一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及增材制造方法与流程

1.本发明涉及搅拌摩擦焊接增材技术领域，具体来说，涉及一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及增材制造方法。


背景技术：

2.摩擦焊是两个工件端面相互运动、摩擦产生热，使端部材料达到热塑性状态，通过迅速施加顶锻力，使热塑材料完成焊接的一种方法，而搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，搅拌头的搅拌针在材料内部进行搅拌和摩擦，搅拌头的肩部与工件表面摩擦生热，从而使热塑材料完成焊接，与常规的熔焊相比，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。
3.而目前现有的搅拌摩擦增材技术基本应用在轻合金领域较多，其中以铝合金为代表，现有的其他增材方式如激光、电子束、电弧等增材方式受限于轻合金材料性质，会出现变形、缺陷或能量利用不高、尺寸不易控制问题，在搅拌摩擦焊增材技术领域，通常采用拼接、搭接、层堆积等方式进行，其中拼接方式可以实现横向和纵向增材，但不易进行厚度方向增材，搭接方式受限于搅拌头的搅拌针长度，使其在厚度方向上增材时存在一定局限性，且由于其增材方式为部分连接，结构强度相比整体增材形式较弱；
4.层堆积方式增材为搭接增材的一种变形，是用多层板进行搅拌复合焊接，这种方式也存在结构强度较弱的问题，且结合位置外侧需要留有足够搅拌摩擦余量防止在焊接时材料挤压导致基材破裂造成缺陷，且需要反复装夹影响焊接效率，也有一部分搅拌摩擦增材采用棒料旋转摩擦进行焊接，受限于棒料长度无法做到连续焊接，影响焊接效率和搭接位置焊接质量，搅拌摩擦焊增材制造作为一种良好的轻合金固相结合方式，其增材焊接由于属于固相焊接，其材料流动性与材料供应及热塑化程度相关，在增材过程中容易在生产过程中出现缺陷或部分区域增材连接强度问题。
5.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.针对相关技术中的问题，本发明提出一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及增材制造方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
7.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
8.根据本发明的一方面，提供了一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，包括基板，基板的顶部设置有外轴肩，外轴肩的中部设置有搅拌头，外轴肩的底部一侧设置有丝材，且丝材的与搅拌头相配合。
9.进一步的，为了外轴肩便于安装搅拌头，提高使用时的效率，外轴肩的中部设置有穿插孔，穿插孔的顶部设置有限位槽，穿插孔的底部一侧开设有外轴肩导向孔，限位槽的圆周外侧且位于外轴肩的顶部开设有若干连接孔。
10.进一步的，为了搅拌头便于进行双螺旋搅拌摩擦增材，搅拌头包括设置在外轴肩
的搅拌杆，搅拌杆的中部设置有限位环，且限位环与限位槽相对应，限位环的底部设置有搅拌轴，且搅拌轴与穿插孔相配合，所搅拌头还包括设置在搅拌轴底部的搅拌轴螺旋，搅拌轴螺旋的外侧开设有若干搅拌轴导流槽，搅拌轴螺旋的底部设置有搅拌头轴肩，搅拌头轴肩的底部设置有搅拌针，搅拌针的外侧开设有搅拌针螺旋，搅拌针螺旋的圆周外侧开设有若干搅拌针导流槽。
11.进一步的，为了丝材便于进行添加，提高双螺旋搅拌摩擦增材的效率，丝材与外轴肩导向孔相对应，且丝材与搅拌轴螺旋相配合，搅拌轴螺旋与搅拌针螺旋的螺旋线为相反旋向。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种增材制造方法，该方法包括以下步骤：
13.将搅拌头插入到外轴肩中孔内，并与外轴肩保持预设距离；
