本發明涉及金屬焊接及增材制造技術領域，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：

靜軸肩攪拌摩擦焊技術是常規攪拌摩擦焊技術的一種創新發展，屬于固相焊接技術，其原理是軸肩固定不旋轉，攪拌針旋轉，利用攪拌針旋轉著插入被焊零件，然后沿著被焊零件的待焊界面向前移動，通過攪拌針對材料的攪拌、摩擦，使待焊材料加熱至熱塑性狀態，在攪拌針高速旋轉的帶動下，處于塑性狀態的材料環繞攪拌頭由前向后轉移，同時靜軸肩對焊縫金屬的鍛壓作用，在熱-機聯合作用下材料擴散連接形成致密的金屬間固相連接。相對于常規攪拌摩擦焊技術，靜軸肩攪拌摩擦焊技術仍具有常規攪拌摩擦焊的特點，同時還具有自己獨特的優勢：可以用來解決鈦合金攪拌摩擦焊因導熱系數差，焊接溫度梯度大而導致的組織性能不均勻的問題。焊接過程中，軸肩不旋轉，攪拌針旋轉，軸肩可設計成與角焊縫配合的軸肩，目前已成功實現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渡的角焊縫接頭且強度較熔化焊有所提高；靜軸肩攪拌摩擦焊技術可以實現添加填充材料的焊接，結合以上兩點，將靜軸肩攪拌摩擦焊技術做適當調整便可以實現攪拌摩擦無余量近凈成形增材制造，目前尚未見相關研究與報道。

靜軸肩攪拌摩擦焊過程中，軸肩固定不旋轉，攪拌針旋轉，基于靜軸肩攪拌摩擦焊的技術特點，攪拌頭必須設計成特殊結構形式，導致整個攪拌頭長度較長，而攪拌針直徑較小(直徑大時，成型困難，容易產生缺陷)，屬于細長零件；為了增加攪拌頭的剛度，通常將連接部分設計的較粗，導致攪拌針與連接部分過度突兀，易產生應力集中，易斷裂，在旋轉情況下，過長攪拌頭易產生偏心問題，攪拌針與金屬內壁直接摩擦，攪拌針易斷裂失效，針對應力集中問題，通用辦法是采用圓弧過渡方式連接。但針對攪拌針摩擦斷裂問題，目前尚未有解決方案。

技術實現要素：

本發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，解決現有技術中攪拌針摩擦斷裂的問題，設置靜軸肩內部為三級臺階孔，定心軸承在上臺階孔承固定攪拌頭，攪拌針與下臺階孔采用過盈配合，輔助定心，增加攪拌頭剛度，解決因攪拌頭過長，偏心量大與靜軸肩內壁摩擦造成攪拌針過早斷裂失效的問題。靜軸肩還設置有滾輪軸承，且滾輪軸承與攪拌針同步移動，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，改善焊縫組織和應力分布，減小焊縫變形，本發明通過靜軸肩裝置能夠進行無余量攪拌摩擦增材制造，實現近凈成形制造。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：

本發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有同心的臺階孔，所述攪拌頭穿過所述臺階孔，所述滾輪軸承豎直設置在所述臺階孔側部且突出所述靜軸肩的下端斷面，所述臺階孔自上而下包括上臺階孔、中臺階孔和下臺階孔，且所述上臺階孔、中臺階孔和下臺階孔的直徑依次減小，所述攪拌頭一端的攪拌針穿過所述下臺階孔，所述中臺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，所述定心軸承設置在所述上臺階孔內。

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

優選的，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盈配合，所述滾輪軸承底部切點到所述靜軸肩下端斷面的距離大于0.15～0.2mm；

優選的，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；

優選的，所述靜軸肩下端斷面開設有螺紋孔、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階孔的軸線為對稱中心對稱設置在所述下臺階孔兩側，所述螺紋孔設置在所述連接沉頭孔外側，所述螺紋孔、連接沉頭孔和下臺階孔均在同一直線上，所述拆卸孔設置在所述螺紋孔的兩側，所述拆卸孔與所述定心軸承垂直連通；

優選的，所述螺紋孔設置有2個，所述拆卸孔設置有4個，所述連接沉頭孔設置有2個。

本發明還提供了一種使用靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置進行增材制造的方法，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，調節薄板位置，使所述薄板上表面平行于鉗口平面，同時保證所述薄板露出所述鉗口平面，調整完畢后，夾緊固定；

(2)調節攪拌針位置，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，攪拌針旋轉，且緩慢下降，所述攪拌針接觸所述薄板并插入板內，待滾輪軸承的滾輪接觸并壓入所述薄板表面時，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運動，實現單層增材，單層增材完成后，向上抬起所述攪拌針，下降工作平面，預制下一層所述薄板，進行第二層增材制造，重復此步驟，最終獲得塊體增材成型材料。

