智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置及方法

本发明涉及搅拌摩擦增材制造装置及方法，属于固相增材制造。

背景技术：

1、搅拌摩擦增材制造技术是基于搅拌摩擦焊原理而衍生出的新型固相增材制造方法。该方法以搅拌摩擦焊为基础，通过搅拌头的摩擦产热和塑性变形做功，首先使增材金属与基板连接形成增材层，在此基础上使塑化材料按设定增材路径进行逐层堆积，最终形成三维实体零件。该方法无熔化再凝固过程，成形温度远低于材料熔点，且无气孔和热裂纹缺陷，得到具有细小等轴晶组织的优质增材制造零部件。

2、但是该技术在目前的增材制造过程中仍然存在一些问题，在逐层堆积的增材制造过程中不可避免的存在热累积现象，随着增材层与层之间的逐层堆积，越靠近下层的增材层经历的热循环次数越多，极易造成晶粒尺寸的粗化以及合金第二相的长大，使得晶粒组织沿厚度方向上不均匀，导致增材制造零部件力学性能的降低；除此之外，热积累不可避免的会导致增材制造设备腔内温度升高，在较高温度下，待增材金属材料塑化程度高，难以在送料螺杆作用下向下挤压，塑化材料不随行进方向向下流动，造成增材过程中产生类似沟槽缺陷的缺料现象；除此之外，搅拌摩擦增材制造过程中，增材制造设备腔内热输入过高或者过低导致增材原料过塑化或者欠塑化造成增材制造零部件的力学性能降低，并且，搅拌摩擦增材制造过程中，随着增材层的持续热积累，不可避免的导致增材制造零部件内部残余应力增大，使增材制造零部件需要二次热处理，浪费时间且增加生产成本；且焊具在持续的热积累过程中服役，会在一定程度上降低其服役寿命。例如：公开号为cn116423036，发明创造名称为一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置及方法，其技术方案为采用金属球和冷却液相结合的方式，弥补纯冷却液相比金属导热系数低的缺点，使增材件在增材过程中的热积累快速导出，但该方法在实现温度采集方面比较复杂，降低增材效率，且该方法不能解决上述增材过程中存在的问题，功能比较单一。

3、因此，亟需提出智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决搅拌摩擦增材层热积累导致组织难以控制使得增材制造零部件质量差的问题，提供智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦增材制造系统和控温调节系统，搅拌摩擦增材制造系统与控温调节系统建立安装，搅拌摩擦增材制造系统用于搅拌，控温调节系统用于温度监测。

4、优选的：所述控温调节系统包括热电偶、温度传感器和控制器，所述控制器通过温度传感器与热电偶电性连接，热电偶设置在搅拌摩擦增材制造系统的下端。

5、优选的：所述搅拌摩擦增材制造系统包括旋转模块和非旋转模块，旋转模块包括送料螺杆和搅拌针，送料螺杆设置非旋转模块内部，送料螺杆的下端设置有搅拌针，非旋转模块包括非旋转体、控温器件和水冷器，非旋转体内部设置有搅拌针，非旋转体外壁设置有控温器件，控温器件的散热侧设置有水冷器，非旋转体的侧壁加工有送料孔，非旋转体的外壁下端加工有热电偶孔，热电偶设置在热电偶孔内，控制器与控温器件电性连接。

6、智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

7、步骤一：丝材原料在送丝设备的作用下，通过非旋转模块的送料孔进行给料，丝材原料进入到非旋转体内，在旋转模块的送料螺杆推动挤压作用下使丝材原料破碎，通过搅拌针搅拌摩擦作用，使破碎丝材塑化流动；

8、步骤二：控温调节系统的控制器设定温度区间，此时通过热电偶和温度传感器反馈的温度，超出此温度区间启动控制器，对控温器件发出吸热或放热指令，使其维持在设定的温度区间内。

9、优选的：丝材原料直径可选为0.5-4mm，丝材原料为铝及铝合金、铜及铜基合金或镁及镁合金，送丝速度范围在0m/min-100m/min，龙门搅拌摩擦焊增材制造，送料螺杆旋转速度为0-6000r/min，机器人搅拌摩擦增材制造，送料螺杆旋转速度为0-10000r/min。