14.将外轴肩与搅拌头调节到基板上方；
15.将丝材从外轴肩导向孔插入，并与搅拌轴螺旋连接；
16.启动搅拌头进行旋转，丝材与搅拌轴螺旋接触时被摩擦挤压切割，并通过搅拌轴螺旋和搅拌轴导流槽使软化丝材向下流动到达搅拌头轴肩；
17.同时将搅拌针插入到基板中，通过搅拌针螺旋旋转搅拌，带动软化的基板通过搅拌针螺旋和搅拌针导流槽向上移动，并与软化丝材于交汇，且在轴肩位置的进一步搅拌摩擦下使材料热塑化并与基板连接，使得热塑材料存储在外轴肩与搅拌头轴肩所形成的空间内部，通过搅拌头轴肩与基板的距离来控制每次增材的厚度，通过反复堆叠达到预设目标增材厚度，完成双螺旋搅拌摩擦送丝增材。
18.本发明的有益效果为：
19.1、本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，提高增材效率，解决摩擦增材在增材过程中容易出现缺陷或增材连接强度问题。
20.2、本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现汽车电池托盘框架结构的高效低成本制造，且制造工艺简单，生成成本低，材料利用率高，材料结构强度好，同时可以实现复杂空间曲面的轻合金框架、壳体、复杂加强筋等的增材制造，解决由于空间及位置受限，常规制造工艺复杂或制造成本较高效率低下的问题。
21.3、本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现轻型材料大型筒段的增材制造，解决大型筒段焊接加工成本高，生产工艺复杂的问题，且对基材和新增材料进行重复搅拌摩擦，因此会对其连接强度有明显提升，且对于异种金属的连接强度有较为明显的提高。
22.4、本发明通过在搅拌针及搅拌轴外侧开设搅拌轴导流槽和搅拌针导流槽，使得搅拌轴导流槽和搅拌针导流槽可以防止材料堆积在搅拌部位，更是减小了搅拌头在搅拌时的摩擦阻力，使得搅拌头使用寿命提高，更有利于热塑化材料在其内部流动，且搅拌针和搅拌轴的螺旋结构基体均有一定的角度，通过角度的设计可以使得材料在搅拌和摩擦的过程中让已经热塑化的材料更易向制定方向流动。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
24.图1是根据本发明实施例的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置的结构示意图；
25.图2是根据本发明实施例的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置中外轴肩结构示意图；
26.图3是根据本发明实施例的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置中搅拌头结构示意图。
27.图中：
28.1、基板；2、外轴肩；21、穿插孔；22、限位槽；23、外轴肩导向孔；24、连接孔；3、搅拌头；31、搅拌杆；32、限位环；33、搅拌轴；34、搅拌轴螺旋；35、搅拌轴导流槽；36、搅拌头轴肩；37、搅拌针；38、搅拌针螺旋；39、搅拌针导流槽；4、丝材。
具体实施方式
29.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
30.根据本发明的实施例，提供了一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及增材制造方法。
31.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-图3所示，根据本发明实施例的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，包括基板1，基板1的顶部设置有外轴肩2，外轴肩2的中部设置有搅拌头3，外轴肩2的底部一侧设置有丝材4，且丝材4的与搅拌头3相配合。
