一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，包括以下步骤：(1)将磁性粉末材料置于上端开口的固定容器中，并在固定容器上放置有可沿其上表面移动的带有通孔的上端盖；(2)穿过所述上端盖放置有深入磁性粉末材料内部的焊接用搅拌头，启动搅拌头沿设定方向移动进行焊接，并带动上端盖随搅拌头同步移动，即实现磁性粉末材料的增材制造。与现有技术相比，本发明专利技术首次实现了磁性材质和粉末形式材料相结合的增材制造方法。

A Manufacturing Method of Additive Materials for Magnetic Powder Materials Based on Friction Stir Welding

The invention relates to a manufacturing method of adding material based on friction stir welding, which comprises the following steps: (1) placing the magnetic powder material in a fixed container with an opening at the upper end, and placing an upper cover with a through hole which can move along the upper surface of the fixed container; (2) placing a welding stirrer head penetrating into the inner part of the magnetic powder material through the upper cover, and starting. The stirring head moves along the set direction for welding, and drives the upper cover to move synchronously with the stirring head, that is, to realize the manufacturing of magnetic powder materials. Compared with the prior art, the present invention realizes for the first time the manufacturing method of adding material combining magnetic material and powder material.

【技术实现步骤摘要】
一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法
本专利技术属于增材制造
，涉及一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法。
技术介绍
现有的磁性粉末材料一般采用热压烧结等方式制成板材或棒状等制品，这种方式制备得到的磁性制品虽然比较简单，但是制品的强度等方面的性能比较低，难以适应特殊领域的应用需求。而为实现节能减排和绿色环保的要求，由传统的剪材制造正迅速发展过渡到等材和增材制造中，而搅拌摩擦焊就是其中一种增材制造方法，同时由于其不需要产生电弧来熔化金属，只需让金属达到热塑性状态就能使金属连接，其不产生弧光、烟尘等污染的优点完全好于传统熔焊加工。传统搅拌摩擦焊主要应用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和钢材等非磁性材料的同种金属和异种金属之间的连接，而且材料形式只为板材，没有其他任何材料形式，这局限了搅拌摩擦焊的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，包括以下步骤：(1)将磁性粉末材料置于上端开口的固定容器中，并在固定容器上放置有可沿其上表面移动的带有通孔的上端盖；(2)穿过所述上端盖放置有深入磁性粉末材料内部的焊接用搅拌头，启动搅拌头沿设定方向移动进行焊接，并带动上端盖随搅拌头同步移动，即实现磁性粉末材料的增材制造。进一步的，上端盖上的通孔的尺寸与搅拌头的轴肩尺寸匹配。进一步的，焊接过程中，上端盖上还施加有朝向固定容器的压力，以防止磁性粉末材料因搅拌头插入和搅拌而溢出。进一步的，所述搅拌头由外套筒、轴肩和搅拌针装配而成，其中，搅拌针固定安装在轴肩底端，外套筒套设在轴肩上。优选的，外套筒的底端可以设置成略低于轴肩底端。外套筒的作用是在搅拌针插入粉末时防止粉末外泄，将粉末收集到套筒内轴肩下的内部空间中，随后通过轴肩的摩擦下压作用将多出的粉末随着焊接过程的进行回填到粉末基体中。同时，在焊接过程中，套筒还有铺平前端粉末和为尾部焊缝成型的作用。更进一步的，搅拌头的轴肩直径Ds为15-40mm，外套筒直径Do范围为30-70mm，搅拌针的直径Dp不大于10mm，搅拌针的长度l不大于10mm；焊接过程中，搅拌头的下压量D不大于0.5mm，搅拌头转速ω为600-3000rpm，焊接速度v为不大于20mm/min。由于采用的是带套筒的“针肩分离式”的搅拌头，搅拌头各零件可自由多变灵活运动。所以当焊接速度v＝0时，随着搅拌针的有无回抽过程可实现有匙孔和无匙孔搅拌摩擦点焊；随着搅拌针在焊接过程中是否露出轴肩，可实现传统搅拌摩擦焊和塑流搅拌摩擦焊。正是基于这种零活的搅拌头，可实现对粉末成型的多种搅拌摩擦焊接工艺加工，从而适应不同的工艺要求，达到不同的材料性能。进一步的，所述的磁性粉末材料为合金粉末、铁氧体或以金属和树脂粉末为基体的掺杂磁性粉体材料。更进一步的，所述的合金粉末为FeSi、FeAl、AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC或FeCo(V)(W)。