【技术实现步骤摘要】
本专利技术金属材料增材制造，具体涉及一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复装置及方法。
技术介绍
1、搅拌摩擦增材制造技术(fsam)主要是通过工具头与工件材料之间的摩擦产热以及工具头的搅拌作用使材料发生塑性变形做功，致使待增材的金属材料热塑化，并在工具头的搅拌和顶锻作用下与基板或已增材层相结合，最终通过热塑化材料的逐层累积成形为结构件。目前通过搅拌摩擦增材技术实现缺陷金属修复单纯依靠搅拌头及轴肩的搅拌及摩擦做功，界面结合强度只能到母材的80％左右，难以保证基板和修复区的紧密结合，从而影响了构件质量。
2、为提高界面结合强度，目前主要通过设计结构凸起增加层间搅拌作用区域和辅助加热的方式，如；cn 114986092 a通过激光熔覆方法在轴肩下表面和搅拌针底部制备微结构圆弧状凸起阵列，以增加轴肩与加工工件表面的接触面积，提高热量输入。cn116160108a通过将搅拌头设置为圆锥形钻入基板，以增强给料通道内的固态材料与基板接触。cn 113351984 b在搅拌头内组装涡流加热系统，对搅拌头和增材粉末加热，以提高层间结合强度。但上述方法均未涉及对外部基板的改造，各自方法适应性有限，缺乏一个既可增加修复界面结合强度，又可对搅拌头和芯料辅助加热的一个简单的集成装置及方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种技术手段简便易行、性能可靠的搅拌摩擦沉积修复装置及方法。
2、基于搅拌摩擦沉积增材技术，使电火花加工的工具电极与搅拌摩擦工具头同轴配合，可上下滑动，且通
3、为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
4、一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复装置，包括搅拌头(2)、加工缸(6)和直流脉冲电源(7)，所述搅拌头(2)上集成了电火花加工的工具电极和搅拌摩擦工具头，两者之间通过直线轴承(204)将工具电极和搅拌摩擦工具头同轴同心集成，搅拌摩擦工具头位于内部，工具电极位于外部，两者能够上下相对滑动，搅拌摩擦工具头可以自由旋转，但工具电极不能旋转；工具电极包括起外轴肩(205)和点阵突起(206)，外轴肩(205)为长方体，搅拌摩擦工具头圆柱，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右两侧形成两块点阵突起区，单侧点阵突起区的宽度为外轴肩(205)宽度的1/3；搅拌摩擦工具头的内轴肩(202)上对称分布有多个搅拌针(201)，搅拌摩擦工具头中心空腔为进料口(203)，用于容纳搅拌摩擦增材芯料(10)。
5、所述的搅拌摩擦沉积修复装置，外轴肩(205)为底面为180*180mm的长方体，搅拌摩擦工具头为直径是(55)mm的圆柱，电火花加工工具电极设在搅拌摩擦工具头的外侧且与搅拌摩擦工具头同轴间隔设置，间隔为2.5mm的圆环，圆环内布置有直线轴承，圆环内布满工作液(3)。
6、所述的搅拌摩擦沉积修复装置，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右两侧形成两块点阵突起区，单侧点阵突起区的宽度为60mm，长度为180mm。
7、所述的搅拌摩擦沉积修复装置，每个点阵突起(206)为直径是0.5mm、高度是1mm的圆柱体。
8、所述的搅拌摩擦沉积修复装置，搅拌针(201)形状为水滴形，其高度为2mm。
9、所述的搅拌摩擦沉积修复装置，搅拌头(2)可搭载在数控机床、并联机械臂等外加设备上。
10、一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复方法，采用任一所述的装置，具体包括以下步骤：
11、步骤一：选择缺陷金属作为基板，用夹具固定在加工缸内；向搅拌摩擦工具头的进料口(203)添加芯料(10)。
12、步骤二：搅拌头(2)移动至基板待修复区的前端，控制抬起内轴的搅拌摩擦工具头，将外轴的工具电极降下，控制和基板(5)之间的放电间隙(4)，然后启动工作液循环过滤控制系统和电火花加工电流控制系统，电流不断通断，完成该位置微结构界面加工；
13、步骤三：若此时阵列还未覆盖待修复区，则移动搅拌头位置，沿水平/垂直运动方向移动外轴肩(205)宽度的1/3，降下工具电极，继续完成该部位表面的电火花加工，重复本步骤，直至基板表面均匀的微结构阵列凹陷布满整个待修复区；
14、步骤四：关闭电火花加工系统，控制外轴的工具电极升起，内轴的搅拌摩擦工具头降下，启动搅拌摩擦沉积增材系统，在基板表面高速旋转的搅拌针穿透沉积层和基板之间的搭接界面并插入基板一定深度，使搅拌摩擦工具头旋转，同时送料，待增材料抵达搅拌头轴肩端面时，移动搅拌摩擦工具头，使其一定的行进速度进行搅拌摩擦沉积增材，获得一定厚度一次增材层；
15、步骤五：一次增材完成后，一次增材层与增材基板共同构成二次增材制造的基板，重复步骤四，完成二次增材制造，以此类推，进行多次搅拌摩擦增材制造，直至基板缺陷被沉积层完全覆盖，则为修复完成。
16、所述的搅拌摩擦沉积修复方法，步骤一中基板厚度10-50mm，材质是铝。
17、所述的搅拌摩擦沉积修复方法，步骤二中：控制和基板5之间的放电间隙(4)为0.005-0.5mm，微阵列加工深度为0.5-2mm。
18、所述的搅拌摩擦沉积修复方法，步骤四中：搅拌摩擦工具头以400-2000r/min的转速旋转，同时以0.1-3mm/s的速度送料，待增材料抵达搅拌头轴肩端面时，移动搅拌摩擦工具头，使其以20-500mm/min的行进速度进行搅拌摩擦沉积增材，获得厚度为0.1-2mm的一次增材层。
19、一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复装置，包括电火花加工系统、搅拌摩擦沉积增材系统、控制系统。
