一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成形装置及方法与流程

1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种激光同轴辅助搅拌增材成形装置及方法。

背景技术：

2.金属固相增材成形是一种将金属材料加热至塑性变形状态，通过搅拌摩擦产热实现材料塑化,进而通过施加顶锻压力实现增材成形的技术；其中，利用搅拌增材成形加热装置将填充材料加热塑化、搅拌工具头与基层之间摩擦产热实现材料在基层表面沉积，通过程序设计增材沉积轨迹，可实现样件逐层堆积成形，实现复杂零部件的高效、快速成形制造；同时，施加顶锻力的循环锻造作用伴随搅拌固相增材沉积成形，可以改善由于熔融材料增材成形导致的增材区域过热、晶粒长大和强化相溶解等问题，获得组织致密度较高，性能较好的成形样件，该项技术广泛应用于金属材料的连接成形、缺陷修复等方向，在航空航天、兵器装备的成形制造领域发挥了重要作用。
3.现有技术中，文献cn215432012u公开了一种激光辅助搅拌摩擦增材焊具，包括，刀柄，刀柄侧壁上间隔开设有激光通道，两相邻激光通道之间的刀柄侧壁为框体结构；壳体，其具有适于穿设刀柄的腔体；刀柄以与壳体间隙配合的方式设于壳体内；壳体内具有激光头和按压开关，按压开关与激光头电连接；刀柄和壳体同轴设置，按压开关朝向腔体内伸出；刀柄适于相对于壳体旋转，在旋转过程中，框体结构的一部分适于抵接按压开关，从而关闭激光头；当框体结构脱离按压开关时，激光头发射激光，从而透过激光通道对刀柄内部的增材进行辅助加热。
4.尽管使用感应加热搅拌摩擦头实现增材成型的应用越来越多，但随着研究与应用的持续深入，该技术也逐步暴露出诸多问题，诸如：增材路径两侧飞边严重，导致搭接质量不佳；高温、高压、高转速下工具头磨损严重，寿命短暂；金属材料容易粘在工具头内部，甚至阻塞工具头；材料塑化与增材路径不易匹配，存在多材料堆积或少材料多孔缺陷；增材路径的施力不均匀，成形组织屈曲变形，内部残余应力较大等问题；这些问题严重影响了增材成型质量，急需解决。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明第一目的在于提供一种能够解决增材路径两侧飞边严重以及材料塑化与增材路径不易匹配的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，包括摩擦工具头组件，其特征在于：所述摩擦工具头组件包括中心工具头，所述中心工具头两侧分别设置有旁侧工具头，所述中心工具头通过减速齿轮副与所述旁侧工具头传动连接，所述中心工具头与旁侧工具头呈“品”字形布置；所述中心工具头沿轴向设置有中心送料通道，所述中心送料通道侧壁具有螺旋凹槽，所述中心送料通道上方设置有激光发生器，所述激光发生器下端连接直线隔离送料管，直线隔离送料管下端靠近且高
于所述中心送料通道的颈口，由所述中心送料通道侧壁和位于所述中心送料通道内的直线隔离送料管共同立式布置的环形螺旋空间，所述的环形螺旋空间是指空间整体呈环形且其内壁具有螺旋通道。采用这样地方案，不仅能够有效解决增材路径两侧飞边严重的问题，提升增材路径搭接成型质量，而且能够使得材料塑化与增材路径更容易匹配。
7.为进一步提高中心工具头的寿命且避免金属材料加热过程中出现粘黏阻塞现象，所述中心送料通道下部且位于所述颈口下方还设有下扩张口，所述中心送料通道顶部设置有上扩张口；所述颈口直径为20～40mm，所述颈口直径为下扩张口直径的30%～50%。
8.为进一步改善材料屈曲变形以及内部残余应力较大的问题，所述摩擦工具头组件安装在防偏载组件上；所述防偏载组件包括结构主体件，所述摩擦工具头组件安装在所述结构主体件上，所述结构主体件的上部设置有平衡液压油缸，所述平衡液压油缸包括一个水平设置的平衡油缸和连接在所述平衡油缸两端的垂直的油缸顶杆，所述平衡油缸与安装板连接，两个所述油缸顶杆与两个所述旁侧工具头相对应且连接在所述结构主体间件的两侧。
