本發(fā)明涉及金屬焊接及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置及增材制造方法。

背景技術(shù)：

靜軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)是常規(guī)攪拌摩擦焊技術(shù)的一種創(chuàng)新發(fā)展，屬于固相焊接技術(shù)，其原理是軸肩固定不旋轉(zhuǎn)，攪拌針旋轉(zhuǎn)，利用攪拌針旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著被焊零件的待焊界面向前移動(dòng)，通過(guò)攪拌針對(duì)材料的攪拌、摩擦，使待焊材料加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌針高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，處于塑性狀態(tài)的材料環(huán)繞攪拌頭由前向后轉(zhuǎn)移，同時(shí)靜軸肩對(duì)焊縫金屬的鍛壓作用，在熱-機(jī)聯(lián)合作用下材料擴(kuò)散連接形成致密的金屬間固相連接。相對(duì)于常規(guī)攪拌摩擦焊技術(shù)，靜軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)仍具有常規(guī)攪拌摩擦焊的特點(diǎn)，同時(shí)還具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可以用來(lái)解決鈦合金攪拌摩擦焊因?qū)嵯禂?shù)差，焊接溫度梯度大而導(dǎo)致的組織性能不均勻的問(wèn)題。焊接過(guò)程中，軸肩不旋轉(zhuǎn)，攪拌針旋轉(zhuǎn)，軸肩可設(shè)計(jì)成與角焊縫配合的軸肩，目前已成功實(shí)現(xiàn)t型接頭及角接接頭角焊縫的焊接，可以獲得外凸形圓滑過(guò)渡的角焊縫接頭且強(qiáng)度較熔化焊有所提高；靜軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)添加填充材料的焊接，結(jié)合以上兩點(diǎn)，將靜軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)做適當(dāng)調(diào)整便可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦無(wú)余量近凈成形增材制造，目前尚未見(jiàn)相關(guān)研究與報(bào)道。

靜軸肩攪拌摩擦焊過(guò)程中，軸肩固定不旋轉(zhuǎn)，攪拌針旋轉(zhuǎn)，基于靜軸肩攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)，攪拌頭必須設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致整個(gè)攪拌頭長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而攪拌針直徑較小(直徑大時(shí)，成型困難，容易產(chǎn)生缺陷)，屬于細(xì)長(zhǎng)零件；為了增加攪拌頭的剛度，通常將連接部分設(shè)計(jì)的較粗，導(dǎo)致攪拌針與連接部分過(guò)度突兀，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，易斷裂，在旋轉(zhuǎn)情況下，過(guò)長(zhǎng)攪拌頭易產(chǎn)生偏心問(wèn)題，攪拌針與金屬內(nèi)壁直接摩擦，攪拌針易斷裂失效，針對(duì)應(yīng)力集中問(wèn)題，通用辦法是采用圓弧過(guò)渡方式連接。但針對(duì)攪拌針摩擦斷裂問(wèn)題，目前尚未有解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置及增材制造方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中攪拌針摩擦斷裂的問(wèn)題，設(shè)置靜軸肩內(nèi)部為三級(jí)臺(tái)階孔，定心軸承在上臺(tái)階孔承固定攪拌頭，攪拌針與下臺(tái)階孔采用過(guò)盈配合，輔助定心，增加攪拌頭剛度，解決因攪拌頭過(guò)長(zhǎng)，偏心量大與靜軸肩內(nèi)壁摩擦造成攪拌針過(guò)早斷裂失效的問(wèn)題。靜軸肩還設(shè)置有滾輪軸承，且滾輪軸承與攪拌針同步移動(dòng)，輔助壓緊工件，解決因靜軸肩空間狹小而造成的裝夾困難的難題。隨焊碾壓，改善焊縫組織和應(yīng)力分布，減小焊縫變形，本發(fā)明通過(guò)靜軸肩裝置能夠進(jìn)行無(wú)余量攪拌摩擦增材制造，實(shí)現(xiàn)近凈成形制造。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置，包括：攪拌頭、靜軸肩和滾輪軸承，在所述靜軸肩的上表面中心位置沿豎直方向開(kāi)有同心的臺(tái)階孔，所述攪拌頭穿過(guò)所述臺(tái)階孔，所述滾輪軸承豎直設(shè)置在所述臺(tái)階孔側(cè)部且突出所述靜軸肩的下端斷面，所述臺(tái)階孔自上而下包括上臺(tái)階孔、中臺(tái)階孔和下臺(tái)階孔，且所述上臺(tái)階孔、中臺(tái)階孔和下臺(tái)階孔的直徑依次減小，所述攪拌頭一端的攪拌針穿過(guò)所述下臺(tái)階孔，所述中臺(tái)階孔與所述攪拌頭間隙配合，所述攪拌頭套接有所述定心軸承，所述定心軸承設(shè)置在所述上臺(tái)階孔內(nèi)。

