[发明专利]一种差速旋转送丝式搅拌增材及修复的方法与焊具

说明书

本发明公开了一种差速旋转送丝式搅拌增材及修复焊具，包括差速搅拌针、送丝套筒、送丝压紧环和丝材；差速搅拌针同时穿入送丝套筒与送丝压紧环，差速搅拌针与送丝套筒同轴心差速旋转，两者滑动配合，所述送丝套筒和送丝压紧环同轴心，两者间隙配合，送丝套筒外壁有螺纹；送丝压紧环在直线增材时与电主轴同步前进不转动，在S型曲线、U型曲线以及螺旋型曲线增材时电主轴跟随FSW机器人六轴或机床旋转轴，依据增材曲线的角度转动；本发明可满足在设定送丝速度的前提下，通过改变差速搅拌针转速来满足焊接热输入，扩宽了工艺窗口；送丝套筒与差速搅拌针独立旋转，丝材不易断裂，促使增材过程稳定进行，可在较宽的送丝速度范围下实现增材制造。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接与增材制造技术领域，具体涉及一种差速旋转送丝式搅拌增材及修复的方法与焊具。

背景技术

轻质高强韧铝合金正逐渐替代钢材成为航空航天、轨道交通、船舶制造及生物医药等领域的结构件。因此增材技术在相关制造业已经得到了广泛地研究及应用。此外，很多卫星、飞机在任务或行动时会受到一些形式的战斗损伤。为了获得这些装备最大化的可用度，这一类修复必须要求与最初的设计强度与操作可靠性一致。现在常用的增材及修复方式以激光、电子束及电弧修复为主，这对于钢材而言通常是具有良好适用性的。但针对高强韧铝合金，其熔化再凝固过程难以避免元素烧损、气孔、热裂纹等弱化因素，这导致现有的熔焊增材及修复很难满足关键承载构件的需求。而搅拌增材及修复是一种固相连接技术，可直接在大气环境下进行，构件无气孔、疏松及残余应力等问题。

目前依据搅拌增材的工艺特点可分为三类：第一类是将薄板叠加，基于搅拌摩擦搭接焊原理，将金属薄板逐层连接在一起，从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造，但板材送料增材每一次增材都需要重新对板材进行装夹和定位，增材的效率和构件成形精度相对较低；第二类采用消耗型棒材，通过棒材的摩擦表面处理，形成增材层的摩擦表面沉积增材制造技术，消耗棒材充当搅拌工具在增材过程中连续填加棒料的过程中容易失稳，且在沉积层边缘易形成未连接缺陷，从而影响构建精度和质量；第三类采用特制的焊具，通过添加颗粒或丝材进行固相搅拌摩擦沉积增材制造。相较于以上两中方案，该方案增材制造工艺较为灵活。

目前相关专利CN112958902A通过静轴肩侧壁打孔填丝的方式实现连续的搅拌摩擦增材制造过程。在静止轴肩内部间隙添加连续的丝材，通过静轴肩与具有螺纹的搅拌针之间的相对运动，形成向下剪切力与旋转搅拌摩擦作用，使材料保持热塑化状态并螺旋向下流动至空腔，进而实现增材制造。专利CN112828441B由搅拌头、旋转机构和加热结构组成，搅拌头底部由几个送料出口，在原本搅拌头内部设置有旋转机构，旋转机构表面有螺纹结构，旋转机构与搅拌头之间有送料间隙，在搅拌头外部辅助电磁感应加热装置。通过对输送的丝或者粉末加热以及搅拌，旋转机构促进材料向下流动，实现半固态增材制造。专利CN113118612B通过具有导丝孔的基座带有刃口的裁剪部分组成的剪丝机构，将丝材切割成不同长度不同材质的颗粒物品，使用导丝孔将颗粒送至静轴肩与搅拌针之间的间隙中，实现梯度符合材料的搅拌增材制造。

以上采用填料搅拌增材及修复时，存在着以下几个问题：(1)连续送丝增材由于丝材跟随刀具旋转连续进行的，即在搅拌增材过程中主轴转速与送丝速度成线性关系，送丝速度与增材速度成正相关，而主轴旋转速度与焊接如输入呈正相关(转速在0～1500rpm)，增材速度与焊接热输入呈负相关，两者相互制约，因此导致工艺窗口窄的问题；(2)静轴肩搅拌针的直径相对较小，螺纹深度较浅，刀具易磨损；(3)为了满足常规的焊接热输入，主轴旋转速度大概在800-1200rpm，在该转速下，易送丝速度只能选择较细的焊丝导致丝材断裂，造成送料不稳的问题；(4)通过半固态加热将塑化金属挤出方法，增材层之间的氧化物仍然存在，导致层间结合差；(5)剪丝机构结构送颗粒对设备一体化调控要求较高，设备结构复杂。因此提出一种差速旋转送丝式搅拌增材及修复的方法与焊具。

发明内容