水冷辅助超声增强搅拌摩擦增材修复装置及方法

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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、优选的，所述水冷轴肩的底面设置为倾斜面。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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：

11、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；

12、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；

13、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；

14、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。

15、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。

16、本发明相对于现有技术具有如下的优点：

17、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。

18、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。

技术特征：

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：

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。

技术总结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。技术研发人员：胡琰莹,牛屹天,唐俊翔,王彪受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16