9.进一步的，所述结构主体件上设置有z向安装通孔，所述中心工具头通过轴承安装在所述z向安装孔内，所述结构主体件上还设置有驱动机构，所述驱动机构与所述中心工具头传动连接。
10.优选的，所述直线隔离送料管的才材质可为不锈钢、45#钢、塑性树脂材料ppek/pekk、pet、pei等。
11.所述中心送料通道的上扩张口与下扩张口均为喇叭形，所述直线隔离送料管的上部为与所述中心送料通道的上扩张口相配合的锥形。
12.本发明的第二目的在于提供一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，包括以下步骤：步骤（1），将上述所述的增材成型装置的安装板与运动执行设备连接后，进行所述增材成型装置的调平，随后驱动所述增材成型装置运动至增材平台初始位置，开动送粉器将金属材料填入环形螺旋通道；步骤（2），驱动机构驱动所述中心工具头旋转，所述中心工具头带动两个旁侧工具头减速旋转；操纵所述运动执行设备，使所述增材成型装置在z向向下移动至与所述增材平台轻微接触；步骤（3），启动所述激光发生器，选择激光发生器光斑形状、大小与功率，通过激光加热金属材料1～5min；步骤（4），驱动所述防偏载组件，使所述增材成型装置根据增材平台高低分布情况，调节中心工具头与旁侧工具头初始位置至与增材平台平行；同时使“品”字形布置摩擦工具头组件产生轴向锻压力；步骤（5），所述环形螺旋通道输送的金属材料与增材基面产生摩擦作用至金属材料红热状态，产热塑化金属材料；在所述摩擦工具头组件的旋转和顶锻压力作用下，金属材料产生变形热进一步塑化材料，随后按照设计轨迹驱动所述运动执行设备，在增材基面上实现对金属材料的增材成型；步骤（6），完成前一道次的增材成型后，抬升所述增材成型装置的z向高度，重复上述步骤，完成构件的增材成型。
13.其中，所述步骤（1）中的运动执行设备可为三轴、四轴或者五轴机床，或六轴机器人运动末端。所述金属材料为铝合金、镁合金等低熔点材料，或者为铜合金、钛合金、镍基高温合金、高强钢等高熔点材料，或者为混合短纤维、颗粒纤维或细微陶瓷颗粒的金属混合材料。所述金属材料为粒径50～500μm的粉末或者直径0.1～0.5mm、长度1～10mm的带状金属铁屑。
14.所述步骤（2）中，所述中心工具头与所述旁侧工具头转速为50rpm～3000rpm，所述中心工具头与所述旁侧工具头的转速比为1:1～1:20。
15.所述步骤（3）中，激光发生器的功率为1～8kw，光斑可为圆形、矩形光斑，光斑宽度或直径5～40mm。
16.所述步骤（4）中，所述放偏载组件的液压油缸提供压力为0.5～10mpa，锻压力为5～20kn；所述步骤（5）中，所述运动执行设备的行进速度为100mm/min～100mm/min；所述步骤（6）中，所述增材成型装置的z向高度抬升高度为0.1～5mm。
17.有益效果：（1）本发明的增材成型装置的“品”字形摩擦工具头组件，在增材成型的同时，两侧施加均匀的侧向成型压力，可大大改善由单一搅拌摩擦工具头成型样件两侧飞边情况，提升增材路径搭接的成型质量；（2）采用本发明的方案，无需直接加热中心工具头，工具头可在较低温度下施加压力与扭矩，可大大减少其磨损，提升使用寿命；（3）本发明采用高能量密度激光对金属材料加热，瞬时加热功率高、区域集中，加热塑化金属材料与中心工具头受热区域小，导热少，避免了材料粘黏阻塞问题；（4）本发明方案，送料方式灵活可调，易与增材成型速度匹配，同时激光加热功率可控，材料塑化与增材路径更容易匹配，成形表面平整光洁；（5）本发明方案，可有效实现在大顶锻力下平衡由于增材基面不平整导致工具头偏载、工具头轴线与增材表面法线不平行等情况；同时，成型过程中的“品”字形摩擦工具头组件可根据增材基面起伏，被动调节工具头角度、使得工具头施加压力均匀，进而满足多道次增材厚度均匀增加，有效改善材料屈曲变形，内部残余应力较大等问题；（6）本发明结构紧凑，可适用于机床、机器人等多种平台，同时适用于多种金属材的增材成型，尤其适用于复杂构型的增材成型，适用面广。
