[发明专利]大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺

说明书

大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，采用径‑轴向热轧技术制备出片状薄壁环件单体，采用双轴搅拌摩擦焊接增材成形技术进行薄壁环件单体径向层叠式双轴搅拌摩擦焊接增材成形，焊接所用的焊接线材需要通过激光加热器进行预热，便于焊接过程中焊接线材的塑化，同时焊接过程中，需要采用超声波激振器对塑化的金属进行微锻处理，保证所形成焊缝的金属组织形态近似完全形成焊核；沿焊缝焊接一周后，焊接线材不断填充匙孔，同时搅拌头缓慢地从工件中抽出，从而完成第一环薄壁环件单体的焊接；最后进行厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形，本发明能够显著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高产品的整体性能。

技术领域

本发明属于大型金属环件成形技术领域，具体涉及大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺。

背景技术

随着我国石油化工、电力、船舶、航空航天和装备制造业的快速发展，环件需求量不断增加，品种越来越多，尺寸越来越大，所用材料种类也日益呈现多样化。对于中小型环件而言，现在比较普遍的成形技术是利用轧环机进行环件轧制。然而，对于大型环件而言，由于成形过程需要巨大的成形力来完成，大型轧制锻压设备制造困难、制造成本高，受轧机成形能力和产品成形质量的限制，很难用轧制技术实现其成形。随着铸锭增大凝固速度慢、材料偏析严重、晶粒粗大和裂纹铸造缺陷在后期轧制锻压过程中不能全部消除，导致部分环件的延伸率及强度不能满足设计要求。在实际生产中，极易出现夹皮、型腔充不满、粗晶等现象。而且大型环件成功轧制往往是以较多材料损耗，较高能源消耗为代价的。另外，现有的搅拌摩擦焊接容易在焊缝处形成飞边、凹坑和匙孔等缺陷。因此，传统大型厚壁环件的加工方法已无法满足市场提出的高效、节能节材、性能优越的制造要求。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，通过该工艺制备出焊缝处金属组织完全形成焊核的高性能大型厚壁环件，能够显著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高产品的整体性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

大型厚壁环件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，包括以下步骤：

1)薄壁环件单体轧制成形：采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；

2)薄壁环件单体径向层叠式双轴搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体1-1和第二薄壁环件单体1-2以同轴径向层叠对接的形式装夹在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过激光加热器5对焊接线材4进行预热，用送料器3将预热后的焊接线材4送到待焊工件的焊缝2-1处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2分别扎入待焊工件接缝的上下两侧，第一立式搅拌头1以逆时针方向自转，第二立式搅拌头2以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1绕环件端面逆时针运动；送料器3以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝2-1处持续输送焊接线材4，焊接线材4同时被第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2不停地搅入焊缝2-1，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的自转速率相同，自转速率大小需要使待焊工件焊缝2-1周围金属和焊接线材4可被加热到塑性状态，且控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝2-1；另外，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2搅拌焊接的同时，超声激振器6打开，对焊缝2-1处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝2-1处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2沿焊缝2-1向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2从待焊工件的焊缝2-1中缓慢抽出，送料器3继续向匙孔中输送焊接线材4，此时，送料器3继续输送焊接线材4的速率及时间需要和第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材4发生塑化后填满匙孔为止，完成了第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；