大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺的制作方法

本发明属于大型环件成形制造工艺领域，具体涉及大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺。

背景技术：

目前，薄壁筒形件的常用制造技术是环轧和旋压技术。大中型环件的环轧需要借助多规格环轧机，通过多道次成形，对于大型环件，特别是直径10米级以上环件轧制过程要求的成形力较大，质量控制困难，容易出现偏心问题，而且难以适用于高度较大的薄壁筒形件。有芯模旋压难以适用于直径2.5米以上筒形件成形制造，对轮旋压适用于大直径筒形件成形制造，但在高度较大时容易失稳，且目前无直径10米级以上成形装备。

中国专利(公开号cn106925884b)提出一种大型薄壁环件的轴向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，采用径-轴向热轧技术制备出环件单体，但作为增材单体的大型薄壁环件无法使用径-轴向热轧直接生产出来，加工过程成本高，效率较低。中国专利(公开号cn107020447b)提出一种大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，采用搅拌摩擦焊进行径轴向层叠式焊接，不断填充焊丝，未考虑匙孔处材料性能问题；且坯料尺寸过大，其组织均匀性控制困难，此外对设备与场地要求也较大，造成较高的材料与能源的浪费。相应的辅助装夹过程复杂，控制难度较大，焊接表面性能质量较差，不能满足大型环件的制备精度和质量。

针对大直径环件成形制造来说，采用搅拌摩擦焊增材制造可以实现大型环件成形，但没有有效的方法制备单体环件制备，未考虑匙孔缺陷的处理问题，匙孔补焊较多，将会影响整体的结构性能。

技术实现要素：

为了克服上述缺点，本发明的目的在于提出一种大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺，合理解决大型薄壁筒形件单体的制备问题，有效的减少匙孔数量，取得好的成环效果。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺，包括以下步骤：

步骤1：确定标准增量环件用的板材尺寸、数量；

1.1卷弯成形标准环件用条料尺寸；

所成形制造的大型薄壁筒形件尺寸为外径d、壁厚t、高度h，大型薄壁筒形件由n层标准增量环件连续路径搅拌摩擦焊接轴向增材制成；

第1层标准增量环件：外径d1≥d，壁厚t1≥t，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，高度h1≥a+2c，焊缝长度统一固定为a，轴向焊缝需要在起始两端留下空隙c；

第2～n层标准增量环件：外径dn≥d，tn≥t，n＝2,3,…,n，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，高度hn≥a+c，从第2层起轴向焊缝起点与圆周焊缝连续，只在轴向上端留下空隙c；

第1层标准增量板材：长度l1＝πd1，厚度δ＝t1，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度b1＝h1，板材宽度即为单层环件高度；

第2～n层标准增量板材：长度ln＝πdn，厚度δ＝tn，n＝2,3,…n，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度bn＝hn，板材宽度即为单层环件高度；

按照板材成形对应关系，板材的端部形状侧面为斜平面，长度的差距为：

即得到卷弯公式，板材两端需要预先倒角：

1.2计算出板材数量；

在轴向增材达到高度要求后，在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工，增材后的环件在轴向起始两侧分别留下需后续加工的加工余量，搅拌头轴肩直径φ影响焊缝宽度及匙孔大小，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2；

所需增材焊接板材数量为n，要求：

步骤2：第1层标准增量环件制备；

2.1第1层板材卷弯成环形；

采用卧式加工，使用两组三辊装置做旋转运动沿板材行走进行板材卷弯，带动板材弯曲弹塑性变形，两组三辊装置同时走完半圈后完成板材卷弯，尾端接触等待焊接；

2.2终点处搅拌摩擦焊接成封闭的标准增量环件；

使用夹持机构双侧夹持，在卷弯终点处两组三辊装置夹紧固定后，圆环内侧设置支撑装置，外侧由下至上进行搅拌摩擦焊后将环件封闭，即得到标准增量环件；

步骤3：第2层板材实现轴向搅拌摩擦增材焊接；

将标准增量环件定位夹紧，在其轴向上增加相应尺寸的板材进行轴向增材；第2层轴向放置，起始位置与第1层相差距离为s，要求预留焊缝不小于标准焊缝长度，不大于整体的一半，a+2c≤s≤l/2；搅拌头从1层所留匙孔进入开始焊接，先沿板材较长部分进行卷弯与搅拌摩擦焊，跟进外侧搅拌头和支撑装置，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的一端；搅拌头再次从1层所留匙孔进入，沿板材较短部分反向进行卷弯与搅拌摩擦焊，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的另一端；搅拌头走完整个圆周后，将环件终点处夹持，最后在对位完成环件闭合，向上进行搅拌摩擦焊以封闭环件，以此实现搅拌摩擦焊焊接路径连续；

