大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺的制作方法

本发明属于大型金属环件成形技术领域，具体涉及大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺。

背景技术：

随着我国石油化工、电力、船舶、航空航天和装备制造业的快速发展，环件需求量不断增加，品种越来越多，尺寸越来越大，所用材料种类也日益呈现多样化。对于中小型环件而言，现在比较普遍的成形技术是利用轧环机进行环件轧制。然而，对于大型环件而言，由于成形过程需要巨大的成形力来完成，大型轧制锻压设备制造困难、制造成本高，受轧机成形能力和产品成形质量的限制，很难用轧制技术实现其成形。随着铸锭增大凝固速度慢、材料偏析严重、晶粒粗大和裂纹铸造缺陷在后期轧制锻压过程中不能全部消除，导致部分延伸率及强度不能满足设计要求。在实际生产中，极易出现夹皮、型腔充不满、粗晶等现象。而且大型环件成功轧制往往是以较多材料损耗，较高能源消耗为代价的。另外，现有的搅拌摩擦焊接容易在焊缝处形成飞边、凹坑和匙孔等缺陷。因此，传统大型厚壁环件的加工方法已无法满足市场提出的高效、节能节材、性能优越的制造要求。

技术实现要素：

为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，通过该工艺制备出焊缝处金属组织完全形成焊核的高性能大型厚壁环件，能够显著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高产品的整体性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，包括以下步骤：

1)薄壁环件单体轧制成形：采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；

2)薄壁环件单体径向层叠式双轴搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体1-1和第二薄壁环件单体1-2以同轴径向层叠对接的形式装夹在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过激光加热器5对焊接线材4进行预热，用送料器3将预热后的焊接线材4送到待焊工件的焊缝2-1处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2分别扎入待焊工件接缝的上下两侧，第一立式搅拌头1以逆时针方向自转，第二立式搅拌头2以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1绕环件端面逆时针运动；送料器3以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝2-1处持续输送焊接线材4，焊接线材4同时被第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2不停地搅入焊缝2-1，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的自转速率相同，自转速率大小需要使待焊工件焊缝2-1周围金属和焊接线材4可被加热到塑性状态，且控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝2-1；另外，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2搅拌焊接的同时，超声激振器6打开，对焊缝2-1处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝2-1处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2从待焊工件的焊缝2-1中缓慢抽出，送料器3继续向匙孔中输送焊接线材4，此时，送料器3继续输送焊接线材4的速率及时间需要和第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材4发生塑化后填满匙孔为止，完成了第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；

3)厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，同轴径向逐环叠加焊接薄壁环件单体，完成第二环、第三环、······、第n环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形，直到最终焊接成形的工件满足产品要求，则完成了大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形。

所述的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的结构相同，包括轴肩a1和搅拌针b1，轴肩a1是平面型的。

所述的焊接线材4与待焊工件的材料属性相同。

所述的激光加热器5用于焊接线材4的预热，保证焊接线材4在焊接过程中与待焊工件焊缝2-1处的金属同时达到塑化状态。

本发明具有以下优点：

1.与传统通过自由锻造工艺制备大型厚壁环件相比，本发明利用径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺制备的大型厚壁环件，由于待焊工件焊缝2-1周围金属和焊接线材4在搅拌头的搅拌、挤压作用下，不断发生塑性变形填充到搅拌针移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成焊缝2-1，形成的焊缝2-1不会出现飞边和凹坑，焊缝2-1外观均匀光滑，无缺陷，焊接接头的力学性能优于熔焊。而且搅拌摩擦焊接增材成形过程操作简单，焊前只需用有机溶剂清除接合面油脂，无需开坡口去除氧化膜，焊后无需去除余高，提高了材料利用率和生产效率，降低了能源消耗。

2.搅拌摩擦焊接增材成形过程中，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2从待焊工件的焊缝2-1中缓慢抽出的过程中，送料器3继续向匙孔中输送焊接线材4，直到继续输送的焊接线材4发生塑化后填满匙孔为止，因此，所形成的焊缝2-1尾端不会形成匙孔缺陷。

