本發(fā)明屬于大型金屬環(huán)件成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝。

背景技術(shù)：

隨著我國石油化工、電力、船舶、航空航天和裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)件需求量不斷增加，品種越來越多，尺寸越來越大，所用材料種類也日益呈現(xiàn)多樣化。對于中小型環(huán)件而言，現(xiàn)在比較普遍的成形技術(shù)是利用軋環(huán)機進行環(huán)件軋制。然而，對于大型環(huán)件而言，由于成形過程需要巨大的成形力來完成，大型軋制鍛壓設(shè)備制造困難、制造成本高，受軋機成形能力和產(chǎn)品成形質(zhì)量的限制，很難用軋制技術(shù)實現(xiàn)其成形。隨著鑄錠增大凝固速度慢、材料偏析嚴重、晶粒粗大和裂紋鑄造缺陷在后期軋制鍛壓過程中不能全部消除，導(dǎo)致部分延伸率及強度不能滿足設(shè)計要求。在實際生產(chǎn)中，極易出現(xiàn)夾皮、型腔充不滿、粗晶等現(xiàn)象。而且大型環(huán)件成功軋制往往是以較多材料損耗，較高能源消耗為代價的。另外，現(xiàn)有的攪拌摩擦焊接容易在焊縫處形成飛邊、凹坑和匙孔等缺陷。因此，傳統(tǒng)大型薄壁環(huán)件的加工方法已無法滿足市場提出的高效、節(jié)能節(jié)材、性能優(yōu)越的制造要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝，通過該工藝制備出焊縫處金屬組織完全形成焊核的高性能大型薄壁環(huán)件，能夠顯著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高產(chǎn)品的整體性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝，包括以下步驟：

1)片狀薄壁環(huán)件單體軋制成形：采用徑-軸向熱軋技術(shù)進行片狀薄壁環(huán)件制坯，將準備好的金屬錠通過下料、制坯、環(huán)軋、熱處理和機加工工藝制備出片狀薄壁環(huán)件單體；

2)片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形：首先，將第一片狀薄壁環(huán)件單體1-1和第二片狀薄壁環(huán)件單體1-2以同軸層疊對接的形式裝夾在焊接工作臺上作為待焊工件；然后，通過激光加熱器5對焊接線材4進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度低于焊接線材4達到塑性狀態(tài)時的溫度，用送料器3將預(yù)熱后的焊接線材4送到待焊工件的焊縫2-1處；接著，高速旋轉(zhuǎn)的第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2分別扎入待焊工件的兩側(cè)，第一臥式攪拌頭1扎入待焊工件的圓周內(nèi)側(cè)，第二臥式攪拌頭2扎入待焊工件的圓周外側(cè)；第一臥式攪拌頭1以逆時針方向自轉(zhuǎn)，第二臥式攪拌頭2以逆時針方向自轉(zhuǎn)，同時第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2沿焊縫2-1繞環(huán)件圓周逆時針運動，送料器3以與攪拌頭自轉(zhuǎn)時相同的切向線速度往焊縫2-1處持續(xù)輸送焊接線材4，焊接線材4同時被第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2不停地攪入焊縫2-1，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的自轉(zhuǎn)速率相同，自轉(zhuǎn)速率大小需要使待焊工件焊縫2-1周圍金屬和焊接線材4被加熱到塑性狀態(tài)，且控制溫度低于金屬的熔點，塑化的金屬在第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的攪拌及擠壓作用下，不斷填充攪拌針移動后所形成的空腔，并逐漸冷卻凝固形成焊縫2-1；另外，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2攪拌焊接的同時，超聲激振器6打開，對焊縫2-1處塑化的金屬進行微鍛處理，使焊縫2-1處金屬組織形態(tài)近似完全形成焊核；第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2沿焊縫2-1向前運動攪拌焊接一周后，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的攪拌速率不變，同時第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2從待焊工件的焊縫2-1中緩慢抽出，送料器3繼續(xù)向匙孔中輸送焊接線材4，此時，送料器3繼續(xù)輸送焊接線材4的速率及時間需要和第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的抽出速率及時間相匹配，直到繼續(xù)輸送的焊接線材4發(fā)生塑化后填滿匙孔為止，完成了第一層片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形過程；