32.借助于本发明的上述技术方案，本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，提高增材效率，解决摩擦增材在增材过程中容易出现缺陷或增材连接强度问题。
33.在一个实施例中，对于上述外轴肩2来说，外轴肩2的中部设置有穿插孔21，穿插孔21的顶部设置有限位槽22，穿插孔21的底部一侧开设有外轴肩导向孔23，限位槽22的圆周外侧且位于外轴肩2的顶部开设有若干连接孔24，搅拌头3包括设置在外轴肩2的搅拌杆31，搅拌杆31的中部设置有限位环32，且限位环32与限位槽22相对应，限位环32的底部设置有搅拌轴33，且搅拌轴33与穿插孔21相配合，搅拌头3还包括设置在搅拌轴33底部的搅拌轴螺旋34，搅拌轴螺旋34的外侧开设有若干搅拌轴导流槽35，搅拌轴螺旋34的底部设置有搅拌头轴肩36，搅拌头轴肩36的底部设置有搅拌针37，搅拌针37的外侧开设有搅拌针螺旋38，搅拌针螺旋38的圆周外侧开设有若干搅拌针导流槽39，丝材4与外轴肩导向孔23相对应，且丝材4与搅拌轴螺旋34相配合，搅拌轴螺旋34与搅拌针螺旋38的螺旋线为相反旋向，且外轴肩2侧面开有外轴肩导向孔23，且外轴肩导向孔23开可以为单个或多个，具体数量根据送丝数量决定，且多个送丝口的设计可以进一步提高搅拌摩擦增材的增材效率，所述丝材4为连续送丝，通过搅拌头进行切割搅拌，搅拌头轴肩36位置汇聚基板1与丝材4材料，并通过搅拌头轴肩36的摩擦对材料进行固相结合所述搅拌头轴肩36与外轴肩2存在高度差，搅拌头轴肩
36在外轴肩2内，可以使搅拌摩擦生成的热塑化材料存积在里面，以更好的提高焊接质量，较小缺陷产生；
34.且搅拌头轴肩36与外轴肩2存在高度差，搅拌头轴肩36在外轴肩2内，可以使搅拌摩擦生成的热塑化材料存积在里面，以更好的提高焊接质量，较小缺陷产生。
35.根据本发明的另一个实施例，提供了一种增材制造方法，该方法包括以下步骤：
36.将搅拌头3插入到外轴肩中孔内，并与外轴肩2保持预设距离；
37.将外轴肩2与搅拌头3调节到基板1上方；
38.将丝材4从外轴肩导向孔23插入，并与搅拌轴螺旋34连接；
39.启动搅拌头3进行旋转，丝材4与搅拌轴螺旋34接触时被摩擦挤压切割，并通过搅拌轴螺旋34和搅拌轴导流槽35使软化丝材向下流动到达搅拌头轴肩36；
40.同时将搅拌针37插入到基板1中，通过搅拌针螺旋38旋转搅拌，带动软化的基板1通过搅拌针螺旋38和搅拌针导流槽39向上移动，并与软化丝材于交汇，且在轴肩位置的进一步搅拌摩擦下使材料热塑化并与基板1连接，使得热塑材料存储在外轴肩2与搅拌头轴肩36所形成的空间内部，通过搅拌头轴肩36与基板1的距离来控制每次增材的厚度，通过反复堆叠达到预设目标增材厚度，完成双螺旋搅拌摩擦送丝增材
41.具体的，在进行双螺旋搅拌摩擦送丝增材制造时，将本装置安装在可以实现三维运动的机构上，通过机构的三维运动带动本装置在三维曲面上运动，从而可以实现三维复杂曲面的增材效果。
42.在进行双螺旋搅拌摩擦送丝增材制造时，在开始进行搅拌摩擦焊接时外轴肩2可以与基板1贴合，所述基板1是但不仅限于板，搅拌头3在焊接时需要与外轴肩2一起在开始位置停留0.5-1s，从而将搅拌头3与外轴肩2之间的间隙填充完成，并进行充分摩擦搅拌，搅拌头3轴肩与外轴肩2之间的距离为0-3mm，搅拌头1转速为200-5000rpm，丝材4直径为0.5mm-5mm，送丝速度为5mm/min-1000mm/min，2外轴肩与基板1距离为0.05mm-5mm，搅拌头3直径为5mm-50mm，搅拌头轴肩34顶端力为0.5kn-200kn，丝材4在输送时需与搅拌头3焊接同步进行，送丝速度与增材速度应保持一致，送丝速度不易大于增材量的20％，为保证焊接质量送丝速度大于增材量5％为宜，在开始沿轨迹增材前需将装置离开基板一定距离，达到设定增材厚度，使热塑化材料从间隙流出，再通过对双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置的轨迹控制，从而实现对复杂型面的增材设定，通过多层材料堆集以达到所需增材厚度，同时在进行双螺旋搅拌摩擦送丝增材制造时，为确保热塑化材料能够与基材结合良好，搅拌头轴肩36顶端力应在0.5kn-200kn之间，旋转速度在200-5000rpm之间，以确保丝材能够获得足够的热以达到热容态，且在进行双螺旋搅拌摩擦送丝增材制造时，外轴肩2与基材1之间应保持垂直状态，尽量不产生倾角，以免影响热容态材料流动状态，进而影响到增材效果及尺寸。