10、优选的：步骤二中，包括均质增材调控。

11、优选的：均质增材调控包括以下步骤：

12、步骤2.1.1：设定温度范围区间；

13、步骤2.1.2：热电偶检测增材温度，通过温度传感器反馈给控制器；

14、步骤2.1.3：控制器对控温器件发出指令。

15、本发明具有以下有益效果：

16、1.本发明通过施加的智能控温系统结合控温器件可以做到一体化制冷和散热功能，相比其他单一的加热或制冷功能，简单、方便、高效；

17、2.本发明通过热电器件系统(热电偶、控温器件等)结合智能温控自适应调节系统(控温调节系统)可以使增材制造温度一直处于最优温度区间，实现增材构件组织的逐层按需调控，可以大幅提高增材制造零部件的力学性能；

18、3.本发明通过智能控温装置(控温调节系统)，不仅可实现增材构件组织的均质化设计，而且依据需要，可制备粗细晶相结合的组织，实现强韧性的协调匹配设计；

19、4.本发明不仅有利于同质材料增材制造过程中的组织性能调控，同时还用于实现异质叠层结构的增材制造，如铝/铜、铝/镁等，减少甚至消除界面金属间化合物，提升增材构件性能；

20、5.本发明的方法有利于降低增材过程峰值温度，减小构件内部残余应力和宏观变形，实现增材件“形”与“性”的控制；

21、6.本发明的智能控温调节系统(控温调节系统)的实现有利于焊接增材工具系统的使用温度，极大地延长其使用寿命；

22、7.本发明不仅可以使用于常规龙门搅拌摩擦增材制造，还可以适用于机器人搅拌摩擦曲面增材制造，适用范围广，有利于推动搅拌摩擦增材制造技术快速发展。

技术特征：

1.智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：包括搅拌摩擦增材制造系统(1)和控温调节系统(2)，搅拌摩擦增材制造系统(1)与控温调节系统(2)建立安装，搅拌摩擦增材制造系统(1)用于搅拌，控温调节系统(2)用于温度监测。

2.根据权利要求1所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述控温调节系统(2)包括热电偶(201)、温度传感器(202)和控制器(203)，所述控制器(203)通过温度传感器(202)与热电偶(201)电性连接，热电偶(201)设置在搅拌摩擦增材制造系统(1)的下端。

3.根据权利要求2所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述搅拌摩擦增材制造系统(1)包括旋转模块(101)和非旋转模块(102)，旋转模块(101)包括送料螺杆(10101)和搅拌针(10102)，送料螺杆(10101)设置非旋转模块(102)内部，送料螺杆(10101)的下端设置有搅拌针(10102)，非旋转模块(102)包括非旋转体(10201)、控温器件(10204)和水冷器(10205)，非旋转体(10201)内部设置有搅拌针(10102)，非旋转体(10201)外壁设置有控温器件(10204)，控温器件(10204)的散热侧设置有水冷器(10205)，非旋转体(10201)的侧壁加工有送料孔(10202)，非旋转体(10201)的外壁下端加工有热电偶孔(10203)，热电偶(201)设置在热电偶孔(10203)内，控制器(203)与控温器件(10204)电性连接。

4.智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：丝材原料直径可选为0.5-4mm，丝材原料为铝及铝合金、铜及铜基合金或镁及镁合金，送丝速度范围在0m/min-100m/min，龙门搅拌摩擦焊增材制造，送料螺杆(10101)旋转速度为0-6000r/min，机器人搅拌摩擦增材制造，送料螺杆(10101)旋转速度为0-10000r/min。

6.根据权利要求4所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：步骤二中，包括均质增材调控或粗细晶交替增材调控。

7.根据权利要求6所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：均质增材调控包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：粗细晶交替增材调控包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及智能控温组织精准调控的搅拌摩擦增材制造装置及方法，属于固相增材制造技术领域。解决搅拌摩擦增材层热积累导致组织难以控制使得增材制造零部件质量差的问题。包括搅拌摩擦增材制造系统和控温调节系统，搅拌摩擦增材制造系统与控温调节系统建立安装，搅拌摩擦增材制造系统用于搅拌，控温调节系统用于温度监测。本发明对增材制造零部件进行智能控温组织精准调控，可以大幅提高增材制造零部件的力学性能，特别是针对大型整体零部件的低成本搅拌摩擦增材制造，搅拌摩擦增材制造技术在生产中具有广泛应用前景。

技术研发人员：孟祥晨,王伟,董汶江,谢聿铭,黄永宪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15