一种摩擦热增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种摩擦热增材制造装置及方法。

背景技术

随着制造技术的发展，目前正在从传统的制造方式逐步向先进制造方向进行转变，其中增材制造技术具有快速高效的特点，成为先进制造技术的一个典型代表。增材技术在航空航天、轨道交通以及船舶运输等制造业已经得到广泛地研究及应用。目前，增材技术多采用激光、电子束及电弧等熔化填料的方式，但是熔化焊填料方式具有较高的热输入，会极大的增加接头内晶粒、使得强化相溶解，使材料的凝固过程中产生裂纹、气孔等缺陷，进而导致接头性能下降；此外，较高的热输入还会烧毁增材材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摩擦热增材制造装置及方法，以克服现有增材制造连接过程中会出现连接缺陷的问题。

本发明一方面提供了一种摩擦热增材制造装置，包括：

搅拌头，所述搅拌头内设有适于填充材料通过的中心空腔，所述中心空腔的一端向内收合以形成与所述填充材料摩擦接触的摩擦产热面；

送料滚轮，所述送料滚轮设于所述搅拌头一侧，并夹持在所述填充材料的两侧，适于驱动以向下递送所述填充材料以使所述填充材料与所述摩擦产热面抵接。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，还包括搅拌凸台，所述搅拌凸台设于所述搅拌头的下端，且所述搅拌凸台上设有与所述中心空腔连通的中空通道。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述搅拌凸台呈圆台状或圆柱状，且所述搅拌凸台的外表面设有螺纹。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述中空通道的内表面设有驱动螺纹槽。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述中空通道的截面呈X型、Y型或圆形。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述摩擦产热面为斜面或锥螺纹面，所述斜面或所述锥螺纹面与所述搅拌头的中心轴线的夹角为1-60°。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述摩擦产热面为台阶产热面，所述台阶产热面包括交替连接的平面台阶和导向斜面，所述导向斜面与所述搅拌头的中心轴线的夹角为1-60°。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述送料滚轮成对布设，且每对所述送料滚轮对称布设于填充材料的两侧。

如上所述的摩擦热增材制造装置，进一步优选为，所述送料滚轮为1-10对，当所述送料滚轮为多对时，多对所述送料滚轮沿所述填充材料的递送依次布设。

本发明另一方面还提供了一种摩擦热增材制造方法，其采用上述任意一项所述的摩擦热增材制造装置，包括：

将基板固定，在焊接中保持基板不发生位移；

将柱状的填充材料插装于搅拌头的中心空腔，并通过送料滚轮夹紧；

驱动所述搅拌头和送料滚轮，并在搅拌头和送料滚轮的共同作用下，使填充材料达到塑形状态或半固态；

控制搅拌头向前移动，进行增材制造。

本发明提供的摩擦热增材制造装置包括搅拌头和送料滚轮，其中，所述送料滚轮设于所述搅拌头上方，并夹持在所述填充材料的两侧，适于向所述中心空腔递送所述填充材料，所述搅拌头内设有适于填充材料通过的中心空腔，所述中心空腔的一端向内收合以形成与所述填充材料摩擦接触的摩擦产热面。上述结构中，搅拌头旋转，棒状的填充材料在送料滚轮的轴向顶端力作用下与搅拌头的摩擦产热面区域接触并产生摩擦热，将填充材料塑化，塑化的材料继续沿着中心空腔向下流动进入增材区域，并最终形成增材层。通过在搅拌头处设置摩擦产热面，利用搅拌头旋转式与填充材料之间的摩擦热对填充材料进行预热，减少材料的变形抗力，便于材料的软化，甚至呈现出半固态效果；同时，送料滚轮的向下递送作用有利于促进填充材料向下流动且增加材料在搅拌头尖端排除的能力，并可与外部搅拌头共同作用，细化接头的晶粒尺寸，从而有效的避免孔洞缺陷和弱连接缺陷。此外，送料滚轮与棒状填充材料的配合使用能够实现持续送料，确保增材过程的连续性，同时送料滚轮与棒状填充材料的夹持配合，能够为填充材料提供所需的顶端力，进而保证摩擦产热面的摩擦生热能力。

摩擦热增材制造装置通过设置摩擦产热面产生摩擦热并驱动材料进入增材区域，整个过程中，热量的来源都是摩擦热量，而无需外部辅助热源，使增材材料只是达到塑化状态而不熔焊，避免增材材料被高温烧损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一些实施例中摩擦热增材制造装置的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图2中A-A剖面的一种剖面结构示意图；

图4为图2中A-A剖面的另一中剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-搅拌头，2-送料滚轮，3-填充材料，4-搅拌凸台，5-螺旋槽，6-中心空腔，7-摩擦产热面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本发明中的具体含义。

下面将参照图1-4说明本发明一些实施例中的摩擦热增材制造装置。

如图1-2所示，本发明一些实施例中的摩擦热增材制造装置包括搅拌头1和送料滚轮2，其中搅拌头1内设有适于填充材料3通过的中心空腔6，中心空腔6的一端向内收合以形成与填充材料3摩擦接触的摩擦产热面7；送料滚轮2设于搅拌头1一侧，并夹持在填充材料3的两侧，适于向中心空腔6递送所述填充材料3以使填充材料3与摩擦产热面7抵接。