3.采用超声波激振器6分别从待焊工件接合面内外两侧对焊接过程中塑化的金属进行微锻处理，锻碎材料内部的夹杂和金属型材轧制/挤压时的纤维组织，使组织更加细小且分布均匀，尽可能减小以致避免焊缝处热机影响区和热影响区的形成，从而使所形成焊缝2-1的金属组织形态达到近似完全形成焊核的程度，避免出现晶粒粗大和裂纹等缺陷，所获得的焊接接头的力学性能优于现有的搅拌摩擦焊的焊接接头。

附图说明

图1是本发明成形工艺的流程图。

图2是本发明成形工艺工作原理示意图。

图3是图2中a处的局部放大图。

图4是本发明立式搅拌头1和2的结构图，图(a)是主视图，图(b)是左视图。

图5是本发明加工成形的厚壁环件的二分之一剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1、图2和图3，大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，包括以下步骤：

1)薄壁环件单体轧制成形：按照产品生产要求和薄壁环件单体加工图纸要求，采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工等工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；

2)薄壁环件单体径向层叠式双轴搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体1-1和第二薄壁环件单体1-2以同轴径向层叠对接的形式装夹在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过激光加热器5对焊接线材4进行预热，用送料器3将预热后的焊接线材4送到待焊工件的焊缝2-1处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2分别扎入待焊工件接缝的上下两侧，第一立式搅拌头1以逆时针方向自转，第二立式搅拌头2以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1绕环件端面逆时针运动；送料器3以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝2-1处持续输送焊接线材4，焊接线材4同时被第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2不停地搅入焊缝2-1，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的自转速率相同，由于第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2与待焊工件之间的摩擦生热，待焊工件接缝周围的金属和焊接线材4被加热，所以，自转速率大小需要确保产生的热量可将待焊工件焊缝2-1周围金属和焊接线材4加热到塑性状态，且需要控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝2-1；另外，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2搅拌焊接的同时，超声激振器6打开，对焊缝2-1处塑化的金属进行微锻处理，减小焊缝2-1处热机影响区和热影响区的形成，使焊缝2-1处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2从待焊工件的焊缝2-1中缓慢抽出，送料器3继续向匙孔中输送焊接线材4，此时，送料器3继续输送焊接线材4的速率及时间需要和第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材4发生塑化后填满匙孔为止，防止焊缝处残留退刀孔洞，保证退刀处焊接接头组织连续和材料性能稳定，完成了第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；

3)厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，同轴径向逐环叠加焊接薄壁环件单体，完成第二环、第三环、······、第n环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形，直到最终焊接成形的工件满足产品要求，则完成了大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形。

超声波激振器6分别从待焊工件接合面内外两侧对焊接过程中塑化的金属进行微锻处理，锻碎材料内部的夹杂和金属型材轧制/挤压时的纤维组织，使组织更加细小且分布均匀，尽可能减小以致避免焊缝处热机影响区和热影响区的形成，从而使所形成焊缝2-1的金属组织形态达到近似完全形成焊核的程度，避免出现晶粒粗大和裂纹等缺陷，提高焊接接头的力学性能。

参照图4，所述的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的结构相同，包括轴肩a1和搅拌针b1，轴肩a1是平面型的。搅拌头的轴肩的特定类型，可以实现搅拌摩擦焊接增材过程中轴肩始终与待焊工件的接合面相切，从而保证焊缝线材4在搅拌摩擦焊接作用下不断填充到焊缝2-1中，防止焊接过程中焊缝2-1处出现凹坑，提高焊缝2-1的焊接质量，从而实现搅拌摩擦焊接增材成形。

参照图5，采用径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺加工的大型厚壁环件的二分之一剖面图，以径向层叠四层为例，其中大型厚壁环件的内径为r1，外径为r2，四层薄壁环件单体分别为第一薄壁环件单体1-1、第二薄壁环件单体1-2、第三薄壁环件单体1-3和第四薄壁环件单体1-4，搅拌摩擦焊接增材成形获得三条焊缝，分别为焊缝2-1、焊缝2-2和焊缝2-3。