步骤4：第3-n层循环大型环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造；

按照步骤3继续进行大型环件轴向增材制造，走相同的连续路径依次完成第3层、第4层以此类推，直至达到最终大型环件尺寸要求，则完成了大型卷弯环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造成形；

步骤5：在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工；

增材完成后，需要去除搅拌摩擦焊为焊缝留有的加工余量，对上下端面进行机加工，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2，得到最终满足大型环件轴向高度且组织均匀性好的大型环件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先针对用于增材制造的环件单体，可以通过卷弯得到圆度较好、组织均匀的标准增量环件，从而可以有效保障大型环件的加工精度及表面质量，排除了环件轧制可能出现的裂纹、分层和偏心等问题；可以根据实际大型环件加工要求设计和调整单体尺寸、数目及加工工步，增强适用性和可靠性；搅拌摩擦连续路径焊接有效的减少了匙孔数目，降低了搅拌摩擦焊造成的材料浪费及性能缺陷，提高了材料利用率。

附图说明

图1是本发明工艺的流程图。

图2是本发明单层卷弯示意图，其中图(a)是第1层标准增量环件示意图，图(b)是第1层标准增量所用板材示意图。

图3是本发明多层轴向卷弯示意图，其中图3(a)是第2～n层标准增量环件示意图，图3(b)是第2～n层标准增量所用板材示意图。

图4是本发明搅拌摩擦焊焊缝长度示意图，其中图4(a)是第1层焊缝长度示意图，图(b)是第2-n层焊缝长度示意图。

图5本发明标准增量环件制备示意图。

图6是本发明实施例一s＝a+2c的多层轴向增材制造搅拌头的连续路径设计的示意图，其中图(a)是定位夹紧图，图(b)是板材较长部分卷弯与搅拌摩擦焊的示意图，图(c)是板材较短部分卷弯与搅拌摩擦焊的示意图。

图7是本发明实施例二s＝l/2的多层轴向增材制造搅拌头的连续路径设计的示意图，其中图(a)是定位夹紧图，图(b)是板材左侧半圆部分卷弯与搅拌摩擦焊的示意图，图(c)是板材右侧半圆部分卷弯与搅拌摩擦焊的示意图。

图8是本发明的连续路径增材成形效果图，其中图(a)是实施例一s＝a+2c效果图，图(b)是实施例二s＝l/2效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

实施例一，如图1所示，一种大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺，包括以下步骤：

步骤1：确定标准增量环件用的板材尺寸、数量；

1.1卷弯成形标准环件用条料尺寸；

所成形制造的大型薄壁筒形件尺寸为外径d、壁厚t、高度h，大型薄壁筒形件由n层标准增量环件连续路径搅拌摩擦焊接轴向增材制成；

第1层标准增量环件：第1层标准增量环件如图2(a)所示，外径d1≥d，壁厚t1≥t，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，考虑厚度方向需预留搅拌摩擦焊下压量，其外径及壁厚均应不小于大型薄壁筒形件对应尺寸；第1层焊缝长度分布要求如图4(a)所示，高度h1≥a+2c，考虑轴向焊接性能需求，焊缝长度统一固定为a，保证焊接过程稳定且性能一致，轴向焊缝需要在起始两端留下空隙c，便于搅拌头插入和撤出，能有效的保证搅拌摩擦焊的加工质量，轴向增材标准增量环件的高度应不小于焊缝长度与两端空隙的和；

第2～n层标准增量环件：第2～n层标准增量环件尺寸如图3(b)所示，外径dn≥d，tn≥t，n＝2,3,…,n，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，考虑厚度方向需预留搅拌摩擦焊下压量，其外径及壁厚均应不小于大型薄壁筒形件对应尺寸；第2～n层焊缝长度分布要求如图4(b)所示，高度hn≥a+c，考虑轴向焊接性能需求，从第2层其轴向焊缝起点与圆周焊缝连续，只在轴向上端留下空隙c，第2～n层标准增量环件应不小于焊缝长度与上端空隙的和；

第1层标准增量板材：第1层标准增量板材如图2(b)所示，长度l1＝πd1，厚度δ＝t1，按照板材成形对应关系，板材长度和标准增量环件外径有关，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度b1＝h1，板材宽度即为单层环件高度；

第2～n层标准增量板材：第2～n层标准增量板材如图3(b)所示，长度ln＝πdn，厚度δ＝tn，n＝2,3,…n，按照板材成形对应关系，板材长度和标准增量环件外径有关，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度bn＝hn，板材宽度即为单层环件高度；

