本发明专利技术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，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，使用本发明专利技术的装置增材制造，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。
【技术实现步骤摘要】
一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置及方法
本专利技术涉及搅拌摩擦焊接与增材制造
，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。
技术介绍
这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，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。专利技术人发现，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果：1.本专利技术的装置，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。本专利技术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.本专利技术的装置，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.本专利技术的装置，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.本专利技术的装置，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.本专利技术的装置，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.本专利技术的装置，在焊接的时候可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。/n
【技术特征摘要】
1.一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头与静轴肩间隙配合。
5.如权利要求1所述的一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。
6.如权利要求5所述的一种填丝静轴肩搅拌摩擦焊接与增材制造装置，其特征在于，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。
7.如权利要求1所述的一种填丝静轴肩搅拌摩...
【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，李阳，肖亦辰，吕晓辉，武传松，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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