附图说明
18.图1为本发明压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成形装置示意图；图2为中心工具头结构三维示意图；图3为旁侧工具头结构示意图；图4为传统装置增材结构飞边；图5为传统装置增材路径凹凸不平与缺材料；图6为本发明装置增材成型路径表面质量；图7为传统装置增材组织存在孔隙与分层；图8为本发明装置成形的致密组织；
图9为本发明装置增材成形方法1；图10为本发明装置增材成形方法2。
19.标号说明：1.液压油缸；2.安装板；3.油缸顶杆；4.激光发生器；5.电机；6.直线隔离送料管；7.传动皮带；8.皮带轮；9.轴承；10.中心工具头；11.结构主体；12、16.旁侧工具头；13、15.旁侧齿轮；14.中心齿轮； 17.送粉管；18.送粉器；19.颈口；20.螺旋凹槽。
具体实施方式
20.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
21.实施例1：如图1-8所示，本实施例首先提供一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其包括与摩擦工具头组件、驱动组件、防偏载组件、激光发生组件以及送料组件。其中，摩擦工具头组件包括“品”字形工具头组件，“品”字形工具头组件设置在偏载组件上，驱动组件驱动摩擦工具头组件，摩擦工具头组件内设置有送料通道，送料组件与送料通道连接。而激光发生组件具有与送料通道同轴设置的辅助搅拌件。
22.具体而言，摩擦工具头组件包括中心工具头10，中心工具头的下端两侧分别设置有旁侧工具头12和旁侧工具头16。中心工具头通过减速齿轮副与旁侧工具头传动连接，中心工具头与旁侧工具头呈“品”字形布置。本实施例中的“品”字形布置是指：两个旁侧工具头对称设置在中心工具头的两侧且旁侧工具头的底面低于中心工具头的底面。
23.其中，中心工具头10沿轴向设置有中心送料通道，中心送料通道侧壁具有螺旋凹槽20，中心送料通道上方设置有激光发生器4，激光发生器4下端连接直线隔离送料管6，直线隔离送料管6下端靠近且高于中心送料通道的颈口19（直线隔离送料管6下端与颈口19上端的垂直距离为3mm
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8mm），由中心送料通道侧壁和位于中心送料通道内的直线隔离送料管6共同立式布置的环形螺旋空间。
24.防偏载组件包括结构主体件11，结构主体件可为规则或不规则形状的安装块，在本实施例中，结构主体件为
“┌”
形状的安装块，防偏载组件还包括设置在结构主体件上方的平衡液压油缸。平衡液压油缸包括一个水平设置的平衡油缸1和连接在平衡油缸两端的垂直的油缸顶杆3；平衡油缸固定连接在安装板2上，平衡油缸中心处与液压源连接。两个垂直设置的油缸顶杆长度一致，并且两个油缸顶杆的下端分别连接结构主体件的两侧。在本实施例中，液压油缸提供的压力为0.5～10mpa。
25.摩擦工具头组件安装在防偏载组件的结构主体件上。其中，在结构主体件上设置有z向通孔，中心工具头通过轴承9安装在z向通孔内且两端伸出z向通孔。中心工具头的下方外壁安装有中心齿轮14，两个旁侧工具头的上部安装有旁侧齿轮13和旁侧齿轮15，中心齿轮与旁侧齿轮啮合传动，并且结构主体件的底部的位于z向通孔的两侧设置有安装孔，两个旁侧工具头通过轴承安装在安装孔内。并且，两个旁侧工具头的安装方向与两个油缸顶杆的安装方向相同，即两个旁侧工具头与两个油缸顶杆均分设在中心工具头的两侧，如两个旁侧工具头的中心连线与两个油缸顶杆的中心连线为平行设置。运行时，中心齿轮与旁
