一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置及方法

本发明涉及搅拌摩擦焊接与增材制造技术领域，具体涉及一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置及方法。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

增材制造(additivemanufacturing，am)，又称为“3d打印”，相比于传统的减材制造，它是一种自上而下材料逐层累积构造实体零件的技术。随着先进制造技术的发展，增材制造是目前制造领域研究的热点方向，已经上升为很多国家的战略与规划，并在航空航天、轨道交通、生物医药等多个领域得到了广泛应用。

目前常用的金属增材制造主要是利用高能量热源将材料熔化，主要有：激光增材制造、电子束增材制造、等离子弧增材制造等。材料在熔化-凝固的过程中容易产生气孔、裂纹、冶金等缺陷，特别是铝合金等轻质金属由于导热性好、熔点低、焊接性差等原因导致缺陷更为严重。基于轻金属在熔化-凝固过程中容易产生缺陷的问题，也产生了一些固相增材制造技术，主要以超声增材制造为主，它是通过周期性的机械振动摩擦产生热量，由于受到超声波换能器功率的限制，一般超声增材层厚度小、效率低。

搅拌摩擦增材制造是以搅拌摩擦焊技术为基础发展起来的一种新型固相增材制造技术，与传统的基于熔焊的增材制造技术相比，搅拌摩擦增材制造不涉及材料的熔化-凝固，可以避免产生气孔、裂纹、冶金等缺陷，在轻金属增材制造领域具有巨大优势。搅拌摩擦焊接主要是利用高速旋转的搅拌头(包含轴肩与搅拌针)插入待焊工件中，在搅拌头的轴肩和搅拌针的摩擦和挤压作用下，使搅拌头附近的材料受热发生塑性变形，最后在搅拌头的挤压作用下实现连接。搅拌摩擦焊属于固态焊接，在搅拌摩擦焊接的过程中，不涉及材料的熔化和凝固，可以避免产生气孔、裂纹等缺陷。又由于高速旋转搅拌头的热机械搅拌作用，使搅拌区发生动态再结晶，可以显著提高晶粒细化和均匀性，因此搅拌摩擦焊接广泛应用于铝合金、镁合金等轻质合金。搅拌摩擦增材制造就是基于搅拌摩擦焊接的原理，通过材料的逐层累积，从而实现了构件的增材。

静轴肩搅拌摩擦增材制造技术是一种特殊的搅拌摩擦增材制造技术，其在焊接与增材时轴肩不旋转只有搅拌针旋转，它是利用高速旋转的搅拌针插入待焊工件中，通过搅拌针的搅拌使待焊工件受热发生塑性变形，并在静轴肩的挤压作用下形成固相连接。相比于常规搅拌摩擦焊增材技术，静轴肩搅拌摩擦焊接增材还可用于t型等角接头、具有热输入小、材料利用率高等优势；此外轴肩不旋转可以实现无余量增材，提高材料的利用率，降低成本，实现近净成形增材制造。

其中以板材为进料模式的搅拌摩擦增材制造是研究相对较早的固相增材技术，国内天津大学、南昌航空大学等团队，以及美国北德克萨斯州大学等单位的学者已经对其进行了较为深入的研究。发明人发现，以板材为进料模式的搅拌摩擦增材制造技术有三个缺点：第一材料利用率低，增材结束后需要根据成型件的要求进行相应的减材加工；第二增材构件具有明显的分层特征，两板之间界面的结合情况决定了增材件的性能，而以板材为进料进行增材时易形成未结合、弱连接等界面结合缺陷，导致界面结合强度低，影响增材件的性能；第三增材制造效率低，每次增材前都需要重新对进料板进行装夹和定位，不利于增材效率和增材精度。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，避免增材层间界面的结合缺陷，保证层间的结合强度，提高增材构件的力学性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，包括搅拌头，所述搅拌头外周套有静轴肩，搅拌头和静轴肩被配置为能够做同步的沿加工轨迹的运动，且搅拌头能够绕自身轴线做旋转运动，所述搅拌头的加工端外周面设有螺纹槽，所述静轴肩设置有送丝孔，所述送丝孔用于将丝材送至搅拌头开设螺纹槽的部分与静轴肩开设的通孔孔面之间的空间。