優(yōu)選的，所述上臺(tái)階孔與所述定心軸承采用過(guò)盈配合，所述中臺(tái)階孔的直徑大于所述攪拌頭的直徑1～2mm，所述下臺(tái)階孔的直徑比所述攪拌針的直徑大0.2～0.3mm；

優(yōu)選的，還包括滾輪軸和所述滾輪軸承的滾輪軸孔，所述滾輪軸水平穿過(guò)所述滾輪軸孔將所述滾輪軸承固定在所述靜軸肩上，所述滾輪軸孔的中心距所述靜軸肩下端斷面的距離h比所述滾輪軸承的半徑r小0.1～0.2mm，所述滾輪軸與所述滾輪軸孔過(guò)盈配合，所述滾輪軸承底部切點(diǎn)到所述靜軸肩下端斷面的距離大于0.15～0.2mm；

優(yōu)選的，所述攪拌針和所述滾輪軸承在待加工材料上的工作軌跡重合；

優(yōu)選的，所述靜軸肩下端斷面開(kāi)設(shè)有螺紋孔、拆卸孔和連接沉頭孔，所述螺紋孔和所述連接沉頭孔均以所述下臺(tái)階孔的軸線為對(duì)稱(chēng)中心對(duì)稱(chēng)設(shè)置在所述下臺(tái)階孔兩側(cè)，所述螺紋孔設(shè)置在所述連接沉頭孔外側(cè)，所述螺紋孔、連接沉頭孔和下臺(tái)階孔均在同一直線上，所述拆卸孔設(shè)置在所述螺紋孔的兩側(cè)，所述拆卸孔與所述定心軸承垂直連通；

優(yōu)選的，所述螺紋孔設(shè)置有2個(gè)，所述拆卸孔設(shè)置有4個(gè)，所述連接沉頭孔設(shè)置有2個(gè)。

本發(fā)明還提供了一種使用靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置進(jìn)行增材制造的方法，包括：

(1)將兩塊寬于攪拌針直徑的薄板放置于平口鉗的夾具中，調(diào)節(jié)薄板位置，使所述薄板上表面平行于鉗口平面，同時(shí)保證所述薄板露出所述鉗口平面，調(diào)整完畢后，夾緊固定；

(2)調(diào)節(jié)攪拌針位置，使的所述攪拌針位于薄板中心線的正上方；

(3)靜軸肩固定不旋轉(zhuǎn)，攪拌針旋轉(zhuǎn)，且緩慢下降，所述攪拌針接觸所述薄板并插入板內(nèi)，待滾輪軸承的滾輪接觸并壓入所述薄板表面時(shí)，所述滾輪下壓停止，停留4～5s后，所述靜軸肩與所述攪拌針同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單層增材，單層增材完成后，向上抬起所述攪拌針，下降工作平面，預(yù)制下一層所述薄板，進(jìn)行第二層增材制造，重復(fù)此步驟，最終獲得塊體增材成型材料。

優(yōu)選的，所述步驟1中薄板裝夾時(shí)，所述薄板上表面高于平口鉗上表面0.15～0.2mm；

優(yōu)選的，所述步驟2中所述攪拌針中心投影點(diǎn)位于所述薄板中心線上；

優(yōu)選的，所述步驟3中滾輪軸承的滾輪接觸所述薄板后壓入深度為0.1～0.2mm。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言取得了以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明在靜軸肩內(nèi)設(shè)置同心臺(tái)階孔，攪拌頭穿過(guò)臺(tái)階孔，上臺(tái)階通過(guò)定心軸承套接在攪拌頭外，攪拌針與下臺(tái)階孔間隙配合，攪拌頭和攪拌針的連接部與中臺(tái)階孔間隙配合，攪拌頭在臺(tái)階孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，且不會(huì)與側(cè)壁發(fā)生摩擦。上述結(jié)構(gòu)解決了因攪拌頭過(guò)長(zhǎng)，偏心量大與靜軸肩內(nèi)壁摩擦造成攪拌針過(guò)早斷裂失效的問(wèn)題，其能夠改善攪拌頭剛度不足、偏心擺動(dòng)與靜軸肩內(nèi)壁摩擦斷裂的問(wèn)題，提高了攪拌頭使用壽命。