侧齿轮之间的转速比为1:1~2:10。
26.另外，驱动组件包括电机5，电机输出轴上设置有主动皮带轮，中心工具头的上端外壁设置有从动皮带轮，主动皮带轮与从动皮带轮上设置有传动皮带7。电机通过皮带及皮带轮8带动中心工具头转动。
27.在本实施例中，中心送料通道下部且位于颈口19（即整个送料通道中直径最小的部分）下方还设有下扩张口，中心送料通道顶部设置有上扩张口；颈口19直径为下扩张口直径的30%-50%。
28.具体地：本实施例中，中心送料通道的内部直径为20～60mm，可选择但不限于20 mm、40 mm或60mm；喇叭形上扩张口与下扩张口的开口角度为30～60
°
，可选择但不限于30
°
、40
°
、50
°
或60
°
；颈口的直径为20～40mm，可选择但不限于20 mm、30 mm或40 mm。
29.作为本实施例中的另一实施方式，在中心送料通道的内壁（不含上扩张口、下扩张口及颈口）设置有螺旋凹槽20，螺旋凹槽20的螺距为10～50mm，可选择但不限于10 mm、13 mm或15mm；螺纹为左旋或右旋。
30.作为本实施例中的另一实施方式，旁侧工具头的底面外沿设置有倒角，倒角角度为45～60
°
，可选择但不限于45
°
、50
°
或60
°
。
31.另外，在本实施例中，中心送料通道的上扩张口与下扩张口均为喇叭形，直线隔离送料管6的上部为与中心送料通道的上扩张口相配合的锥形。其中，直线隔离送料管6的才材质可为不锈钢、45#钢、塑性树脂材料ppek/pekk、pet、pei等。激光发生器4功率为1～8kw，光斑可为圆形或矩形光斑，光斑宽度或直径5～40mm。
32.送料组件包括送粉器18和与送粉器连接的送粉管17，送粉管的输出端伸入环形螺旋通道的上端。
33.本实施例中的增材成型装置在使用时将其安装板与运动执行设备连接，运动执行设备可为三轴、四轴、或五轴机床；或者六轴机器人运动末端。
34.使用时，由于“品”字形摩擦工具头组件所设计的旁侧工具头，可有效解决飞边问题。而通过防偏载组件，可有效实现在大顶锻力下平衡由于增材基面不平整导致工具头偏载、工具头轴线与增材表面法线不平行等情况。且成型过程中，“品”字形组合工具头在防偏载组件的作用下可根据增材基面起伏，自适应调节工具头偏移角度、使得工具头施加压力均匀，进而满足多道次增材厚度均匀增加，有效改善材料屈曲变形，内部残余应力较大等问题。
35.且本实施例中的金属粉末进入环形螺旋通道后在自身重力和中心工具头的旋转力（旋风现象）的作用下落至颈口处并与激光接触，受激光加热熔化。本实施例中采用高能量密度的激光对金属粉末进行加热而非对中心工具头加热，可使工具头在交低温度下施加压力与扭矩，大大减少了工具头的磨损，提升其寿命。并且，还具有瞬时加热功率高、加热区域集中（颈口处），加热塑化金属材料的区域与中心工具头受热的区域小、导热少，避免了金属材料粘黏阻塞问题。更关键地是，可实现送料灵活可调，易与增材成型速度匹配，同时激光加热功率可控，材料塑化与增材路径更容易实现匹配，能使得成形表面平整光洁，具有更好的成型效果。
36.具体效果：参见图4、5为传统增材结构的飞边情况以及增材路径凹凸不平与缺材料的情况，而图6为使用本实施例的成型装置所获得的路径表面质量。参见图7为采用传统
成型装置导致的增材组织空隙与分层，图8为采用本实施例的装置所获得的增材组织，其结构致密，成型质量高。