3)薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形：按照步驟2)的片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝，軸向逐層疊加焊接片狀薄壁環(huán)件單體，完成第二層、第三層、······、第n層片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形，直到最終加工形成的工件滿足產(chǎn)品要求，則完成了大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形。

所述的第一臥式攪拌頭1包括第一軸肩a1和第一攪拌針b1，第一軸肩a1是凸面型的；第二臥式攪拌頭2包括第二軸肩a2和第二攪拌針b2，第二軸肩a2是凹面型的。

所述的焊接線材4與待焊工件的材料屬性相同。

所述的激光加熱器5用于焊接線材4的預(yù)熱，保證焊接線材4在焊接過程中與待焊工件焊縫2-1處的金屬同時達到塑化狀態(tài)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.與傳統(tǒng)通過環(huán)軋工藝制備大型薄壁環(huán)件相比，本發(fā)明利用軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝制備的大型薄壁環(huán)件，由于待焊工件焊縫2-1周圍金屬和焊接線材4在攪拌頭的攪拌、擠壓作用下，不斷發(fā)生塑性變形填充到攪拌針移動后所形成的空腔中，并逐漸冷卻凝固形成焊縫2-1，形成的焊縫2-1不會出現(xiàn)飛邊和凹坑，焊縫2-1外觀均勻光滑，無缺陷，焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊。而且攪拌摩擦焊接增材成形過程操作簡單，焊前只需用有機溶劑清除接合面油脂，無需開坡口去除氧化膜，焊后無需去除余高，提高了材料利用率和生產(chǎn)效率，降低了能源消耗。

2.攪拌摩擦焊接增材成形過程中，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2沿焊縫2-1向前運動攪拌焊接一周后，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2從待焊工件的焊縫2-1中緩慢抽出的過程中，送料器3繼續(xù)向匙孔中輸送焊接線材4，直到繼續(xù)輸送的焊接線材4發(fā)生塑化后填滿匙孔為止，因此，所形成的焊縫2-1尾端不會形成匙孔缺陷。

3.采用超聲波激振器6分別從待焊工件焊接合面上下兩側(cè)對焊接過程中塑化的金屬進行微鍛處理，鍛碎材料內(nèi)部的夾雜和金屬型材軋制/擠壓時的纖維組織，使組織更加細小且分布均勻，盡可能減小以致避免焊縫處熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的形成，從而使所形成焊縫2-1的金屬組織形態(tài)達到近似完全形成焊核的程度，避免出現(xiàn)晶粒粗大和裂紋等缺陷，所獲得的焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)于現(xiàn)有的攪拌摩擦焊的焊接接頭。

附圖說明

圖1是本發(fā)明成形工藝的流程圖。

圖2是本發(fā)明成形工藝工作原理示意圖。

圖3是圖2中a處的局部放大圖。

圖4是本發(fā)明臥式攪拌頭1的結(jié)構(gòu)圖，圖(a)是主視圖，圖(b)是左視圖。

圖5是本發(fā)明臥式攪拌頭2的結(jié)構(gòu)圖，圖(a)是主視圖，圖(b)是左視圖。

圖6是本發(fā)明加工成形的薄壁環(huán)件的二分之一剖面圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。

參照圖1、圖2和圖3，大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝，包括以下步驟：

1)片狀薄壁環(huán)件單體軋制成形：采用徑-軸向熱軋技術(shù)進行片狀薄壁環(huán)件制坯，將準備好的金屬錠通過下料、制坯、環(huán)軋、熱處理和機加工工藝制備出片狀薄壁環(huán)件單體；