如图3(b)所示，按照板材成形对应关系，板材的端部形状侧面为斜平面，长度的差距xn为：

即得到卷弯公式，板材两端需要预先倒角：

1.2计算出板材数量；

在轴向增材达到高度要求后，在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工，去除预留空隙对筒形件结构性能的影响；增材后的环件在轴向起始两侧分别留下需后续加工的加工余量，如图4所示，箭头表示焊接方向，搅拌摩擦焊焊缝位置分布将会受层数影响，搅拌头轴肩直径φ影响焊缝宽度及匙孔o的大小，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2；

所需增材焊接板材数量为n，要求：

步骤2：第1层标准增量环件制备；

2.1第1层板材卷弯成环形等待焊接；

如图5所示，采用卧式加工，避免大型环件自重对环件圆度和精度产生影响，使用一对立柱1将板材2中间夹持，实现位置固定和板材2竖立；使用两组三辊装置6，左右同步做旋转运动，沿板材2行走，带动板材2进行弯曲弹塑性变形；两组三辊装置6同时走完半圈后到达终点处，完成板材2卷弯，尾端接触等待焊接；

2.2终点处搅拌摩擦焊接成封闭的标准增量环件；

使用三辊装置6双侧夹持，在板材2卷弯终点处两组三辊装置6夹紧固定后，圆环内侧设置支撑装置3，外侧使用搅拌针4由下至上进行搅拌摩擦焊后将环件封闭，形成直线形焊缝5，即得到标准增量环件；

从第2层起轴向增材，起始位置与第1层沿圆周相差距离为s，要求预留焊缝不小于标准焊缝长度，不大于整体的一半，a+2c≤s≤l/2；图6是s＝a+2c的示意图。

步骤3：第2层板材实现轴向搅拌摩擦增材焊接；

如图6(a)所示，将第2层标准增量板材起始位置与第1层相差距离为s＝a+2c定位夹紧，进行轴向增材；如图6(b)所示，搅拌头4从1层所留匙孔进入开始焊接，先沿板材较长部分进行卷弯与搅拌摩擦焊，跟进外侧搅拌头4和支撑装置3，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的一端；如图6(c)所示，搅拌头4再次从1层所留匙孔进入，沿板材较短部分反向进行卷弯与搅拌摩擦焊，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的另一端；搅拌头4走完整个圆周后，两组三辊装置6将环件终点处夹持，搅拌头4最后在对位完成环件闭合，向上进行搅拌摩擦焊以封闭环件，以此可以实现搅拌摩擦焊焊接路径连续，焊接完成后可以减少匙孔数量，达到减少搅拌摩擦焊缺陷的效果；

步骤4：第3-n层循环大型环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造；

按照步骤3继续进行大型环件轴向增材制造，走相同的连续路径依次完成第3层、第4层以此类推，效果图如图8(a)所示，直至达到最终大型环件尺寸要求，则完成了大型卷弯环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造成形。

步骤5：在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工；

增材完成后，需要去除搅拌摩擦焊为焊缝留有的加工余量，对上下端面进行机加工，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2，得到最终满足大型环件轴向高度且组织均匀性好的大型环件。

实施例二，如图1所示，一种大型薄壁高筒环件轴向连续路径搅拌摩擦增材制造工艺，包括以下步骤：

步骤1：确定标准增量环件用的板材尺寸、数量；

1.1卷弯成形标准环件用条料尺寸；

所成形制造的大型薄壁筒形件尺寸为外径d、壁厚t、高度h，大型薄壁筒形件由n层标准增量环件连续路径搅拌摩擦焊接轴向增材制成；

第1层标准增量环件：第1层标准增量环件如图2(a)所示，外径d1≥d，壁厚t1≥t，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，考虑厚度方向需预留搅拌摩擦焊下压量，其外径及壁厚均应不小于大型薄壁筒形件对应尺寸；第1层焊缝长度分布要求如图4(a)所示，高度h1≥a+2c，考虑轴向焊接性能需求，焊缝长度统一固定为a，保证焊接过程稳定且性能一致，轴向焊缝需要在起始两端留下空隙c，便于搅拌头插入和撤出，能有效的保证搅拌摩擦焊的加工质量，轴向增材标准增量环件的高度应不小于焊缝长度与两端空隙的和；