进一步的，所述静轴肩包括同轴设置的第一轴段和第二轴段，所述第二轴段的直径小于第一轴段的直径，所述送丝孔开设在第二轴段上。

进一步的，所述搅拌头开设螺纹槽的部分伸出静轴肩的长度大于增材层高度且小于基体厚度和增材层高度之和。

进一步的，所述搅拌头与静轴肩间隙配合。

进一步的，所述搅拌头包括依次设置的夹持柄、过渡段及搅拌针，所述搅拌针外周面开设有螺纹槽。

进一步的，所述静轴肩开设的通孔包括夹持柄孔段、中间孔段及搅拌针孔段，所述夹持柄置入夹持柄孔段中，过渡段置入中间孔段中，搅拌针置入搅拌针孔段中。

进一步的，所述送丝孔的位置低于螺纹槽的起始端。

第二方面，本发明公开了一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：

搅拌头转动并插入基体中，基体在搅拌头的作用下发生塑性变形形成搅拌区；

将丝材送入送丝孔中，丝材在与其连接的送丝机构的推力作用下穿过送丝孔，其端部与搅拌头的螺纹槽接触，在摩擦作用下发生塑化，热塑化状态的丝材受到搅拌头螺纹槽的切削作用后被破碎并挤入螺纹槽中；

在搅拌头旋转作用下，塑性软化的丝材沿着螺纹槽运动，进入基材的搅拌区，与搅拌区塑性材料混合，随着搅拌头的移动，在静轴肩的挤压下沉积，实现增材制造。

第三方面，本发明公开了一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置的摩擦焊接方法，包括以下步骤：

搅拌头旋转并插入两个待焊接工件中，工件结合面附近的材料在搅拌针搅拌作用下发生塑性变形，形成搅拌区；

将丝材送入送丝孔中，丝材在与其连接的送丝机构的推力作用下穿过送丝孔，其端部与搅拌头的螺纹槽接触，在摩擦作用下发生塑化，热塑化状态的丝材受到搅拌头螺纹槽的切削作用后被破碎并挤入螺纹槽中；

在搅拌头旋转作用下，塑性软化的丝材沿着螺纹槽运动，进入基材的搅拌区，与搅拌区塑性材料混合，随着搅拌头的移动，搅拌头后方形成焊接接头。

进一步的，搅拌头的旋转方向与螺纹槽的旋向相反。

本发明的有益效果：

1.本发明的装置，利用搅拌头与丝材之间的摩擦产热，以及丝材的塑性变形产热作用，使丝材发生塑性软化并破碎，同时利用搅拌针的螺纹与旋转方向相配合，带动塑化破碎的丝材金属直接进入搅拌区，与基体材料混合，并最终沉积，实现增材制造。本发明的装置加工过程中不存在增材层与基材层之间的结合界面，避免产生界面结合缺陷，保证了结合强度，大大提高了增材件的力学性能。

2.本发明的装置，采用填丝的方式进行堆积，避免了以板材为进料方式时的重新装夹步骤，大大提高了增材制造的效率。

3.本发明的装置，静轴肩在增材的过程中不旋转，只对塑化的材料起到挤压成型的作用，一次增材结束后，增材表面不需要切削打磨，避免产生加工余量，提高了材料的利用率和增材效率。

4.本发明的装置，该装置结构无需对现有搅拌摩擦焊接设备进行大规模的改造，有利于技术升级和设备换代，易于快速产业化应用。

5.本发明的装置，采用丝材为进料，成本低，且可以通过不同的丝材成分调控增材层性能，又可以通过布置多个送丝孔来提高增材效率。

6.本发明的装置，在焊接的时候可以避免常规搅拌摩擦焊接过程中的工件减薄，从而实现无减薄焊接。同时可以通过优选丝材成分来调整焊缝的成分和组织与性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1静轴肩剖面示意图；

图2为本发明实施例1搅拌头结构示意图；

图3为本发明实施例2加工过程示意图；

图4为本发明实施例2加工过程中摩擦焊接与增材制造装置剖视图；

其中，1.搅拌头，2.静轴肩，2-1.第一轴段，2-2.第二轴段，2-3.夹持柄孔段，2-4.中间孔段，2-5.搅拌针孔段，3.丝材，4.基体，5.送丝孔，6.夹持柄，7.过渡段，8.搅拌针，9.螺纹槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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。

正如背景技术所介绍的，现有的搅拌摩擦增材制造方法界面结合强度低，影响增材件的性能，针对上述问题，本申请提出了一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置。

实施例1：

本申请的一种典型实施方式中，一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，如图1-2所示，包括搅拌头1及套在搅拌头外周的静轴肩2，所述搅拌头与摩擦焊机的主轴连接，所述静轴肩与摩擦焊机的三轴联动机构连接，无需对现有搅拌摩擦焊接设备进行大规模的改造，有利于技术升级和设备换代，易于快速产业化应用。

所述静轴肩的中部位置设置有通孔，静轴肩通过通孔套在搅拌头的外周，且与搅拌头间隙配合，实现了搅拌头和静轴肩被配置为能够做同步的沿加工轨迹的运动，且搅拌头能够在摩擦焊接主轴的作用下绕自身轴线做旋转运动。