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

優選的，所述步驟2中所述攪拌針中心投影點位于所述薄板中心線上；

優選的，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。

本發明相對于現有技術而言取得了以下技術效果：

1、本發明在靜軸肩內設置同心臺階孔，攪拌頭穿過臺階孔，上臺階通過定心軸承套接在攪拌頭外，攪拌針與下臺階孔間隙配合，攪拌頭和攪拌針的連接部與中臺階孔間隙配合，攪拌頭在臺階孔內轉動穩定，且不會與側壁發生摩擦。上述結構解決了因攪拌頭過長，偏心量大與靜軸肩內壁摩擦造成攪拌針過早斷裂失效的問題，其能夠改善攪拌頭剛度不足、偏心擺動與靜軸肩內壁摩擦斷裂的問題，提高了攪拌頭使用壽命。

2、本發明在靜軸肩內設置滾輪軸承，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，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，實現了隨焊壓緊和碾壓功能，改善了焊縫組織和應力分布，減小焊縫變形。

3、本發明在增材過程中，攪拌針與滾輪能夠同時進行水平位移，完成單層及多層增材，實現了無余量攪拌摩擦增材制造，實現近凈成形制造。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的加工示意圖；

圖2為本發明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的結構示意圖；

圖3為本發明靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置的加工示意圖；

圖4為本發明靜軸肩攪拌摩擦增材制造快體成形材料實物俯視圖；

圖5為本發明靜軸肩攪拌摩擦增材制造快體成形材料實物側視圖

其中，1-攪拌頭、2-靜軸肩、2-1-上臺階孔、2-2-中臺階孔、2-3-下臺階孔、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。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發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，解決現有技術中攪拌針摩擦斷裂的問題。設置靜軸肩內部為三級臺階孔，定心軸承在上臺階孔承固定攪拌頭，攪拌針與下臺階孔采用過盈配合，輔助定心，增加攪拌頭剛度，解決因攪拌頭過長，偏心量大與靜軸肩內壁摩擦造成攪拌針過早斷裂失效的問題。靜軸肩還設置有滾輪軸承，且滾輪軸承與攪拌針同步移動，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，改善焊縫組織和應力分布，減小焊縫變形，本發明通過靜軸肩裝置能夠進行無余量攪拌摩擦增材制造，實現近凈成形制造。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1-5所示，本實施例對本發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構和增材制造方法的過程進行詳細的說明。

如圖1-2所示，本實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有同心的臺階孔，攪拌頭1穿過臺階孔。

本實施例的臺階孔為三級臺階孔且自上而下包括上臺階孔2-1、中臺階孔2-2和下臺階孔2-3，且上臺階孔2-1、中臺階孔2-2和下臺階孔2-3的直徑依次減小。具體的，攪拌頭1一端具有攪拌針結構，攪拌針穿過下臺階孔2-3，下臺階孔2-3的直徑比攪拌針的直徑大0.3mm；中臺階孔2-2與攪拌頭1間隙配合，中臺階孔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設置在上臺階孔2-1內，上臺階孔2-1與定心軸承3采用過盈配合。臺階孔的設置能夠輔助定心，增加攪拌頭1剛度，解決因攪拌頭1過長，偏心量大與靜軸肩2內壁摩擦造成攪拌針過早斷裂失效的問題。

設置輔助壓緊工件，滾輪軸承4豎直設置在臺階孔側部且突出靜軸肩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過盈配合，滾輪軸承4底部切點到靜軸肩2下端斷面的距離大于0.2mm。在工作過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程中，滾輪軸承4能夠實現隨焊碾壓，滾輪軸承4設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程中，改善焊縫組織和應力分布，減小焊縫變形。本實施例中滾輪軸承4設置在攪拌針的后面，在移動過程中，攪拌針旋轉對薄板7進行焊接，焊接完成后的地方被后面移動過來的滾輪軸承4的滾輪進行碾壓，能夠減小焊縫變形。

如圖3所示，關于靜軸肩2的加工圖，在靜軸肩2下端斷面開設有螺紋孔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均以下臺階孔2-3的軸線為對稱中心對稱設置在下臺階孔2-3兩側，螺紋孔2-6設置在連接沉頭孔2-4外側，螺紋孔2-6、連接沉頭孔2-4和下臺階孔2-3均在同一直線上，拆卸孔2-5設置在螺紋孔2-6的兩側，拆卸孔2-5與定心軸承3垂直連通；具體的本實施例中螺紋孔2-6設置有2個，拆卸孔2-5設置有4個，連接沉頭孔2-4設置有2個。拆卸孔2-5是用來拆卸定心軸承3，連接沉頭孔2-4通過螺栓連接加工的工作臺，螺紋孔2-6是輔助拆卸靜軸肩2裝置的，通過螺栓的旋轉使靜軸肩2裝置從加工工作臺上拔出。

如圖1、4和5所述，本實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，調節薄板7位置，使薄板7上表面平行于鉗口平面，同時保證薄板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，調整完畢后，夾緊固定；

(2)調節攪拌針位置，使的攪拌針中心投影點位于薄板7中心線的正上方；

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

圖4和圖5是通過上述方法對薄板7進行增材成型，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視圖，從側視圖能夠清晰看出通過本實施例的增材制造方法，多個薄板增材緊密，沒有焊縫變形的情況，實現近凈成形制造。

本發明中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。