37.实施例2：本实施例还提供一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，包括以下步骤：步骤（1），将实施例1的增材成型装置的安装板与运动执行设备连接后，进行增材成型装置的调平，随后驱动增材成型装置运动至增材平台初始位置，开动送粉器将金属材料填入环形螺旋通道；步骤（2），启动电机驱动皮带使得中心工具头高速旋转，中心工具头通过减速齿轮副带动两个旁侧工具头低速旋转；操纵运动执行设备，使增材成型装置在z向向下移动至与增材平台轻微接触；步骤（3），启动激光发生器，根据增材前进速度选择激光发生器光斑形状、大小与功率，激光加热金属材料1～5min；步骤（4），驱动防偏载组件，使增材成型装置根据增材平台高低分布情况，调节中心工具头与旁侧工具头初始位置至与增材平台平行；同时使“品”字形布置摩擦工具头组件产生轴向锻压力，让中心工具头将输送的金属材料与增材基面产生摩擦作用，至金属材料红热状态，产热塑化金属材料；步骤（5），在摩擦工具头组件的旋转和顶锻压力作用下，金属材料产生变形热进一步塑化材料，随后按照设计轨迹驱动运动执行设备，在增材基面上实现对金属材料的增材成型；步骤（6），完成前一道次的增材成型后，抬升增材成型装置的z向高度，重复上述步骤，完成构件的增材成型。
38.其中，步骤（1）中的运动执行设备可为三轴、四轴或者五轴机床，或六轴机器人运动末端。金属材料为铝合金、镁合金等低熔点材料，或者为铜合金、钛合金、镍基高温合金、高强钢等高熔点材料，或者为混合短纤维、颗粒纤维或细微陶瓷颗粒的金属混合材料。金属材料为粒径50～500μm的粉末或者直径0.1～0.5mm、长度1～10mm的带状金属铁屑。
39.步骤（2）中，中心工具头与旁侧工具头转速为50rpm～3000rpm，中心工具头与旁侧工具头的转速比为1:1～1:20。
40.步骤（3）中，激光发生器的功率为1～8kw，光斑可为圆形、矩形光斑，光斑宽度或直径5～40mm。
41.步骤（4）中，放偏载组件的液压油缸提供压力为0.5～10mpa，锻压力为5～20kn；步骤（5）中，运动执行设备的行进速度为100mm/min～100mm/min；步骤（6）中，增材成型装置的z向高度抬升高度为0.1～5mm。
42.采用本实施例的增材成型方法，可达到更好的成型质量，参见图4、5为传统增材结构的飞边情况以及增材路径凹凸不平与缺材料的情况，而图6为使用本实施例的成型方法所获得的路径表面质量。可见，本实施例的成型方法能够有效解决成形样件两侧飞边情况，提升增材路搭接成形质量。
43.参见图7为采用传统成型装置和方法导致的增材组织空隙与分层，图8为采用本实施例的装置与方法所获得的增材组织，其结构致密，成型质量高。可见，实施例1的装置和本实施例的方法能够满足多道次增材厚度均匀增加，有效改善材料屈曲变形，内部残余应力
较大等问题。
44.另外，本实施例中还提供两个具体实例进行了说明：实例1：将实施例1中的增材成型装置安装于运动执行设备上后，参见图9，完成增材成形装置的调平，随后运动至增材平台初始位置，开动送粉器18将金属材料填入中心工具头与直线隔离送料管所形成的环形螺旋通道内；启动增材成型装置的电机5，驱动传动皮带7使中心工具头10旋转，转速200rpm，带动旁侧工具头12和16旋转，转速800rpm，然后操纵运动执行设备，在z向缓慢向下移动，至与增材平台轻微接触；启动激光发生器4，根据增材前进速度选择激光发生器光斑形状为矩形光斑、大小20
×
10mm，功率5kw，激光加热1～5min；驱动衡力液压防偏载组件，使得增材成型装置根据增材平台高低分布情况，调节中心工具头10与旁侧工具头12和旁侧工具头16，至初始位置与增材平台平行，同时使“品”字形组合工具头结构产生轴向锻压力，压力达到10kn以上，让中心工具头的环形螺旋通道输送的金属材料与增材基面产生摩擦作用，至金属材料红热状态，产热塑化金属材料；在“品”字形摩擦工具头组件的高速旋转和顶锻压力作用下，金属材料产生变形热进一步塑化材料，随后按照设计轨迹驱动运动执行设备，轨迹前进速度500mm/min，在增材基面上实现对金属材料的增材成型；完成前一道次的增材成型后，抬升运动设备z向高度2mm，重复上述步骤，完成复杂构件的增材成型。
