CN118417677A - 水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法，其中水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置主要由主轴、工作台和超声水冷机构构成，超声水冷机构包括水冷轴肩、静止凹台、水冷设备、导管、轴肩轨道、超声振动装置、法兰、超声基座和升降部件。本装置进行搅拌摩擦修复时，基于水冷轴肩、静止凹台和水冷设备等构成的水冷辅助结构降低热循环对已沉积合金的重复性热处理影响，同时借助超声振动装置产生的超声致塑性效应达到促进金属沉积的目的，强化了修复区的组织和性能。本发明解决了铝合金构件修复时保证塑性成形与避免沉淀相粗化之间难以协调的技术难题，高效率、高质量地强化了修复区的组织和性能。

Description

水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材(Additive friction stir deposition，AFSD)是一种高效的固相沉积工艺，其特征是沉积层金属不发生熔化，避免了气孔和热裂纹等缺陷的形成，而且剧烈的塑性变形诱发组织再结晶，可以得到高度细化的等轴晶粒，因此所沉积结构件或修复区组织致密性类似锻造材料。然而，研究发现对于可热处理强化的铝合金来说，AFSD工艺本身对已沉积态金属的重复性热处理会引起沉淀相的粗化，这些粗化的沉淀相难以有效阻碍位错运动从而导致修复区组织软化、拉伸性能降低。此外，粗化沉淀相与基体界面的不协调变形导致构件疲劳寿命较低。因此，就可沉淀强化的合金而言，AFSD工艺可以用于修复构件提高结构的完整性，但难以获得性能优异的修复区。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法。此水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法基于水冷辅助装置降低热循环对已沉积合金的重复性热处理影响，同时借助超声的致塑性效应达到促进金属沉积的目的，可强化修复区的组织和性能。

本发明通过以下技术方案实现：本水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，包括主轴、工作台和超声水冷机构，所述主轴设置于工作台的上方；所述超声水冷机构包括水冷轴肩、静止凹台、水冷设备、导管、轴肩轨道、超声振动装置、法兰、超声基座和升降部件，所述升降部件安装于工作台的外侧，所述静止凹台通过轴肩轨道安装于升降部件，且所述静止凹台位于工作台的上方，所述水冷轴肩安装于静止凹台的下端，所述静止凹台的侧面设有被超声振动装置的工具头穿过的光孔，所述静止凹台的中部和水冷轴肩均设有被固定于主轴的增材修复棒材穿过的中心孔，所述超声振动装置工具头穿过的光孔与中心孔相通，所述水冷轴肩设有导水通道，所述导水通道通过水冷导管和水冷设备连接；所述超声振动装置固定于法兰，所述法兰通过滑杆安装于超声基座，所述超声基座安装于升降部件，所述超声振动装置的工具头与光孔同轴设置；所述超声基座设有气缸，所述气缸的伸缩杆与法兰连接。

优选的，所述导水通道具有2条，此2条导水通道相对于水冷轴肩的轴线对称设置。

优选的，所述导水通道呈圆环状，所述导水通道的轴线与水冷轴肩的轴线位于同一直线上。

优选的，所述水冷轴肩的底面设置为倾斜面。

优选的，所述升降部件包括两组升降组件，此两组升降组件设置于工作台的两侧，所述升降组件包括升降基座、升降板、升降轨道、电缸和电机，所述升降轨道的下端安装于升降基座，所述升降板的两端分别安装于相应的升降轨道，所述电缸和电机均安装于升降基座，所述电机与电缸连接，所述电缸的伸缩杆与升降板连接；所述轴肩轨道的两端分别固定于相应的升降板，所述超声基座固定于升降板，且超声基座位于2条轴肩轨道之间。