2、本發(fā)明在靜軸肩內(nèi)設(shè)置滾輪軸承，滾輪軸承的滾輪突出靜軸肩下端斷面，攪拌針插入薄板后，滾輪能夠壓入薄板內(nèi)，輔助壓緊工件，解決因靜軸肩空間狹小而造成的裝夾困難的難題，實(shí)現(xiàn)了隨焊壓緊和碾壓功能，改善了焊縫組織和應(yīng)力分布，減小焊縫變形。

3、本發(fā)明在增材過(guò)程中，攪拌針與滾輪能夠同時(shí)進(jìn)行水平位移，完成單層及多層增材，實(shí)現(xiàn)了無(wú)余量攪拌摩擦增材制造，實(shí)現(xiàn)近凈成形制造。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的加工示意圖；

圖2為本發(fā)明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的加工示意圖；

圖4為本發(fā)明靜軸肩攪拌摩擦增材制造快體成形材料實(shí)物俯視圖；

圖5為本發(fā)明靜軸肩攪拌摩擦增材制造快體成形材料實(shí)物側(cè)視圖

其中，1-攪拌頭、2-靜軸肩、2-1-上臺(tái)階孔、2-2-中臺(tái)階孔、2-3-下臺(tái)階孔、2-4-連接沉頭孔、2-5-拆卸孔、2-6-螺紋孔、3-定心軸承、4-滾輪軸承、5-滾輪軸、6-滾輪軸孔、7-薄板。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置及增材制造方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中攪拌針摩擦斷裂的問(wèn)題。設(shè)置靜軸肩內(nèi)部為三級(jí)臺(tái)階孔，定心軸承在上臺(tái)階孔承固定攪拌頭，攪拌針與下臺(tái)階孔采用過(guò)盈配合，輔助定心，增加攪拌頭剛度，解決因攪拌頭過(guò)長(zhǎng)，偏心量大與靜軸肩內(nèi)壁摩擦造成攪拌針過(guò)早斷裂失效的問(wèn)題。靜軸肩還設(shè)置有滾輪軸承，且滾輪軸承與攪拌針同步移動(dòng)，輔助壓緊工件，解決因靜軸肩空間狹小而造成的裝夾困難的難題。隨焊碾壓，改善焊縫組織和應(yīng)力分布，減小焊縫變形，本發(fā)明通過(guò)靜軸肩裝置能夠進(jìn)行無(wú)余量攪拌摩擦增材制造，實(shí)現(xiàn)近凈成形制造。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1-5所示，本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置及增材制造方法的裝置結(jié)構(gòu)和增材制造方法的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1-2所示，本實(shí)施例提供了一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置，包括：攪拌頭1、靜軸肩2和滾輪軸承4，在靜軸肩2的上表面中心位置沿豎直方向開(kāi)有同心的臺(tái)階孔，攪拌頭1穿過(guò)臺(tái)階孔。

本實(shí)施例的臺(tái)階孔為三級(jí)臺(tái)階孔且自上而下包括上臺(tái)階孔2-1、中臺(tái)階孔2-2和下臺(tái)階孔2-3，且上臺(tái)階孔2-1、中臺(tái)階孔2-2和下臺(tái)階孔2-3的直徑依次減小。具體的，攪拌頭1一端具有攪拌針結(jié)構(gòu)，攪拌針穿過(guò)下臺(tái)階孔2-3，下臺(tái)階孔2-3的直徑比攪拌針的直徑大0.3mm；中臺(tái)階孔2-2與攪拌頭1間隙配合，中臺(tái)階孔2-2的直徑大于攪拌頭1的直徑2mm。攪拌頭1套接有定心軸承3，定心軸承3設(shè)置在上臺(tái)階孔2-1內(nèi)，上臺(tái)階孔2-1與定心軸承3采用過(guò)盈配合。臺(tái)階孔的設(shè)置能夠輔助定心，增加攪拌頭1剛度，解決因攪拌頭1過(guò)長(zhǎng)，偏心量大與靜軸肩2內(nèi)壁摩擦造成攪拌針過(guò)早斷裂失效的問(wèn)題。

