[发明专利]薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法及装备

说明书

本发明提供一种大型薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法及其装备，其利用同轴输送棒料进入空心搅拌工具原理的搅拌摩擦增材制造装备在已有筒底、筒段等薄壁结构上进行每层加强筋成形，由低到高层层堆叠制备完成完整的加强筋结构，所述的薄壁是指筒体结构厚度不小于1mm，该方法适用于加强筋厚度与筒体壁厚之比超过1：1的结构，尤其是经过拓扑优化的异型加强筋结构的成形，属于航天大型轻质材料结构件快速形成制造领域。采用本发明方法制备的薄壁筒体加强筋结构，晶粒尺寸细小，机械性能达到同成分锻件水平，基材无热影响区薄弱区域，产品研制周期短，材料利用率提高，可大幅提升航天大型轻质结构件加工效率。

技术领域

本发明属于快速成形技术领域，具体涉及一种航天飞行器大型薄壁筒体结构加强筋特征的搅拌摩擦增材制造方法及其装备。

背景技术

目前运载火箭多为大型薄壁高筋筒体结构，其中筒段结构传统方法多采用分片加工拼焊而成，筒底结构采用一体化旋压成形或瓜瓣分片加工拼焊成形。筒体结构上高度较低的加强筋特征一般通过厚板切削得到，这造成大量的材料浪费和耗费大量的机加工工时，也提高了原材料的制备难度。高度较高的加强筋可通过熔焊或搅拌焊拼接添加，但加强筋壁厚大于筒体壁厚时，搅拌焊过程难以操作，而熔焊热输入较大，易在基材上形成热影响区等弱化区域，甚至焊穿基材。特别是对于采用拓扑优化等创新结构设计方法生成的异型加强筋特征，传统加工方法更是难以胜任。面对日益密级的运载火箭发射任务需求，为满足运载火箭筒体结构产品低成本、短周期、高质量制造需求，亟需创新航天大型薄壁筒体结构研制方法。

增材制造技术可以快速响应结构产品设计需求，具有研制周期短，材料利用率高等优势，为短流程、高质量一体化制备航天飞行器大型薄壁筒体结构加强筋特征提供了新的思路。筋板无需通过机加工切削成形，减少旋压、拼焊等筒底筒段基材厚度，材料利用率高，缩短周期，解决高筋薄壁结构高质量焊接难题，实现筋板结构一体化成形。然而，传统激光增材、电弧增材等熔焊增材制造方法，成形件机械性能普遍低于锻件基材，其热输入大易导致薄壁结构变形，成形效率较低，特别是对于铝合金、镁合金等轻质材料结构件，传统的增材制造方法，难以高质量成形。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种航天飞行器大型薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法及其装备，技术方案如下：

一种大型薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法，所述筒体由旋压、拼焊等其他方法制得，筒体结构厚度不小于1mm，所述加强筋壁厚与筒体壁厚之比超过1：1，其特征在于：该加强筋结构是在筒体基材上增材制造层层堆焊形成；

利用同轴输送棒料进入空心搅拌工具方式的搅拌摩擦增材制造技术在已有筒底、筒段等薄壁结构上进行每层加强筋成形，由低到高层层堆焊制备完整的加强筋结构；

成形时同一堆焊层内的不同筋板按照对称均布的原则逐次焊接，相邻堆焊层采用相反的焊接方向，根据筋板厚度与堆焊道宽尺寸关系，单条筋板可单道成形，也可多道拼焊成形。

进一步地，所述的下压力为1000N～30000N，堆焊速度为2mm/s～10mm/s，堆焊倾角为0～4°，棒料为方形截面，边长2mm～15mm的铝合金或镁合金，送进速度为4mm/s～15mm/s，焊道宽为5mm～60mm，层厚2mm～5mm。

进一步地，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，采用合适的工装固定已有的筒底、筒段结构；

步骤2，将待成形筋板结构分层切片，规划运动轨迹；

步骤3，设置工艺参数，装填消耗型棒料，在筒底、筒段上定位起始堆焊点，开始第一层第一道筋板成形，；

步骤4，按照对称均布的原则逐次成形第一堆焊层内的不同筋板，完成第一堆焊层成形；