本实施例中，所述静轴肩包括同轴设置的第一轴段2-1和第二轴段2-2，第一轴段和第二轴段均为圆柱形结构，且第二轴段的直径小于第一轴段。

所述第二轴段上设置有送丝孔5，本实施例中，所述送丝孔设置一个或多个，优选的，送丝孔的直径大于丝材0.2mm，方便送丝，采用丝材3为进料，成本低，且可以通过不同的丝材成分调控增材层性能，又可以通过布置多个送丝孔来提高增材效率。

所述第二轴段的直径小于第一轴段的直径，一方面考虑到增材过程中便于观察且节省材料，另一方面使得送丝孔尽可能的短，保证快速平稳的供给丝材。

本实施例中，所述搅拌头包括一体式依次设置的夹持柄6、过渡段7及搅拌针8，所述夹持柄及搅拌针均采用圆柱形结构，所述过渡段采用锥台状结构，所述夹持柄用于与摩擦焊机的主轴固定连接，所述搅拌针用于增材制造或焊接。

所述静轴肩的通孔与搅拌头的形状相匹配，包括依次设置的夹持柄孔段2-3、中间孔段2-4及搅拌针孔段2-5，所述夹持柄置入夹持柄孔段中并伸出至夹持柄孔外部，便于摩擦焊接设备夹持以提供搅拌头增材所需要的驱动力，过渡段置入中间孔段中，搅拌针置入搅拌针孔段中并伸出至搅拌孔端外部，以便于插入待增材区进行搅拌增材，搅拌针伸出静轴肩的长度大于增材层高度且小于基体厚度和增材层高度之和。

所述搅拌针设置有螺纹槽段，所述螺纹槽段开设有螺纹槽9，所述螺纹槽的起始端高于送丝孔，其终端延伸至搅拌针的底端。

本实施例中，所述螺纹槽被配置为：螺纹槽的旋向和搅拌针的旋转方向相配合，使进入螺纹槽的丝材产生向下旋转运动的合力。

所述螺纹槽的起始端高于送丝孔，以保证送进的丝材能够被搅拌针完全塑化破碎，并通过螺纹槽向下运动，进入搅拌区。

一方面考虑到搅拌针外表面加工有螺纹槽，为防止产生摩擦损坏搅拌针和静轴肩，另一方面考虑到静轴肩自身不旋转的原因，所以静轴肩的内部和搅拌头各部分的配合均为间隙配合；配合间隙过大会导致搅拌头不稳定发生抖动，影响增材制造精度，严重的话可能会损坏搅拌头，配合间隙过小又会导致搅拌头和静轴肩内部摩擦过大，同样会损坏装置，因此综合考虑选择合适的配合间隙。

优选的，所述夹持柄孔段的直径比夹持柄直径大1mm，所述中间孔段与过渡段之间的间隙为0.5mm，所述搅拌针孔段的直径比搅拌针的直径大0.4mm。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置增材制造方法，如图3-4所示，包括以下步骤：

步骤1：将搅拌头插入静轴肩内，丝材连接送丝机构；

步骤2：增材制造时，搅拌针旋转并插入基体4中，搅拌针的旋转方向与螺纹槽的旋向相反，基体在搅拌针搅拌的作用下发生塑性变形，形成搅拌区；

步骤3：将丝材放入送丝孔中，丝材在送丝机构的推力作用下，穿过送丝孔，其端部与搅拌针的螺纹槽相接触，在摩擦作用下发生热塑化，然后热塑化状态的丝材在受到搅拌针螺纹槽的切削作用后被破碎，并被挤入搅拌针的螺纹槽中；

步骤4：随后在搅拌针旋转作用下，塑性软化的丝材金属沿着螺纹槽向下运动，进入基材受搅拌针作用的搅拌区，与搅拌区塑性材料混合，随着搅拌头的移动，在其后方静轴肩的挤压下沉积，实现单层增材制造。

静轴肩在增材的过程中不旋转，只对塑化的材料起到挤压成型的作用，一次增材结束后，增材表面不需要切削打磨，避免产生加工余量，提高了材料的利用率和增材效率。

步骤5：单层增材制造结束后，向上移动搅拌头，重复上述步骤，实现多层增材制造，最终获得所需要的增材体。

利用搅拌头与丝材之间的摩擦产热，以及丝材的塑性变形产热作用，使丝材发生塑性软化并破碎，同时利用搅拌针的螺纹与旋转方向相配合，带动塑化破碎的丝材金属直接进入搅拌区，与基体材料混合，并最终沉积，实现增材制造。本发明的装置加工过程中不存在增材层与基材层之间的结合界面，避免产生界面结合缺陷，保证了结合强度，大大提高了增材件的力学性能，而且采用填丝的方式进行堆积，避免了以板材为进料方式时的重新装夹步骤，大大提高了增材制造的效率。