优选的，所述静止凹台包括固定部和固定于固定部两端的滑动部，所述滑动部通过滑块与相应的轴肩轨道连接，所述中心孔设置于固定部的中间，所述光孔设置于固定部的侧面。

优选的，所述法兰具有2个，此2个法兰固定于超声振动装置的两端，2个法兰的两端分别与相应的滑杆连接，位于超声振动装置后端的法兰与气缸的伸缩杆连接。

优选的，所述超声基座包括安装架、安装板和侧板，所述安装架固定于升降部件，所述安装板固定于安装架的上端，所述滑杆安装于安装板上，所述侧板固定于安装板的后端，且所述侧板设有被超声振动装置的尾端穿过去的容纳孔。

水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复方法，其特征在于：采用上述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，包括以下步骤：

S1、将待修复工件固定在工作台上，将待修复工件的初始修复区域置于主轴正下方，调整升降台高度，使水冷静轴肩的底部与初始修复区的表面存在一定间隙，将增材修复棒材固定于主轴，调整静止凹台位置，令增材修复棒材穿过静止凹台和水冷轴肩的中心孔，使增材修复棒材的端部与初始修复区接触，调整超声振动装置位置，使超声振动装置的工具头头部穿过光孔后与修复用棒材侧面接触；

S2、设置主轴的转速、超声振动装置的振动频率、超声振动装置的电源功率、工作台的移速、气缸压力和水冷设备参数；

S3、气缸驱动超声振动装置对增材修复棒材的侧面施加恒定压力，启动水冷设备，使冷却水匀速流过水冷轴肩的导水孔，启动超声振动装置，引起棒材持续振动，启动主轴和工作台，工作台开始沿修复方向移动，同时增材修复棒材在主轴控制下以适当速率下降，增材修复棒材的端部在搅拌摩擦软化和水冷轴肩挤压下沉积在基材表面，实现沿工作台移动方向上的搅拌摩擦增材修复；

S4、当本层增材修复结束时，主轴抬升，电缸控制升降台抬升，待修复工件在工作台带动下反向运动，实现下一层增材修复，如此重复步骤S3和S4，实现多层沉积堆叠增材修复。

优选的，在步骤S3中，主轴的转速为200-3000rpm，主轴带动增材修复棒材下压的速度为0.1-10mm/min，工作台带动待修复工件的移动速度为5-500mm/min，超声振动装置的振动频率为20kHZ，超声振动装置的电源功率为1000W、气缸提供压力为50-500N。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明通过设计超声水冷静轴肩机构，实现超声水冷辅助搅拌摩擦增材修复过程，解决了铝合金构件修复时保证塑性成形与避免沉淀相粗化之间难以协调的技术难题，高效率、高质量地强化了修复区的组织和性能。

2、与现有的AFSD技术相比，本发明实现一种基于传统搅拌摩擦机构的增材修复技术，在传统搅拌摩擦焊接机构的基础上增设超声水冷静轴肩机构、超声增强机构和数控机床机构，即可完成本发明的超声复合搅拌摩擦增材修复，大大节约了AFSD焊机研发制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例1的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置的结构示意图。