20、所述电火花加工系统包括加工缸、工具电极、工件电极、工作液、直流脉冲电源，工具电极可采用铜、黄铜、石墨、钨、铜钨、碳化物、铜石墨等制成，工作液为介电流体，普遍用火花油。
21、进一步的：所述工具电极集成在搅拌摩擦工具头外圈，用直线轴承连接，与搅拌摩擦工具头同轴配合，两者可在垂直方向上下相对滑动。另外工具电极随搅拌摩擦工具头在水平方向移动，但不随工具头的旋转而旋转。工具电极需连接直流脉冲电源工作。
22、进一步的：所述工具底部设计有特定的点阵突起图案，其中图案内容和突起大小均可根据要求自行设计。
23、进一步的：为使界面形成的微结构阵列凹陷形状规则，工具电极底面形状设计为矩形，将工具电极沿增材运动的垂直方向均匀的分成三列，中间列包含搅拌摩擦工具头，且列的宽度即为搅拌摩擦工具头的长度，阵列均匀的布满搅拌摩擦工具头左右两列，中间列不布置点阵。
24、所述搅拌摩擦沉积增材系统包括搅拌摩擦工具头、夹具、基板，搅拌摩擦工具头可搭载在数控机床、并联机械臂等外本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，包括搅拌头(2)、加工缸(6)和直流脉冲电源(7)，所述搅拌头(2)上集成了电火花加工的工具电极和搅拌摩擦工具头，两者之间通过直线轴承(204)将工具电极和搅拌摩擦工具头同轴同心集成，搅拌摩擦工具头位于内部，工具电极位于外部，两者能够上下相对滑动，搅拌摩擦工具头可以自由旋转，但工具电极不能旋转；工具电极包括起外轴肩(205)和点阵突起(206)，外轴肩(205)为长方体，搅拌摩擦工具头圆柱，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右两侧形成两块点阵突起区，单侧点阵突起区的宽度为外轴肩(205)宽度的1/3；搅拌摩擦工具头的内轴肩(202)上对称分布有多个搅拌针(201)，搅拌摩擦工具头中心空腔为进料口(203)，用于容纳搅拌摩擦增材芯料(10)。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，外轴肩(205)为底面为180*180mm的长方体，搅拌摩擦工具头为直径是(55)mm的圆柱，电火花加工工具电极设在搅拌摩擦工具头的外侧且与搅拌摩擦工具头同轴间隔设置，间隔为2.5mm的
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右两侧形成两块点阵突起区，单侧点阵突起区的宽度为60mm，长度为180mm。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，每个点阵突起(206)为直径是0.5mm、高度是1mm的圆柱体。
5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，搅拌针(201)形状为水滴形，其高度为2mm。
6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，搅拌头(2)可搭载在数控机床、并联机械臂等外加设备上。
7.一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的装置，具体包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的搅拌摩擦沉积修复方法，其特征在于，步骤一中基板厚度10-50mm，材质是铝。
9.根据权利要求7所述的搅拌摩擦沉积修复方法，其特征在于，步骤二中：控制和基板5之间的放电间隙(4)为0.005-0.5mm，微阵列加工深度为0.5-2mm。
10.根据权利要求7所述的搅拌摩擦沉积修复方法，其特征在于，步骤四中：搅拌摩擦工具头以400-2000r/min的转速旋转，同时以0.1-3mm/s的速度送料，待增材料抵达搅拌头轴肩端面时，移动搅拌摩擦工具头，使其以20-500mm/min的行进速度进行搅拌摩擦沉积增材，获得厚度为0.1-2mm的一次增材层。
...【技术特征摘要】
1.一种增强界面结合的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，包括搅拌头(2)、加工缸(6)和直流脉冲电源(7)，所述搅拌头(2)上集成了电火花加工的工具电极和搅拌摩擦工具头，两者之间通过直线轴承(204)将工具电极和搅拌摩擦工具头同轴同心集成，搅拌摩擦工具头位于内部，工具电极位于外部，两者能够上下相对滑动，搅拌摩擦工具头可以自由旋转，但工具电极不能旋转；工具电极包括起外轴肩(205)和点阵突起(206)，外轴肩(205)为长方体，搅拌摩擦工具头圆柱，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右两侧形成两块点阵突起区，单侧点阵突起区的宽度为外轴肩(205)宽度的1/3；搅拌摩擦工具头的内轴肩(202)上对称分布有多个搅拌针(201)，搅拌摩擦工具头中心空腔为进料口(203)，用于容纳搅拌摩擦增材芯料(10)。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，外轴肩(205)为底面为180*180mm的长方体，搅拌摩擦工具头为直径是(55)mm的圆柱，电火花加工工具电极设在搅拌摩擦工具头的外侧且与搅拌摩擦工具头同轴间隔设置，间隔为2.5mm的圆环，圆环内布置有直线轴承，圆环内布满工作液(3)。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦沉积修复装置，其特征在于，外轴肩(205)的两侧布满点阵突起(206)，在搅拌摩擦工具头的左右...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦桂，郭训忠，吕万程，郑硕，杨秋成，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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