本实施例的增材制造装置的一个具体应用实例中：

基体4的材料为2024-t4铝合金板材，厚度为4mm；丝材3的材料为2024-t4铝合金，直径为1mm；送丝孔5的直径为1.2mm，长度为4mm，送丝孔5的水平高度距离静轴肩2下端面的距离为3mm；搅拌头1的材料为普通工具钢，夹持柄的直径为30mm，长度为40mm，过渡段的底部直径30mm，锥角为57.6°，高度为4mm，搅拌针的直径为18mm，长度为10mm；螺纹槽旋向为右旋，螺纹槽的始端到搅拌针下端面的距离为8mm；静轴肩的材料为普通工具钢，第一轴段直径为43mm，高度为25mm，第二轴段的直径为26.4mm，高度为6mm，夹持柄孔段的直径为31mm，深度为21mm，中间孔段的直径为31mm，锥角为57.6°，深度为4mm，搅拌针孔段的直径为18.4mm，深度为6mm。所采用的工艺参数可为：搅拌头转速为600rpm，旋转方向为顺时针，行进速度为80mm/min，搅拌头倾角为0°。

增材制造方法包括以下步骤：

步骤(1)增材前对基体进行清理，去除表面油污及杂质；

步骤(2)将搅拌头插入静轴肩内，丝材连接送丝设备；

步骤(3)将搅拌头的夹持柄连接搅拌摩擦焊机主轴，调整焊机x轴、y轴和z轴坐标，使得搅拌头的中心轴线与待增材部位对齐；

步骤(4)设置焊接参数(主轴转速、焊接速度、搅拌头倾角等，在本实施例中优选的搅拌头转速为600rpm，焊速为80mm/min，搅拌头倾角为0°)，启动搅拌摩擦焊机；

步骤(5)在驱动力的作用下，搅拌针旋转并插入基体中，基体在搅拌针搅拌的作用下发生塑性变形，形成搅拌区；

步骤(6)此时将丝材放入送丝孔中，启动送丝机，丝材在驱动力的作用下，穿过送丝孔，丝材的端部首先与搅拌针的螺纹槽相接触，在摩擦作用下发生热塑化，然后热塑化状态的丝材在受到搅拌针的螺纹槽的切削作用后被破碎，随着搅拌针的旋转进入搅拌针螺纹槽的槽口中；

步骤(7)塑化破碎的丝材在搅拌针螺纹槽的槽口中随着搅拌针旋转，搅拌针旋转产生向下作用力，带动着塑化破碎的丝材向下运动进入已经发生塑性变形的基体的搅拌区，塑化破碎的丝材以及塑化的基体材料在搅拌针的搅拌以及基体待增材区周围冷金属的挤压共同作用下实现焊合，最后在静轴肩的挤压下沉积，实现单层增材制造。

步骤(8)单层增材制造结束后，向上移动搅拌头，重复上述步骤，实现多层增材制造，最终获得所需要的增材体。

另外，在一些其他实施例中，本实施例的搅拌摩擦焊接装置可用于汽车、高速列车、航空航天等领域中的增材制造。可以理解的是，基于上述的说明，由于静轴肩可设计成任意形状以适应不同的接头形式；此外丝材的材料多变，可适用于不同材料的近净成形增材制造。

实施例3：

本实施例公开了一种实施例1所述的填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置摩擦焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：将搅拌头插入静轴肩内，丝材连接送丝机构，将丝材放入送丝孔中，并与搅拌针接触；

步骤2：焊接时，搅拌针旋转并插入两待焊工件中，搅拌针的旋转方向与螺纹槽的旋向相反，工件结合面附近的材料在搅拌针搅拌作用下发生塑性变形，形成搅拌区；

步骤3：丝材在送丝机构的推力作用下，穿过送丝孔，其端部与搅拌针的螺纹槽相接触，在搅拌摩擦作用下发生热塑化，同时在搅拌针螺纹槽的切削作用下破碎，并被挤入搅拌针的螺纹槽中；

步骤4：随后在搅拌针旋转作用下，塑性软化的丝材金属沿着螺纹槽向下运动，进入搅拌针作用的搅拌区，与搅拌区塑性材料混合，随着搅拌头的移动，在其后方形成焊接接头。

本实施例的装置，在焊接的时候可以避免常规搅拌摩擦焊接过程中的工件减薄，从而实现无减薄焊接。同时可以通过优选丝材成分来调整焊缝的成分和组织与性能。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。