图2是本发明实施例1的超声水冷机构的结构示意图，图示为所述搅拌摩擦机构、超声水冷静轴肩机构的超声水冷部件。

图3是本发明实施例1的水冷轴肩、静止凹台、套筒及主轴的示意图。

图4是本发明实施例1的水冷轴肩和静止凹台装配后的剖视图。

图5是本发明实施例1的水冷轴肩的第一视角剖视示意图。

图6是本发明实施例1的水冷轴肩俯视方向的剖视图。

图7是本发明实施例1的水冷轴肩的第二视角剖视示意图。

图8是本发明实施例2的水冷轴肩的俯视方向的剖视图。

图9是本发明实施例3的水冷轴肩的第二视角剖视示意图。

图10是本发明实施例1的套筒的剖视示意图。

其中，1为主轴，2为工作台，3为超声水冷机构，4为水冷轴肩，5为静止凹台，6为水冷设备，7为导管，8为轴肩轨道，9为超声振动装置，10为法兰，11为超声基座，12为升降部件，13为光孔，14为中心孔，15为导水通道，16为滑杆，17为气缸，18为套筒，19为刀柄，20为圆筒部，21为外缘部，22为螺纹，23为螺纹孔，24为升降组件，25为升降基座，26为升降板，27为升降轨道，28为电缸，29为电机，30为固定部，31为滑动部，32为安装架，33为安装板，34为侧板，35为容纳孔，36为倾斜面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1至图4所示的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，包括主轴、工作台和超声水冷机构，所述主轴设置于工作台的上方；所述超声水冷机构包括水冷轴肩、静止凹台、水冷设备、导管、轴肩轨道、超声振动装置、法兰、超声基座和升降部件，所述升降部件安装于工作台的外侧，所述静止凹台通过轴肩轨道安装于升降部件，且所述静止凹台位于工作台的上方，所述水冷轴肩安装于静止凹台的下端，所述静止凹台的侧面设有被超声振动装置的工具头穿过的光孔，所述静止凹台的中部和水冷轴肩均设有被固定于主轴的增材修复棒材穿过的中心孔，所述超声振动装置工具头穿过的光孔与中心孔相通，所述水冷轴肩设有导水通道，所述导水通道通过水冷导管和水冷设备连接；所述超声振动装置固定于法兰，所述法兰通过滑杆安装于超声基座，所述超声基座安装于升降部件，所述超声振动装置的工具头与光孔同轴设置；所述超声基座设有气缸，所述气缸的伸缩杆与法兰连接。

具体的，工作台可带动待修复工件修复方向移动，即沿水平方向的X轴方向和Y轴方向移动；超声振动装置通过法兰安装于超声基座上的滑杆，则气缸可驱动超声振动装置沿Y轴方向移动，令超声振动装置的工具头穿过光孔后与固定在主轴的增材修复棒材相抵，从而将超声输送到增材修复棒材，借助超声致塑性效应达到促进金属沉积的目的；与此同时，增材修复棒材在搅拌摩擦对修复区进行修复时，水冷轴肩、静止凹台和水冷设备构成的冷却结构对修复区进行冷却，以降低热循环对已沉积合金的重复性热处理影响，这采用超声与水冷结合辅助搅拌摩擦增材修复过程，解决了铝合金构件修复时保证塑性成形与避免沉淀相粗化之间难以协调的技术难题，高效率、高质量地强化了修复区的组织和性能。

其中，为保证增材修复棒格稳定性，增材修复棒材通过套筒固定于主轴的刀柄，如图10所示，此套筒包括顶端封闭的圆筒部和固定于圆筒部下端的外缘部，所增材修复棒材插入圆筒部的内腔后再通过螺钉固定。而水冷轴肩通过螺纹连接方式与静止凹台连接。具体的，水冷轴肩的上端设有螺纹，静止凹台的下端设有与水冷轴肩的上端匹配的螺纹孔。同时，如图4至图7所示，所水冷轴肩的底面设置水平。

如图5和图6所示，所述导水通道具有2条，此2条导水通道相对于水冷轴肩的轴线对称设置。具体的2条导水通道位于水冷轴肩的中心孔的两侧，此设置既保证了水冷轴肩具有充足的冷量，还保证了冷量分布的均匀性，从而确保水冷轴肩的冷却效果。导水通道的数量不仅限于2条，还可以为其他的偶数条，以保证水冷轴肩的冷却效果。

所述升降部件包括两组升降组件，此两组升降组件设置于工作台的两侧，所述升降组件包括升降基座、升降板、升降轨道、电缸和电机，所述升降轨道的下端安装于升降基座，所述升降板的两端分别安装于相应的升降轨道，所述电缸和电机均安装于升降基座，所述电机与电缸连接，所述电缸的伸缩杆与升降板连接；所述轴肩轨道的两端分别固定于相应的升降板，所述超声基座固定于升降板，且超声基座位于2条轴肩轨道之间。此升降部件的结构简单，且保证了水冷轴肩、静止凹台和水冷设备等构成的水冷结构及超声振动装置升降时的稳定性，保证工作有效进行。

