本发明专利技术公开了一种水下固相增材制造装置，包括同轴心布置的水下干区机构，壳体和水下焊炬机构。所述壳体设置于水下干区机构上方。所述水下焊炬机构的上半部分设置于壳体的内部，所述水下焊炬机构的下半部分设置于水下干区机构的中。水下干区机构能够在水下环境创造局部干区，所述水下焊炬机构能高速旋转，通过摩擦生热实现水下固相增材并利用水环境实现水下焊炬自身的冷却。本发明专利技术能在水下环境的高效地开展固相增材制造。本发明专利技术基于在水下环境创造局部干区，避免了因水环境导致的焊炬和沉积层散热过快引起的沉积效率低，沉积层流动性差的问题。本发明专利技术同时基于主动测温和以外部环境的水来调控焊炬温度，在水下环境实现连续稳定的固相增材制造。的固相增材制造。的固相增材制造。
【技术实现步骤摘要】
一种水下固相增材制造装置
[0001]本专利技术涉及固相增材制造
，尤其涉及一种水下固相增材制造装置。
技术介绍
[0002]海洋工程装备结构件在服役过程中面临着严酷的服役环境，从而对海洋工程装备结构件的正常服役造成了巨大的威胁。针对海洋工程装备的出现的刮擦、磨损等受损部位实现在役原位修复，尤其是针对在水下环境服役的海洋工程装备的原位修复，能够显著提高海洋工程装备的服役性能，延长装备的服役寿命。现有的水下修复技术主要包括基于电弧的水下增材修复技术和基于激光的水下增材修复技术。然而基于电弧和基于激光的水下增材修复技术都需要将原材料加热熔化成液态，然后逐层叠加凝固成型。这种巨大温度梯度容易导致沉积区域出现孔隙，未熔合，热裂纹等问题。甚至需要对修复区进行修复后热处理，热等静压，机械辊压等后处理以尽量消除增材修复的缺陷。
[0003]固相增材制造技术是一种利用分层累积与摩擦挤压塑性变形加工原理实现金属沉积过程。在增材制造中金属材料不发生熔化与凝固现象。此外较小的温度梯度使得通过固相增材制造获得的沉积层具有较小的残余应力，成型件不易变形开裂，成型件具有锻造组织特征和优异力学性能，因而在实现高性能的增材修复上具有巨大的潜力。
[0004]然而，若将固相增材制造技术应用于水下环境，基于湿法的固相增材制造技术能够提高沉积层的冷却速率，但是由于水环境的存在导致焊炬和沉积层散热过快引起沉积效率低、沉积层流动性差、层间结合质量差等问题。基于水下干法的增材制造可以实现一个干燥的区域，但是其成本十分高昂。基于局部干法的增材修复技术是一种兼顾成本和创造无水环境的方法。此外固相增材过程中焊炬高速旋转，若增材沉积区域温度过高则会导致沉积材料过于软化，形成飞边，甚至被甩出沉积区域，极大的影响增材沉积质量。
[0005]中国专利202120797168.5公开了一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置，属于水下焊接
，包括水槽，水槽的一端开设有进水口，进水口处设有进水管，另一端开设有出水口，出水口处设有出水管，水槽底部内侧设有焊接垫板和用于固定待焊接工件的夹具，焊接垫板的上方设有氢气收集装置，氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝的影响。然而氢原子渗入钢材内部通常发生在金属处于液相状态，搅拌摩擦焊的温度尚未达到固相线，因此，氢原子无法扩散进入搅拌摩擦焊的焊接区域。
[0006]中国专利200910072037.4公开了一种适于水环境中局部干式搅拌摩擦焊的搅拌头，它涉及一种搅拌摩擦焊的搅拌头。该专利技术利用搅拌头基体与钢丝刷结构体组合的特殊搅拌头，直接将水从焊接区排除出去，而不需要其他排水装置。搅拌头周围温度较高，使其附近的水汽化，并利用蒸汽压将水排开，同时在不锈钢丝束的同步旋转离心力的作用将水抛出，而且通过倒漏斗形罩阻止了水由钢丝刷结构体上部和侧面的进入，具有简便易行的特点。然而，基于钢丝刷在涉及大水深的情况下是无法完全将水分排出以形成干区。此外，焊接头汽化水蒸气的量很少，显然无法形成稳定的排水干区。
[0007]中国专利20192186055.7公开了一种用于搅拌摩擦焊设备的雾化冷却装置，包括
固定台、流量调整旋钮、冷却介质口、连接软管、万向喷嘴、固定板、进气口、雾化器主体、搅拌头和过滤纱网。流量调整旋钮方便控制雾化器主体的冷却介质的输出量和输出速度，防止冷却介质过度浪费，万向喷嘴方便调整跟随搅拌头进行同步运动，将冷却介质雾化喷射至搅拌头、焊缝上和工件上，降低搅拌头的温度，并且可以显著减少焊接时向主轴部件传递的热量，同时，冷却介质雾化后能有效降低工件焊接后的变形，相比高压气冷却效果更好，保证焊接质量，并且冷却介质雾化不会造成工装生锈；过滤纱网防止有异物从万向喷嘴中喷出，有效提高工件的焊接加工质量。然而，该冷却方法需要附加外部喷雾装置，为焊炬外部的单方向冷却，冷却区域不均匀。当喷雾撒向沉积层时，容易导致底部沉积层过早冷却而过早丧失流动性，降低沉积效率。
技术实现思路
[0008]本专利技术目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种水下固相增材制造装置，本专利技术能在水下环境的开展固相增材制造，具有较高的增材效率和良好的增材质量，使金属材料不发生熔化与凝固现象，克服了能够克服传统水下熔化增材工艺中不可避免地会出现孔隙、未熔合及热裂纹等缺陷。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：
