，搅拌针插入薄板后，滚轮能够压入薄板内，辅助压紧工件，解决因静轴肩空间狭小而造成的装夹困难的难题，实现了随焊压紧和碾压功能，改善了焊缝组织和应力分布，减小焊缝变形。

3、本发明在增材过程中，搅拌针与滚轮能够同时进行水平位移，完成单层及多层增材，实现了无余量搅拌摩擦增材制造，实现近净成形制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置的加工示意图；

图2为本发明静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置的结构示意图；

图3为本发明静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置的加工示意图；

图4为本发明静轴肩搅拌摩擦增材制造快体成形材料实物俯视图；

图5为本发明静轴肩搅拌摩擦增材制造快体成形材料实物侧视图

其中，1-搅拌头、2-静轴肩、2-1-上台阶孔、2-2-中台阶孔、2-3-下台阶孔、2-4-连接沉头孔、2-5-拆卸孔、2-6-螺纹孔、3-定心轴承、4-滚轮轴承、5-滚轮轴、6-滚轮轴孔、7-薄板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法，解决现有技术中搅拌针摩擦断裂的问题。设置静轴肩内部为三级台阶孔，定心轴承在上台阶孔承固定搅拌头，搅拌针与下台阶孔采用过盈配合，辅助定心，增加搅拌头刚度，解决因搅拌头过长，偏心量大与静轴肩内壁摩擦造成搅拌针过早断裂失效的问题。静轴肩还设置有滚轮轴承，且滚轮轴承与搅拌针同步移动，辅助压紧工件，解决因静轴肩空间狭小而造成的装夹困难的难题。随焊碾压，改善焊缝组织和应力分布，减小焊缝变形，本发明通过静轴肩装置能够进行无余量搅拌摩擦增材制造，实现近净成形制造。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本实施例对本发明一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法的装置结构和增材制造方法的过程进行详细的说明。

如图1-2所示，本实施例提供了一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置，包括：搅拌头1、静轴肩2和滚轮轴承4，在静轴肩2的上表面中心位置沿竖直方向开有同心的台阶孔，搅拌头1穿过台阶孔。

本实施例的台阶孔为三级台阶孔且自上而下包括上台阶孔2-1、中台阶孔2-2和下台阶孔2-3，且上台阶孔2-1、中台阶孔2-2和下台阶孔2-3的直径依次减小。具体的，搅拌头1一端具有搅拌针结构，搅拌针穿过下台阶孔2-3，下台阶孔2-3的直径比搅拌针的直径大0.3mm；中台阶孔2-2与搅拌头1间隙配合，中台阶孔2-2的直径大于搅拌头1的直径2mm。搅拌头1套接有定心轴承3，定心轴承3设置在上台阶孔2-1内，上台阶孔2-1与定心轴承3采用过盈配合。台阶孔的设置能够辅助定心，增加搅拌头1刚度，解决因搅拌头1过长，偏心量大与静轴肩2内壁摩擦造成搅拌针过早断裂失效的问题。

设置辅助压紧工件，滚轮轴承4竖直设置在台阶孔侧部且突出静轴肩2的下端断面，还包括滚轮轴5和滚轮轴承4的滚轮轴孔6，滚轮轴5水平穿过滚轮轴孔6将滚轮轴承4固定在静轴肩2上，滚轮轴孔6的中心距静轴肩2下端断面的距离h比滚轮轴承4的半径r小0.2mm，滚轮轴5与滚轮轴孔6过盈配合，滚轮轴承4底部切点到静轴肩2下端断面的距离大于0.2mm。在工作过程中需要搅拌针和滚轮轴承4在待加工材料上的工作轨迹重合，这样才能够保证搅拌针焊接过程中，滚轮轴承4能够实现随焊碾压，滚轮轴承4设置的目的一方面是解决因静轴肩2空间狭小而造成的装夹困难的难题，另一方面能够在随焊碾压的过程中，改善焊缝组织和应力分布，减小焊缝变形。本实施例中滚轮轴承4设置在搅拌针的后面，在移动过程中，搅拌针旋转对薄板7进行焊接，焊接完成后的地方被后面移动过来的滚轮轴承4的滚轮进行碾压，能够减小焊缝变形。

如图3所示，关于静轴肩2的加工图，在静轴肩2下端断面开设有螺纹孔2-6、拆卸孔2-5和连接沉头孔2-4，螺纹孔2-6和连接沉头孔2-4均以下台阶孔2-3的轴线为对称中心对称设置在下台阶孔2-3两侧，螺纹孔2-6设置在连接沉头孔2-4外侧，螺纹孔2-6、连接沉头孔2-4和下台阶孔2-3均在同一直线上，拆卸孔2-5设置在螺纹孔2-6的两侧，拆卸孔2-5与定心轴承3垂直连通；具体的本实施例中螺纹孔2-6设置有2个，拆卸孔2-5设置有4个，连接沉头孔2-4设置有2个。拆卸孔2-5是用来拆卸定心轴承3，连接沉头孔2-4通过螺栓连接加工的工作台，螺纹孔2-6是辅助拆卸静轴肩2装置的，通过螺栓的旋转使静轴肩2装置从加工工作台上拔出。

如图1、4和5所述，本实施例还提供了一种使用静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置进行增材制造的方法，包括：

(1)将两块宽于搅拌针直径的薄板7放置于平口钳的夹具中，调节薄板7位置，使薄板7上表面平行于钳口平面，同时保证薄板7露出钳口平面，具体的，薄板7上表面高于平口钳上表面0.2mm，调整完毕后，夹紧固定；

(2)调节搅拌针位置，使的搅拌针中心投影点位于薄板7中心线的正上方；

(3)静轴肩2固定不旋转，搅拌针旋转，且缓慢下降，搅拌针接触薄板7并插入板内，待滚轮轴承4的滚轮接触并压入薄板7表面时，滚轮下压停止，滚轮轴承4的滚轮此时压入的深度为0.2mm，停留4～5s后，静轴肩2与搅拌针同时运动，实现单层增材，单层增材完成后，向上抬起搅拌针，下降工作平面，预制下一层薄板7，进行第二层增材制造，重复此步骤，最终获得块体增材成型材料。

图4和图5是通过上述方法对薄板7进行增材成型，并最终获得块体增材成型材料，图4为块体增材成型材料的俯视图，上表面为薄板7被搅拌针焊接后的情况，图5为块体增材成型材料的侧视图，从侧视图能够清晰看出通过本实施例的增材制造方法，多个薄板增材紧密，没有焊缝变形的情况，实现近净成形制造。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式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。