搅拌头1呈圆柱形，并悬设于基板上方，且悬设高度为增材层的高度基本一致；搅拌头1内形成有截面为圆形的中心空腔6，且中心空腔6的一端向内收合以形成摩擦产热面7，用作增材层材料的棒状填充材料3插装于中心空腔6中，且底部与摩擦产热面7抵触，高度旋转的搅拌头1与填充材料3之间因动摩擦力在摩擦产热面7区域产生摩擦热，进而将填充材料3塑化，塑化的材料继续沿着中心空腔6流动进入增材区域，并最终形成增材层。搅拌头1的底面还设有自中心向外扩散的螺旋槽5，螺旋槽5的凹入设置，适于使搅拌头1端部下方的塑化材料受到向内方向的力的作用，从而将搅拌头1端部下方的软化材料收集到搅拌头1端面，同时还用于将收集到搅拌头1端面处的软化材料向外均匀铺开，从而使软化材料在搅拌头1后方均匀分布以形成质地均匀的增材层。此外，设置螺旋槽5还可以减少焊接过程中搅拌头1内部的应力集中进而保护搅拌头1。

送料滚轮2设置于搅拌头1的上方，并以一定的压紧力夹持在棒状填充材料3的两侧，适于为棒状填充材料3施加一定的顶锻作用力的同时，通过驱动送料滚轮2转动以带动棒状填充材料3送料，进而使棒状材料能够持续地与搅拌头1作用以产生摩擦热。

通过上述摩擦热增材制造装置实现增材制造，整个结构通过设置摩擦产热面7产生摩擦热并驱动材料进入增材区域，整个过程中，热量的来源都是摩擦热量，而无需外部辅助热源，使增材材料只是达到塑化状态而不熔焊，避免增材材料被高温烧损。

进一步的，本实施例中的摩擦热增材制造装置还包括搅拌凸台4，搅拌凸台4设于搅拌头1的下端，且搅拌凸台4上设有与中心空腔6连通的中空通道。

搅拌凸台4设置于搅拌头1的底部中心处，直径为3-50mm，高度为增材层厚度的0.5-3倍，优选的，搅拌凸台4的厚度与增材层厚度一致。搅拌凸台4上形成有与中心空腔6连通的中空通道，适于使塑化的材料通过凸台上的中空通道进入轴肩的下部，进而在旋转轴肩的顶锻碾压下，最终形成增材层。在此基础上，螺旋槽5还用于使搅拌头1端部下方的塑化材料受到向内方向的力的作用，以填充搅拌头1后方因搅拌凸台4所形成的空腔。

进一步的，搅拌凸台4呈圆台状或圆柱状，且搅拌凸台4的外表面设有螺纹。螺纹的深度为0.2-5mm，螺距为0.5-30mm。螺纹结构的搅拌摩擦作用还会使得填充材料3表面的氧化膜剧烈破碎，不影响增材层的性能。

进一步的，中空通道的内表面设有内螺纹。内螺纹为驱动螺纹，适于在搅拌头1旋转时驱动停留于中空通道内的塑化材料向下流动。

进一步的，中空通道的截面呈X型、Y型或圆形。

进一步的，摩擦产热面7为锥螺纹面或如图3所示的斜面，斜面或锥螺纹面与搅拌头1的中心轴线的夹角为1-60°。具体的，当摩擦产热面7为锥螺纹面时，其螺纹的深度为0.1-3mm，螺距为0.5-10mm。

可替换的，摩擦产热面7为如图4所示的台阶产热面，台阶产热面包括交替连接的平面台阶和导向斜面，导向斜面与搅拌头1的中心轴线的夹角为1-60°。具体的，当摩擦产热面7为台阶产热面时，平面台阶的长度为1-10mm，高度为1-10mm。

进一步的，送料滚轮2成对布设，且每对送料滚轮2对称布设于填充材料3的两侧。送料滚轮2为1-10对，当送料滚轮2为多对时，多对送料滚轮2沿竖直方向依次布设。送料滚轮2适于通过自身的转动为填充材料3的侧面施加一定的驱动力，进而实现材料的连续送料，确保增材过程的连续性。送料滚轮2的直径为5-100mm，驱动扭矩为5-100Nm，对材料的压紧力为0.1-30KN。

优选的，上述摩擦热增材制造装置为竖向布设或卧式布设，当然，其他方向可以。

进一步的，本发明还提供了一种摩擦热增材制造方法，其采用上述任意一项实施例中的摩擦热增材制造装置实现，包括：

将基板固定，在焊接中保持基板不发生位移；

将柱状的填充材料3插装于搅拌头1的中心空腔6，并通过送料滚轮2夹紧；

驱动所述搅拌头1和送料滚轮2，并在搅拌头1和送料滚轮2的共同作用下，使填充材料3达到塑形状态或半固态；

控制搅拌头1向前移动，进行增材制造。

具体的，基板通过机械连接的方式固定于工作台上，在摩擦焊过程中保证基板不发生旋转以及不产生位移，保证增材质量。

将棒状填充材料3插入搅拌头1的中心空腔6中，并调整送料滚轮2使其夹紧填充材料3，并能够通过送料滚轮2的转动时的作用下驱动填充材料3向搅拌头的中心空腔送料；

然后启动搅拌头1和送料滚轮2，使棒状材料与搅拌头1于摩擦生热面处产生摩擦热，并因摩擦热塑化然后从搅拌凸台4的中空通道中流出至基板上，之后因搅拌凸台4的搅拌作用均匀地平铺于基板上，且随着搅拌头1向前移动，在基板上形成增材层，实现增材制造。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。