第2～n层标准增量环件：第2～n层标准增量环件尺寸如图3(b)所示，外径dn≥d，tn≥t，n＝2,3,…,n，轴向增材标准增量环件的外径与大型薄壁筒形件相同，考虑厚度方向需预留搅拌摩擦焊下压量，其外径及壁厚均应不小于大型薄壁筒形件对应尺寸；第2～n层焊缝长度分布要求如图4(b)所示，高度hn≥a+c，考虑轴向焊接性能需求，从第2层其轴向焊缝起点与圆周焊缝连续，只在轴向上端留下空隙c，第2～n层标准增量环件应不小于焊缝长度与上端空隙的和；

第1层标准增量板材：第1层标准增量板材如图2(b)所示，长度l1＝πd1，厚度δ＝t1，按照板材成形对应关系，板材长度和标准增量环件外径有关，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度b1＝h1，板材宽度即为单层环件高度；

第2～n层标准增量板材：第2～n层标准增量板材如图3(b)所示，长度ln＝πdn，厚度δ＝tn，n＝2,3,…n，按照板材成形对应关系，板材长度和标准增量环件外径有关，板材厚度即为标准增量环件的厚度；宽度bn＝hn，板材宽度即为单层环件高度；

如图3(b)所示，按照板材成形对应关系，板材的端部形状侧面为斜平面，长度的差距xn为：

即得到卷弯公式，板材两端需要预先倒角：

1.2计算出板材数量；

在轴向增材达到高度要求后，在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工，去除预留空隙对筒形件结构性能的影响；增材后的环件在轴向起始两侧分别留下需后续加工的加工余量，如图4所示，箭头表示焊接方向，搅拌摩擦焊焊缝位置分布将会受层数影响，搅拌头轴肩直径φ影响焊缝宽度及匙孔o的大小，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2；

所需增材焊接板材数量为n，要求：

步骤2：第1层标准增量环件制备；

2.1第1层板材卷弯成环形等待焊接；

如图5所示，采用卧式加工，避免大型环件自重对环件圆度和精度产生影响，使用一对立柱1将板材2中间夹持，实现位置固定和板材2竖立；使用两组三辊装置6，左右同步做旋转运动，沿板材2行走，带动板材2进行弯曲弹塑性变形；两组三辊装置6同时走完半圈后到达终点处，完成板材2卷弯，尾端接触等待焊接；

2.2终点处搅拌摩擦焊接成封闭的标准增量环件；

使用三辊装置6双侧夹持，在板材2卷弯终点处两组三辊装置6夹紧固定后，圆环内侧设置支撑装置3，外侧使用搅拌针4由下至上进行搅拌摩擦焊后将环件封闭，形成直线形焊缝5，即得到标准增量环件；

从第2层起轴向增材，起始位置与第1层沿圆周相差距离为s，要求预留焊缝不小于标准焊缝长度，不大于整体的一半，a+2c≤s≤l/2；图7是s＝l/2的示意图；

步骤3：第2层板材实现轴向搅拌摩擦增材焊接；

如图7(a)所示，将第2层标准增量板材起始位置与第1层相差距离为s＝l/2定位夹紧，进行轴向增材；如图7(b)所示，搅拌头4从1层所留匙孔进入开始焊接，先沿左侧半圆部分进行卷弯与搅拌摩擦焊，跟进外侧搅拌头4和支撑装置3，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的一端；如图7(c)所示，搅拌头4再次从1层所留匙孔进入，沿板材右侧半圆部分反向进行卷弯与搅拌摩擦焊，沿圆周在圆环外侧将板材焊接至板的另一端；搅拌头4走完整个圆周后，两组三辊装置6将环件终点处夹持，搅拌头4最后在对位完成环件闭合，向上进行搅拌摩擦焊以封闭环件，以此可以实现搅拌摩擦焊焊接路径连续，焊接完成后可以减少匙孔数量，达到减少搅拌摩擦焊缺陷的效果；

步骤4：第3-n层循环大型环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造；

按照步骤3继续进行大型环件轴向增材制造，走相同的连续路径依次完成第3层、第4层以此类推，效果图如图8(b)所示，直至达到最终大型环件尺寸要求，则完成了大型卷弯环件多层轴向搅拌摩擦焊增材制造成形；

步骤5：在第1层下端面和第n层的上端面进行机加工；

增材完成后，需要去除搅拌摩擦焊为焊缝留有的加工余量，对上下端面进行机加工，第1层的下端面加工余量e1≥c，第n层的上端面加工余量e2≥c+φ/2，得到最终满足大型环件轴向高度且组织均匀性好的大型环件。

本发明将长条板料卷弯成标准增量环件，利用搅拌摩擦焊实现轴向搅拌摩擦连续路径焊接工艺，通过焊接路径连续，可以有效的减少匙孔数量，取得较好的成环效果。