43.为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
44.在实际应用时，丝材4从外轴肩2侧面通过外轴肩导向孔23穿进到搅拌头3的搅拌轴螺旋34表面，使得搅拌头3通过搅拌轴螺旋34对进入外轴肩2，且外轴肩2内部的丝材4搅拌摩擦并使其软化，且通过搅拌轴螺旋34及搅拌轴导流槽35使软化材料向下流动到达搅拌头轴肩36位置，搅拌头轴肩36，同时将搅拌针37插入到基板1中，在搅拌针37旋转搅拌下，带动软化的基板1材料通过搅拌针螺旋38及搅拌针导流槽39向上移动，从而与软化丝材于搅
拌头轴肩36位置汇合，并在搅拌头轴肩36的进一步搅拌摩擦下使软化材料与基板1结合，以实现增材目的，并且由于搅拌针37长度大于增材厚度，材料会在搅拌针37作用下反复搅拌，使得材料搅拌结合更完全充分性能更加优异，且丝材4可以通过外轴肩导向孔23连续多孔进入，从而实现连续增材并提高增材焊接速度；
45.搅拌轴螺旋34与搅拌针螺旋38的螺旋线为相反旋向，即当所述搅拌头3旋转方向为正转时，搅拌针螺旋38转向为反螺旋，搅拌轴螺旋34为正螺旋，当搅拌头3反转时，搅拌针螺旋38为正螺旋，搅拌轴螺旋34为反螺旋，其双螺旋结构可以使搅拌头3底部搅拌针37和搅拌轴33分别对基板1和丝材4进行切割、搅拌、摩擦，从而使材料热塑化以更好地流动和结合，且搅拌头3相反的螺旋使搅拌头3旋转时材料不会发生倒流，影响进丝，且所述搅拌针螺旋38和搅拌轴螺旋34基体结构均带有一定的角度和导流槽结构，角度的设计可以使得材料在搅拌和摩擦的过程中让已经热塑化的材料更易向制定方向流动，导流槽可以防止材料堆积在搅拌部位，更是减小了搅拌头在搅拌时的摩擦阻力，使得搅拌头使用寿命提高，更有利于热塑化材料在其内部流动。
46.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，提高增材效率，解决摩擦增材在增材过程中容易出现缺陷或增材连接强度问题。
47.此外，本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现汽车电池托盘框架结构的高效低成本制造，且制造工艺简单，生成成本低，材料利用率高，材料结构强度好，同时可以实现复杂空间曲面的轻合金框架、壳体、复杂加强筋等的增材制造，解决由于空间及位置受限，常规制造工艺复杂或制造成本较高效率低下的问题。
48.此外，本发明提供的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及其制造方法可以实现轻型材料大型筒段的增材制造，解决大型筒段焊接加工成本高，生产工艺复杂的问题，且对基材和新增材料进行重复搅拌摩擦，因此会对其连接强度有明显提升，且对于异种金属的连接强度有较为明显的提高。
49.此外、本发明通过在搅拌针37及搅拌轴33外侧开设搅拌轴导流槽35和搅拌针导流槽39，使得搅拌轴导流槽35和搅拌针导流槽39可以防止材料堆积在搅拌部位，更是减小了搅拌头在搅拌时的摩擦阻力，使得搅拌头使用寿命提高，更有利于热塑化材料在其内部流动，且搅拌针37和搅拌轴33的螺旋结构基体均有一定的角度，通过角度的设计可以使得材料在搅拌和摩擦的过程中让已经热塑化的材料更易向制定方向流动。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，包括基板(1)，其特征在于，所述基板(1)的顶部设置有外轴肩(2)，所述外轴肩(2)的中部设置有搅拌头(3)，所述外轴肩(2)的底部一侧设置有丝材(4)，且所述丝材(4)的与所述搅拌头(3)相配合。2.