所述静止凹台包括固定部和固定于固定部两端的滑动部，所述滑动部通过滑块与相应的轴肩轨道连接，所述中心孔设置于固定部的中间，所述光孔设置于固定部的侧面。具体的，此静止凹台的结构简单，保证了水冷轴肩移动的稳定性，确保水冷轴肩的工作效果。

所述法兰具有2个，此2个法兰固定于超声振动装置的两端，2个法兰的两端分别与相应的滑杆连接，位于超声振动装置后端的法兰与气缸的伸缩杆连接。2个法兰的设置保证了超声振动装置的稳定性，以保证超声振动装置的工作性能。

所述超声基座包括安装架、安装板和侧板，所述安装架固定于升降部件，所述安装板固定于安装架的上端，所述滑杆安装于安装板上，所述侧板固定于安装板的后端，且所述侧板设有被超声振动装置的尾端穿过去的容纳孔。此结构简单紧凑，保证超声振动装置的稳定性。待超声振动装置不工作时，超声振动装置的工具头移出光孔，超声振动装置的尾端可插入容纳孔，这结构紧凑，且保证超声振动装置具有充足的移动距离。

水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复方法，采用上述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，包括以下步骤：

S1、将待修复工件固定在工作台上，将待修复工件的初始修复区域置于主轴正下方，调整升降台高度，使水冷静轴肩的底部与初始修复区的表面存在一定间隙，将增材修复棒材固定于主轴，调整静止凹台位置，令增材修复棒材穿过静止凹台和水冷轴肩的中心孔，使增材修复棒材的端部与初始修复区接触，调整超声振动装置位置，使超声振动装置的工具头头部穿过光孔后与修复用棒材侧面接触；

S2、设置主轴的转速、超声振动装置的振动频率、超声振动装置的电源功率、工作台的移速、气缸压力和水冷设备参数；

S3、气缸驱动超声振动装置对增材修复棒材的侧面施加恒定压力，启动水冷设备，使冷却水匀速流过水冷轴肩的导水孔，启动超声振动装置，引起棒材持续振动，启动主轴和工作台，工作台开始沿修复方向移动，同时增材修复棒材在主轴控制下以适当速率下降，增材修复棒材的端部在搅拌摩擦软化和水冷轴肩挤压下沉积在基材表面，实现沿工作台移动方向上的搅拌摩擦增材修复；

S4、当本层增材修复结束时，主轴抬升，电缸控制升降台抬升，待修复工件在工作台带动下反向运动，实现下一层增材修复，如此重复步骤S3和S4，实现多层沉积堆叠增材修复。

在步骤S3中，主轴的转速为200-3000rpm，主轴带动增材修复棒材下压的速度为0.1-10mm/min，工作台带动待修复工件的移动速度为5-500mm/min，超声振动装置的振动频率为20kHZ，超声振动装置的电源功率为1000W、气缸提供压力为50-500N。

实施例2：

本实施例的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置除以下技术特征外同实施例1：如图8所示，所述导水通道呈圆环状，所述导水通道的轴线与水冷轴户的轴线位于同一直线上。此设置使冷却水在冷却轴肩的内部环绕一周，以保证冷却水可对冷却轴肩充分冷却，保证冷却轴肩的对修复区的冷却效果。

实施例3：

本实施例的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置除以下技术特征外同实施例1：

如图9所示，所述水冷轴肩的底面设置为倾斜面。倾斜设置有助于塑性金属的沉积，其倾斜的底面对塑性区金属起到逐步的锻造作用，可获得更致密的沉积态组织。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：包括主轴、工作台和超声水冷机构，所述主轴设置于工作台的上方；所述超声水冷机构包括水冷轴肩、静止凹台、水冷设备、导管、轴肩轨道、超声振动装置、法兰、超声基座和升降部件，所述升降部件安装于工作台的外侧，所述静止凹台通过轴肩轨道安装于升降部件，且所述静止凹台位于工作台的上方，所述水冷轴肩安装于静止凹台的下端，所述静止凹台的侧面设有被超声振动装置的工具头穿过的光孔，所述静止凹台的中部和水冷轴肩均设有被固定于主轴的增材修复棒材穿过的中心孔，所述光孔与中心孔相通，所述水冷轴肩设有导水通道，所述导水通道通过水冷导管和水冷设备连接；所述超声振动装置固定于法兰，所述法兰通过滑杆安装于超声基座，所述超声基座安装于升降部件，所述超声振动装置的工具头与光孔同轴设置；所述超声基座设有气缸，所述气缸的伸缩杆与法兰连接。

