[發明專利]一種隨動錘擊式攪拌摩擦增材制造裝置及方法

有效

• 申請號: 202211375795.5
• 申請日: 2022-11-04
• 公開（公告）號: CN115647563B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 黃永憲;張澤宇;孟祥晨;謝聿銘;冒冬鑫;楊惠越
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 北京盛廣信合知識產權代理有限公司 16117
• 代理人: 劉化帥

本發明公開一種隨動錘擊式攪拌摩擦增材制造裝置及方法，包括安裝座，包括安裝組件，安裝組件包括分體式靜軸肩、增材攪拌頭和超聲振動系統，分體式靜軸肩固定連接在安裝座上，增材攪拌頭位于分體式靜軸肩內，增材攪拌頭固定連接在攪拌摩擦焊機刀柄上，分體式靜軸肩上開設有送料通孔，送料通孔和增材攪拌頭對應設置，超聲振動系統固定連接在安裝座上，超聲振動系統上設置有超聲振動器，分體式靜軸肩上設置有接觸平面，超聲振動器與接觸平面抵接。本發明在超聲帶動下高頻振動協同錘擊增材層，實現增材層表面的實時應力調控，有效釋放增材件殘余應力，改善增材件成形。

技術領域

本發明涉及增材制造領域，特別是涉及一種隨動錘擊式攪拌摩擦增材制造裝置及方法。

背景技術

攪拌摩擦增材制造是一種基于攪拌摩擦焊接原理衍生的固相增材制造技術，該技術通過攪拌頭與填充材料之間的摩擦和塑性變形熱將材料熱塑性化，熱塑性材料在攪拌頭的行進與頂鍛作用下不斷沉積，形成增材件。攪拌摩擦增材制造過程不涉及材料的熔化和凝固，可以有效避免傳統熔融增材件的氣孔、裂紋、冶金等缺陷。另外攪拌摩擦增材制造的大塑性變形和動態再結晶特性也有助于形成致密均勻的超細晶組織，特別適用于輕質金屬及其復合材料的制造。需要注意的是，雖然攪拌摩擦增材制造過程中的峰值溫度低于材料熔點，但不同層數不同位置材料經歷的熱循環與應力場均不同，這會導致增材制造件產生較大的殘余應力及變形，引發層間微裂紋萌生擴展，嚴重影響構件的長期服役。

外場輔助如超聲振動可以顯著降低金屬的變形抗力，減小沉積過程的應力集中，改善增材成形。但超聲振幅有限，在傳播過程中不可避免地存在衰減。隨著增材制造過程的進行，沉積層不斷積累，底部的超聲很難傳遞到上層材料，因此直接施加超聲并不適用于增材制造過程。隨焊錘擊是一種焊后控制焊接變形的方法，通過錘擊焊縫產生較大的塑性延展變形來抵消焊縫降溫過程的收縮，進而降低殘余應力控制焊接變形。不同于焊接過程，隨焊錘擊系統在增材制造過程中往往受限于構件結構，無法滿足增材件要求多、變批量、快響應的需求，不適用于大型復雜結構件的攪拌摩擦增材制造。

針對以上問題，如能進一步設計一種在攪拌摩擦增材制造過程中隨動錘擊增材層，緩解和消除構件內部殘余應力的增材制造裝置，對防止增材件變形和開裂，改善攪拌摩擦增材制造大型復雜結構件的成形成性具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種隨動錘擊式攪拌摩擦增材制造裝置及方法，以解決上述現有技術存在的問題，使其在碾壓材料成形的同時對增材層隨動錘擊的功能，實現調控構件殘余應力、降低變形量、提高增材件質量和增材效率的技術目標。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種隨動錘擊式攪拌摩擦增材制造裝置，包括安裝座，包括：

安裝組件，所述安裝組件包括分體式靜軸肩、增材攪拌頭和超聲振動系統，所述分體式靜軸肩固定連接在所述安裝座上，所述增材攪拌頭位于所述分體式靜軸肩內，所述增材攪拌頭固定連接在攪拌摩擦焊機刀柄上，所述分體式靜軸肩上開設有送料通孔，所述送料通孔和所述增材攪拌頭對應設置，所述超聲振動系統固定連接在所述安裝座上，所述超聲振動系統上設置有超聲振動器，所述分體式靜軸肩上設置有接觸平面，所述超聲振動器與所述接觸平面抵接。

優選的，所述超聲振動器包括圓柱狀工具頭、變幅桿和壓電換能器，所述壓電換能器固定連接在所述安裝座上，所述變幅桿固定連接在所述壓電換能器上，所述圓柱狀工具頭固定連接在所述變幅桿遠離所述壓電換能器一端，所述圓柱狀工具頭與所述接觸平面抵接。

優選的，所述分體式軸肩包括上靜軸肩、金屬橡膠墊圈、下靜軸肩和異型鎖緊螺母，所述上靜軸肩固定連接在所述安裝座上，所述下靜軸肩套接在所述上靜軸肩內，所述上靜軸肩與所述下靜軸肩之間設置有金屬橡膠墊圈，所述上靜軸肩外開設有螺紋，所述異型鎖緊螺母與所述上靜軸肩通過螺紋固定連接，所述上靜軸肩和所述下靜軸肩通過所述異型螺母固定連接，所述送料通孔開設在所述下靜軸肩上，所述增材攪拌頭位于所述上靜軸肩和所述下靜軸肩內。