設(shè)置輔助壓緊工件，滾輪軸承4豎直設(shè)置在臺(tái)階孔側(cè)部且突出靜軸肩2的下端斷面，還包括滾輪軸5和滾輪軸承4的滾輪軸孔6，滾輪軸5水平穿過(guò)滾輪軸孔6將滾輪軸承4固定在靜軸肩2上，滾輪軸孔6的中心距靜軸肩2下端斷面的距離h比滾輪軸承4的半徑r小0.2mm，滾輪軸5與滾輪軸孔6過(guò)盈配合，滾輪軸承4底部切點(diǎn)到靜軸肩2下端斷面的距離大于0.2mm。在工作過(guò)程中需要攪拌針和滾輪軸承4在待加工材料上的工作軌跡重合，這樣才能夠保證攪拌針焊接過(guò)程中，滾輪軸承4能夠?qū)崿F(xiàn)隨焊碾壓，滾輪軸承4設(shè)置的目的一方面是解決因靜軸肩2空間狹小而造成的裝夾困難的難題，另一方面能夠在隨焊碾壓的過(guò)程中，改善焊縫組織和應(yīng)力分布，減小焊縫變形。本實(shí)施例中滾輪軸承4設(shè)置在攪拌針的后面，在移動(dòng)過(guò)程中，攪拌針旋轉(zhuǎn)對(duì)薄板7進(jìn)行焊接，焊接完成后的地方被后面移動(dòng)過(guò)來(lái)的滾輪軸承4的滾輪進(jìn)行碾壓，能夠減小焊縫變形。

如圖3所示，關(guān)于靜軸肩2的加工圖，在靜軸肩2下端斷面開(kāi)設(shè)有螺紋孔2-6、拆卸孔2-5和連接沉頭孔2-4，螺紋孔2-6和連接沉頭孔2-4均以下臺(tái)階孔2-3的軸線為對(duì)稱(chēng)中心對(duì)稱(chēng)設(shè)置在下臺(tái)階孔2-3兩側(cè)，螺紋孔2-6設(shè)置在連接沉頭孔2-4外側(cè)，螺紋孔2-6、連接沉頭孔2-4和下臺(tái)階孔2-3均在同一直線上，拆卸孔2-5設(shè)置在螺紋孔2-6的兩側(cè)，拆卸孔2-5與定心軸承3垂直連通；具體的本實(shí)施例中螺紋孔2-6設(shè)置有2個(gè)，拆卸孔2-5設(shè)置有4個(gè)，連接沉頭孔2-4設(shè)置有2個(gè)。拆卸孔2-5是用來(lái)拆卸定心軸承3，連接沉頭孔2-4通過(guò)螺栓連接加工的工作臺(tái)，螺紋孔2-6是輔助拆卸靜軸肩2裝置的，通過(guò)螺栓的旋轉(zhuǎn)使靜軸肩2裝置從加工工作臺(tái)上拔出。

如圖1、4和5所述，本實(shí)施例還提供了一種使用靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置進(jìn)行增材制造的方法，包括：

(1)將兩塊寬于攪拌針直徑的薄板7放置于平口鉗的夾具中，調(diào)節(jié)薄板7位置，使薄板7上表面平行于鉗口平面，同時(shí)保證薄板7露出鉗口平面，具體的，薄板7上表面高于平口鉗上表面0.2mm，調(diào)整完畢后，夾緊固定；

(2)調(diào)節(jié)攪拌針位置，使的攪拌針中心投影點(diǎn)位于薄板7中心線的正上方；

(3)靜軸肩2固定不旋轉(zhuǎn)，攪拌針旋轉(zhuǎn)，且緩慢下降，攪拌針接觸薄板7并插入板內(nèi)，待滾輪軸承4的滾輪接觸并壓入薄板7表面時(shí)，滾輪下壓停止，滾輪軸承4的滾輪此時(shí)壓入的深度為0.2mm，停留4～5s后，靜軸肩2與攪拌針同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單層增材，單層增材完成后，向上抬起攪拌針，下降工作平面，預(yù)制下一層薄板7，進(jìn)行第二層增材制造，重復(fù)此步驟，最終獲得塊體增材成型材料。

圖4和圖5是通過(guò)上述方法對(duì)薄板7進(jìn)行增材成型，并最終獲得塊體增材成型材料，圖4為塊體增材成型材料的俯視圖，上表面為薄板7被攪拌針焊接后的情況，圖5為塊體增材成型材料的側(cè)視圖，從側(cè)視圖能夠清晰看出通過(guò)本實(shí)施例的增材制造方法，多個(gè)薄板增材緊密，沒(méi)有焊縫變形的情況，實(shí)現(xiàn)近凈成形制造。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。