2.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述导水通道具有2条，此2条导水通道相对于水冷轴肩的轴线对称设置。

3.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述导水通道呈圆环状，所述导水通道的轴线与水冷轴户的轴线位于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述水冷轴肩的底面设置为倾斜面。

5.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述升降部件包括两组升降组件，此两组升降组件设置于工作台的两侧，所述升降组件包括升降基座、升降板、升降轨道、电缸和电机，所述升降轨道的下端安装于升降基座，所述升降板的两端分别安装于相应的升降轨道，所述电缸和电机均安装于升降基座，所述电机与电缸连接，所述电缸的伸缩杆与升降板连接；所述轴肩轨道的两端分别固定于相应的升降板，所述超声基座固定于升降板，且超声基座位于2条轴肩轨道之间。

6.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述静止凹台包括固定部和固定于固定部两端的滑动部，所述滑动部通过滑块与相应的轴肩轨道连接，所述中心孔设置于固定部的中间，所述光孔设置于固定部的侧面。

7.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述法兰具有2个，此2个法兰固定于超声振动装置的两端，2个法兰的两端分别与相应的滑杆连接，位于超声振动装置后端的法兰与气缸的伸缩杆连接。

8.根据权利要求1所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，其特征在于：所述超声基座包括安装架、安装板和侧板，所述安装架固定于升降部件，所述安装板固定于安装架的上端，所述滑杆安装于安装板上，所述侧板固定于安装板的后端，且所述侧板设有被超声振动装置的尾端穿过去的容纳孔。

9.水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复方法，其特征在于：采用权利要求1～8任意一项所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置，包括以下步骤：

S1、将待修复工件固定在工作台上，将待修复工件的初始修复区域置于主轴正下方，调整升降台高度，使水冷静轴肩的底部与初始修复区的表面存在一定间隙，将增材修复棒材固定于主轴，调整静止凹台位置，令增材修复棒材穿过静止凹台和水冷轴肩的中心孔，使增材修复棒材的端部与初始修复区接触，调整超声振动装置位置，使超声振动装置的工具头头部穿过光孔后与修复用棒材侧面接触；

S2、设置主轴的转速、超声振动装置的振动频率、超声振动装置的电源功率、工作台的移速、气缸压力和水冷设备参数；

S3、气缸驱动超声振动装置对增材修复棒材的侧面施加恒定压力，启动水冷设备，使冷却水匀速流过水冷轴肩的导水孔，启动超声振动装置，引起棒材持续振动，启动主轴和工作台，工作台开始沿修复方向移动，同时增材修复棒材在主轴控制下以适当速率下降，增材修复棒材的端部在搅拌摩擦软化和水冷轴肩挤压下沉积在基材表面，实现沿工作台移动方向上的搅拌摩擦增材修复；

S4、当本层增材修复结束时，主轴抬升，电缸控制升降台抬升，待修复工件在工作台带动下反向运动，实现下一层增材修复，如此重复步骤S3和S4，实现多层沉积堆叠增材修复。

10.根据权利要求9所述的水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复方法，其特征在于：在步骤S3中，主轴的转速为200-3000rpm，主轴带动增材修复棒材下压的速度为0.1-10mm/min，工作台带动待修复工件的移动速度为5-500mm/min，超声振动装置的振动频率为20kHZ，超声振动装置的电源功率为1000W、气缸提供压力为50-500N。