根据权利要求1所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述外轴肩(2)的中部设置有穿插孔(21)，所述穿插孔(21)的顶部设置有限位槽(22)，所述穿插孔(21)的底部一侧开设有外轴肩导向孔(23)，所述限位槽(22)的圆周外侧且位于所述外轴肩(2)的顶部开设有若干连接孔(24)。3.根据权利要求2所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述搅拌头(3)包括设置在所述外轴肩(2)的搅拌杆(31)，所述搅拌杆(31)的中部设置有限位环(32)，且所述限位环(32)与所述限位槽(22)相对应，所述限位环(32)的底部设置有搅拌轴(33)，且所述搅拌轴(33)与所述穿插孔(21)相配合。4.根据权利要求3所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述搅拌头(3)还包括设置在所述搅拌轴(33)底部的搅拌轴螺旋(34)，所述搅拌轴螺旋(34)的外侧开设有若干搅拌轴导流槽(35)，所述搅拌轴螺旋(34)的底部设置有搅拌头轴肩(36)。5.根据权利要求4所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述搅拌头轴肩(36)的底部设置有搅拌针(37)，所述搅拌针(37)的外侧开设有搅拌针螺旋(38)，所述搅拌针螺旋(38)的圆周外侧开设有若干搅拌针导流槽(39)。6.根据权利要求5所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述丝材(4)与所述外轴肩导向孔(23)相对应，且所述丝材(4)与所述搅拌轴螺旋(34)相配合。7.根据权利要求6所述的一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置，其特征在于，所述搅拌轴螺旋(34)与所述搅拌针螺旋(38)的螺旋线为相反旋向。8.一种增材制造方法，用于实现权利1-7中任一项所述的双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置的制造操作，其特征在于，该方法包括以下步骤：将搅拌头(3)插入到外轴肩中孔内，并与外轴肩(2)保持预设距离；将外轴肩(2)与搅拌头(3)调节到基板(1)上方；将丝材(4)从外轴肩导向孔(23)插入，并与搅拌轴螺旋(34)连接；启动搅拌头(3)进行旋转，丝材(4)与搅拌轴螺旋(34)接触时被摩擦挤压切割，并通过搅拌轴螺旋(34)和搅拌轴导流槽(35)使软化丝材向下流动到达搅拌头轴肩(36)；同时将搅拌针(37)插入到基板(1)中，通过搅拌针螺旋(38)旋转搅拌，带动软化的基板(1)通过搅拌针螺旋(38)和搅拌针导流槽(39)向上移动，并与软化丝材于交汇，且在轴肩位置的进一步搅拌摩擦下使材料热塑化并与基板(1)连接，使得热塑材料存储在外轴肩(2)与搅拌头轴肩(36)所形成的空间内部，通过搅拌头轴肩(36)与基板(1)的距离来控制每次增材的厚度，通过反复堆叠达到预设目标增材厚度，完成双螺旋搅拌摩擦送丝增材。

技术总结
本发明公开了一种双螺旋搅拌摩擦送丝增材装置及增材制造方法，包括基板，基板的顶部设置有外轴肩，外轴肩的中部设置有搅拌头，外轴肩的底部一侧设置有丝材，且丝材的与搅拌头相配合，外轴肩的中部设置有穿插孔，穿插孔的顶部设置有限位槽，穿插孔的底部一侧开设有外轴肩导向孔，限位槽的圆周外侧且位于外轴肩的顶部开设有若干连接孔。本发明通过在搅拌针及搅拌轴外侧开设搅拌轴导流槽和搅拌针导流槽，使得搅拌轴导流槽和搅拌针导流槽可以防止材料堆积在搅拌部位，更是减小了搅拌头在搅拌时的摩擦阻力，使得搅拌头使用寿命提高，更有利于热塑化材料在其内部流动。于热塑化材料在其内部流动。于热塑化材料在其内部流动。


技术研发人员：张哲 吉华 刘捷 路卫卫 王天宇 吴金鹏 唐文辉
受保护的技术使用者：上海同芯构技术有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/6