45.实例2：将实施例1中的增材成型装置安装于运动执行设备上后，参见图10，完成增材成形装置的调平，随后运动至增材平台初始位置，开动送粉器18将金属材料填入中心工具头与直线隔离送料管所形成的环形螺旋通道内；启动增材成型装置的电机5，驱动传动皮带7使中心工具头10旋转，转速250rpm，带动旁侧工具头12和旁侧工具头16旋转，转速500rpm，然后操纵运动执行设备，在z向缓慢向下移动，至与平台轻微接触；启动激光发生器4，根据增材前进速度选择激光发生器光斑形状为圆形光斑、直径20mm，功率10kw，激光加热3min；驱动衡力液压防偏载组件，使得增材成型装置根据平台高低分布情况，调节中心工具头10与旁侧工具头12和16，至初始位置与增材平台平行，同时使“品”字形组合工具头结构产生轴向锻压力，压力达到15kn以上，让“品”字形组合工具头、中心工具头10输送的金属材料与增材基面产生摩擦作用，至金属材料红热状态，产热塑化金属材料；在“品”字形组合工具头的高速旋转和顶锻压力作用下，金属材料产生变形热进一步塑化材料，随后按照设计轨迹驱动运动执行设备，轨迹前进速度300mm/min，在增材基面上实现对金属材料的增材成型；完成一道次的增材成型后，设备水平运动50mm，执行前一道次的轨迹，前进速度300mm/min，完成后一道次的增材成型，往复运动实现多道次增材；完成第一层材料的增材成型后，抬升运动设备z向高度3.5mm，将增材装置运动至第一层两道次轨迹中线位置，驱动运动执行设备，轨迹前进速度300mm/min，完成前一道次的增材成型后，设备水平运动50mm，往复运动实现多道次增材成型；
重复单层材料的增材成型与下一层材料错位增材成型步骤，完成对金属材料的增材。
46.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其进行各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

技术特征：

1.一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，包括摩擦工具头组件，其特征在于：所述摩擦工具头组件包括中心工具头，所述中心工具头两侧分别设置有旁侧工具头，所述中心工具头通过减速齿轮副与所述旁侧工具头传动连接，所述中心工具头与旁侧工具头呈“品”字形布置；所述中心工具头沿轴向设置有中心送料通道，所述中心送料通道侧壁具有螺旋凹槽，所述中心送料通道上方设置有激光发生器，所述激光发生器下端连接直线隔离送料管，直线隔离送料管下端靠近且高于所述中心送料通道的颈口，由所述中心送料通道侧壁和位于所述中心送料通道内的直线隔离送料管共同立式布置的环形螺旋空间。2.如权利要求1所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其特征在于：所述中心送料通道下部且位于所述颈口下方还设有下扩张口，所述中心送料通道顶部设置有上扩张口；所述颈口直径为20～40mm，所述颈口直径为下扩张口直径的30％～50％。3.如权利要求2所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其特征在于：所述摩擦工具头组件安装在防偏载组件上；所述防偏载组件包括结构主体件，所述摩擦工具头组件安装在所述结构主体件上，所述结构主体件的上部设置有平衡液压油缸，所述平衡液压油缸包括一个水平设置的平衡油缸和连接在所述平衡油缸两端的垂直的油缸顶杆，两个所述油缸顶杆与两个所述旁侧工具头相对应且连接在所述结构主体间件的两侧。4.