进一步的，所述的搅拌头的材质为镍基高温合金、硬质合金或立方氮化硼。与现有技术相比，本专利技术创造性地利用搅拌摩擦焊接技术实现了磁性材质和粉末形式材料的连接，同时，制备的磁性材料制品的强度等方面的性能相比于常规的热压烧结得到的制品大大提升，拓宽了磁性材料制品的应用范围。附图说明图1为本专利技术的搅拌摩擦焊过程的示意图；图2为本专利技术的搅拌头的示意图；图中标记说明：1-固定容器，2-上端盖，3-搅拌头，31-搅拌针，32-轴肩，33-外套筒，4-搅拌针，5-焊缝，6-磁性粉末材料。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料6的增材制造方法，包括以下步骤：(1)将磁性粉末材料6置于上端开口的固定容器1中，并在固定容器1上放置有可沿其上表面移动的带有通孔的上端盖2；(2)穿过所述上端盖2放置有深入磁性粉末材料6内部的焊接用搅拌头3，启动搅拌头3沿设定方向移动进行焊接，并带动上端盖2随搅拌头3同步移动，即实现磁性粉末材料6的增材制造，搅拌摩擦焊焊接过程如图1所示，搅拌头3在带动上端盖2同步移动并焊接，同时，在搅拌头3的后方留下磁性粉末材料6连接后形成的焊缝5，按照磁性材料制品的形状可以设计搅拌头3的焊接行进路线。为了减小磁性粉末材料6溢出造成的影响，上端盖2上的通孔的尺寸设计成与搅拌头3的轴肩尺寸匹配。此外，上端盖2上还施加有朝向固定容器1的压力，以防止磁性粉末材料6因搅拌头3插入和搅拌而溢出。参见图2所示，搅拌头3由外套筒33、轴肩32和搅拌针31装配而成，其中，搅拌针31固定安装在轴肩32上，且底部伸出轴肩32底端，外套筒33套设在轴肩32上。本实施例中，搅拌头3的轴肩32的直径Ds为20mm，外套筒33的直径Do范围为50mm，搅拌针31的直径Dp为5mm，搅拌针31的长度l为5mm；焊接过程中，搅拌头的下压量D为0.5mm，搅拌头转速ω为1200rpm，焊接速度v为5mm/min。对比例1同样采用铁粉芯作为磁性粉末材料6，并采用常规的热压烧结工艺制程制品。比较实施例1与对比例1制备得到的磁性材料制品，可见，相比于传统的热压烧结工艺，基于搅拌摩擦焊工艺对粉末进行增材制造技术具有明显的技术优势，1)首先其效率高，成本低，绿色环保无污染，符合环保要求。2)其次，热压烧结的产品密度低，质地疏松，相对密度只能达到90％左右，这直接影响粉末颗粒间界面的结合质量，必然影响其力学性能，而搅拌摩擦焊工艺成型产品，在轴肩和搅拌针热摩擦和锻压的作用下，使粉末颗粒紧密牢固结合，相对密度能达到100％，孔隙率几乎为零，断裂强度提升20％，断裂韧性提高40％，提高强度的同时明显改善了塑性和韧性。所以其工艺性能优良，可进行切割、切削、钻孔、焊接、层压和压花纹等加工，使用时不会发生碎裂，可加工成尺寸精度高、薄壁、复杂形状的制品，可成型带嵌件制品，实现电磁设备的小型化、轻量化、精密化和高性能化。3)同时，对于磁性粉末搅拌摩擦焊增材制造的产品，具有饱和磁感应强度较高，磁导率较大，初始磁导率随频率的变化稳定性好，直流电流叠加性能好等优点。相比于3D打印的增材制造方法，首先其没有应用于磁性粉体材料加工制造中，其次其成本和周期也相对较大，这进一步突显出搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法的优势。实施例2与实施例1相比，绝大部分都一样，除了本实施例中：搅拌头3的轴肩32直径Ds为15mm，外套筒33直径Do范围为30mm，搅拌针31的直径Dp为1mm，搅拌针31的长度l为2mm；焊接过程中，搅拌头的下压量D为0.4mm，搅拌头转速ω为600rpm，焊接速度v为0mm/min。实施例3与实施例1相比，绝大部分都一样，除了本实施例中：搅拌头3的轴肩32直径Ds为40mm，外套筒33直径Do范围为70mm，搅拌针31的直径Dp为10mm，搅拌针31的长度l为0mm；焊接过程中，搅拌头的下压量D为0.5mm，搅拌头转速ω为3000rpm，焊接速度v为20mm/min本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将磁性粉末材料置于上端开口的固定容器中，并在固定容器上放置有可沿其上表面移动的带有通孔的上端盖；(2)穿过所述上端盖放置有深入磁性粉末材料内部的焊接用搅拌头，启动搅拌头沿设定方向移动进行焊接，并带动上端盖随搅拌头同步移动，即实现磁性粉末材料的增材制造。

【技术特征摘要】
1.一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将磁性粉末材料置于上端开口的固定容器中，并在固定容器上放置有可沿其上表面移动的带有通孔的上端盖；(2)穿过所述上端盖放置有深入磁性粉末材料内部的焊接用搅拌头，启动搅拌头沿设定方向移动进行焊接，并带动上端盖随搅拌头同步移动，即实现磁性粉末材料的增材制造。2.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，其特征在于，上端盖上的通孔的尺寸与搅拌头的轴肩尺寸匹配。3.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，其特征在于，焊接过程中，上端盖上还施加有朝向固定容器的压力，以防止磁性粉末材料因搅拌头插入和搅拌而溢出。4.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊的磁性粉末材料的增材制造方法，其特征在于，所述搅拌头由外套筒、轴肩和搅拌针装配而成，其中，搅拌针固定安装在轴肩底端，外套筒套设在轴肩上。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：严彪，于洋，严鹏飞，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31