[0010]一种水下固相增材制造装置，其特征在于：包括水下干区机构、壳体、水下焊炬机构，所述水下干区机构、壳体和水下焊炬机构同轴心布置，所述壳体设置于所述水下干区机构上方，所述水下焊炬机构的上端设置于所述壳体内，下端设置于所述水下干区机构中，所述水下焊炬机构能绕着其轴心高速旋转，通过水下焊炬机构底部与沉积层摩擦生热实现水下金属材料固相增材，所述水下干区机构能够接入高压气体在水下环境制造局部干区并支撑所述水下焊炬机构的高速旋转。
[0011]进一步的，所述水下干区机构包括干区机构本体、进气通道、中心通道、进气管，所述进气通道贯穿设置在所述干区机构本体上，其上端连接所述进气管，下端连接干区机构本体下方的局部干区，所述中心通道贯穿设置在干区机构本体的轴心处，所述水下焊炬机构同轴连接在中心通道中。
[0012]进一步的，所述干区机构本体的上端设置有顶部凸台，所述壳体通过所述顶部凸台与所述干区机构本体相连接。
[0013]进一步的，所述进气通道以所述干区机构本体中心为轴心环形分布。
[0014]进一步的，所述水下焊炬机构包括同轴设置的中心棒料、工作外壳、平面轴承、隔板套筒、中心套筒，所述工作外壳的内部轴心处设置有内孔和棒料通道，所述内孔和棒料通道的连接处形成内层台阶，所述平面轴承设置于所述内层台阶上，所述隔板套筒设置在所述内孔中平面轴承上，所述中心套筒设置在所述隔板套筒内，所述中心棒料设置在中心套筒和棒料通道内。
[0015]进一步的，所述隔板套筒包括圆柱隔板和设置在所述圆柱隔板上端的顶部台阶，所述顶部台阶上设置有进水口、出水口，所述进水口连通所述圆柱隔板的内侧和焊炬水冷装置，所述出水口连通所述圆柱隔板的外侧和焊炬水冷装置，所述圆柱隔板的底部设置有底部通孔，冷却水能够从焊炬水冷装置依次经过进水口、圆柱隔板内侧、底部通孔、圆柱隔板外侧、出水口回到焊炬水冷装置。
[0016]进一步的，所述顶部台阶和工作外壳之间设置有顶部动密封，所述平面轴承和工作外壳之间设置有平面轴承密封。
[0017]进一步的，在所述工作外壳和干区机构本体之间连接有中心轴承，所述中心轴承的下端设置有中心轴承密封。
[0018]进一步的，所述焊炬水冷装置设置于所述壳体中，包括进水管、变频水泵、出水管、单向阀，所述进水管的一端连接冷却水源，另一端连接所述水下焊炬机构的进水口，所述出水管的一端连接所述水下焊炬机构的出水口，另一端连接外部水环境，所述变频水泵设置在进水管上，所述单向阀设置在出水管上。
[0019]进一步的，所述干区机构本体的下端设置有温度传感器，能够实时监测并反馈所述水下焊炬机构本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种水下固相增材制造装置，其特征在于：包括水下干区机构(100)、壳体(200)、水下焊炬机构(300)，所述水下干区机构(100)、壳体(200)和水下焊炬机构(300)同轴心布置，所述壳体(200)设置于所述水下干区机构(100)上方，所述水下焊炬机构(300)的上端设置于所述壳体(200)内，下端设置于所述水下干区机构(100)中，所述水下焊炬机构(300)能绕着其轴心高速旋转，通过水下焊炬机构(300)底部与沉积层(400)摩擦生热实现水下金属材料固相增材，所述水下干区机构(100)能够接入高压气体在水下环境制造局部干区并支撑所述水下焊炬机构(300)的高速旋转。2.根据权利要求1所述一种水下固相增材制造装置，其特征在于：所述水下干区机构(100)包括干区机构本体(108)、进气通道(101)、中心通道(102)、进气管(103)，所述进气通道(102)贯穿设置在所述干区机构本体(108)上，其上端连接所述进气管(103)，下端连接干区机构本体(108)下方的局部干区，所述中心通道(102)贯穿设置在干区机构本体(108)的轴心处，所述水下焊炬机构(300)同轴连接在中心通道中。3.根据权利要求2所述一种水下固相增材制造装置，其特征在于：所述干区机构本体(108)的上端设置有顶部凸台(104)，所述壳体(200)通过所述顶部凸台(104)与所述干区机构本体(108)相连接。4.根据权利要求2所述一种水下固相增材制造装置，其特征在于：所述进气通道(101)以所述干区机构本体(108)中心为轴心环形分布。5.根据权利要求1所述一种水下固相增材制造装置，其特征在于：所述水下焊炬机构(300)包括同轴设置的中心棒料(310)、工作外壳(320)、平面轴承(330)、隔板套筒(340)、中心套筒(350)，所述工作外壳(320)的内部轴心处设置有内孔(323)和棒料通道(321)，所述内孔(323)和棒料通道(321)的连接处形成内层台阶(322)，所述平面轴承(330)设置于所述内层台阶(322)上，所述隔板套筒(340)设置在所述内孔(323)中平面轴承(330)...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙桂芳，陈明智，王占栋，杨坤，李睿，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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