如权利要求3所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其特征在于：所述结构主体件上设置有z向安装通孔，所述中心工具头通过轴承安装在所述z向安装孔内，所述结构主体件上还设置有驱动机构，所述驱动机构与所述中心工具头传动连接。5.如权利要求4所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其特征在于：所述中心送料通道的上扩张口与下扩张口均为喇叭形，所述直线隔离送料管的上部为与所述中心送料通道的上扩张口相配合的锥形。6.如权利要求4或5所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置，其特征在于：所述中心送料通道侧壁的螺旋凹槽的螺距为10～50mm。7.一种压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)，将权利要求4、5或6所述的增材成型装置安装于运动执行设备上后，进行所述增材成型装置的调平，随后驱动所述增材成型装置运动至增材平台初始位置，开动送粉器将金属材料填入环形送料通道；步骤(2)，驱动机构驱动所述中心工具头旋转，所述中心工具头带动两个旁侧工具头旋转；操纵所述运动执行设备，使所述增材成型装置在z向向下移动至与所述增材平台轻微接触；步骤(3)，启动所述激光发生器，选择激光发生器光斑形状、大小与功率，通过激光加热金属材料1～5min；步骤(4)，驱动所述防偏载组件，使所述增材成型装置根据增材平台高低分布情况，调节中心工具头与旁侧工具头初始位置至与增材平台平行；同时使“品”字形布置摩擦工具头组件产生轴向锻压力；步骤(5)，所述环形送料通道输送的金属材料与增材基面产生摩擦作用至金属材料红热状态，产热塑化金属材料；在所述摩擦工具头组件的旋转和顶锻压力作用下，金属材料产生变形热进一步塑化材料，随后按照设计轨迹驱动所述运动执行设备，在增材基面上实现对金属材料的增材成型；
步骤(6)，完成前一道次的增材成型后，抬升所述增材成型装置的z向高度，重复上述步骤，完成构件的增材成型。8.如权利要求7所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，其特征在于：步骤(1)中，金属材料为粒径50～500μm的粉末或者直径0.1～0.5mm、长度1～10mm的带状金属铁屑。9.如权利要求7所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，其特征在于：步骤(2)中，所述中心工具头与所述旁侧工具头转速为50rpm～3000rpm，所述中心工具头与所述旁侧工具头的转速比为1:1～1:20。10.如权利要求7所述的压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型方法，其特征在于：步骤(3)中，激光发生器的功率为1～8kw，光斑可为圆形、矩形光斑，光斑宽度或直径5～40mm。

技术总结

本发明提供了压力自适应激光同轴辅助搅拌增材成型装置及方法，中心工具头与旁侧工具头呈品字形布置，中心工具头具有中心送料通道，中心送料通道侧壁具有螺旋凹槽，中心送料通道上方设有激光发生器，激光发生器下端连接直线隔离送料管，直线隔离送料管下端靠近且高于中心送料通道的颈口，由中心送料通道侧壁和其内的直线隔离送料管共同立式布置的环形螺旋空间，方法步骤包括驱动机构驱动中心工具头旋转，中心工具头带动两个旁侧工具头减速旋转；操纵运动执行设备使增材成型装置在Z向向下移动至与增材平台轻微接触；本发明不仅能够有效解决增材路径两侧飞边严重的问题，提升增材路径搭接成型质量，而且能够使得材料塑化与增材路径更容易匹配。增材路径更容易匹配。增材路径更容易匹配。