2)片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形：首先，將第一片狀薄壁環(huán)件單體1-1和第二片狀薄壁環(huán)件單體1-2以同軸層疊對接的形式裝夾在焊接工作臺上作為待焊工件；然后，通過激光加熱器5對焊接線材4進行預(yù)熱，用送料器3將預(yù)熱后的焊接線材4送到待焊工件的焊縫2-1處；接著，高速旋轉(zhuǎn)的第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2分別扎入待焊工件的兩側(cè)，第一臥式攪拌頭1以逆時針方向自轉(zhuǎn)，第二臥式攪拌頭2以逆時針方向自轉(zhuǎn)，同時第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2沿焊縫2-1繞環(huán)件圓周逆時針運動，送料器以與攪拌頭自轉(zhuǎn)時相同的切向線速度往焊縫2-1處持續(xù)輸送焊接線材4，焊接線材4同時被第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2不停地攪入焊縫2-1，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的自轉(zhuǎn)速率相同，由于第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2與待焊工件之間的摩擦生熱，待焊工件接縫周圍的金屬和焊接線材4被加熱，所以，自轉(zhuǎn)速率大小需要確保產(chǎn)生的熱量可將待焊工件焊縫2-1周圍金屬和焊接線材4加熱到塑性狀態(tài)，且需要控制溫度低于金屬的熔點，塑化的金屬在第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的攪拌及擠壓作用下，不斷填充攪拌針移動后所形成的空腔，并逐漸冷卻凝固形成焊縫2-1；另外，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2攪拌焊接的同時，超聲激振器6打開，對焊縫2-1處塑化的金屬進行微鍛處理，減小焊縫處熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的形成，使焊縫處金屬組織形態(tài)近似完全形成焊核，提高焊接接頭的力學(xué)性能；第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2沿焊縫2-1向前運動攪拌焊接一周后，第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的攪拌速率不變，同時第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2從待焊工件的焊縫2-1中緩慢抽出，送料器3繼續(xù)向匙孔中輸送焊接線材4，此時，送料器3繼續(xù)輸送焊接線材4的速率及時間需要和第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的抽出速率及時間相匹配，直到繼續(xù)輸送的焊接線材4發(fā)生塑化后填滿匙孔為止，防止焊縫2-1處殘留退刀孔洞，保證退刀處焊接接頭組織連續(xù)和材料性能穩(wěn)定；到此，完成了第一層片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形過程；

3)薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形：按照步驟2)的片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝，軸向逐層疊加焊接片狀薄壁環(huán)件單體，完成第二層、第三層、······、第n層片狀薄壁環(huán)件單體軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形，直到最終加工形成的工件滿足產(chǎn)品要求，則完成了大型薄壁環(huán)件軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形。

超聲波激振器6分別從待焊工件焊接合面上下兩側(cè)對焊接過程中塑化的金屬進行微鍛處理，鍛碎材料內(nèi)部的夾雜和金屬型材軋制/擠壓時的纖維組織，使組織更加細小且分布均勻，盡可能減小以致避免焊縫處熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的形成，從而使所形成焊縫2-1的金屬組織形態(tài)達到近似完全形成焊核的程度，避免出現(xiàn)晶粒粗大和裂紋等缺陷，提高焊接接頭的力學(xué)性能。

參照圖4和圖5，所述的第一臥式攪拌頭1包括第一軸肩a1和第一攪拌針b1，第一軸肩a1是凸面型的；第二臥式攪拌頭2包括第二軸肩a2和第二攪拌針b2，第二軸肩a2是凹面型的。第一臥式攪拌頭1和第二臥式攪拌頭2的軸肩的特定類型，可以實現(xiàn)攪拌摩擦焊接增材過程中軸肩始終與待焊工件的接合面相切，從而保證焊縫線材4在攪拌摩擦焊接作用下不斷填充到焊縫2-1中，防止焊接過程中焊縫2-1處出現(xiàn)凹坑，提高焊縫2-1的焊接質(zhì)量，從而實現(xiàn)攪拌摩擦焊接增材成形。

參照圖6，采用軸向?qū)盈B式攪拌摩擦焊接增材成形工藝加工的大型薄壁環(huán)件的二分之一剖面圖，以軸向?qū)盈B五層為例，其中大型薄壁環(huán)件的內(nèi)徑為r1，外徑為r2，五層片狀薄壁環(huán)件單體分別為第一片狀薄壁環(huán)件單體1-1、第二片狀薄壁環(huán)件單體1-2、第三片狀薄壁環(huán)件單體1-3、第四片狀薄壁環(huán)件單體1-4和第五片狀薄壁環(huán)件單體1-5，攪拌摩擦焊接增材成形獲得四條焊縫，分別為焊縫2-1、焊縫2-2、焊縫2-3和焊縫2-4。