本发明涉及搅拌摩擦焊接工具微织构加工领域，尤其是涉及一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法。
背景技术：
1、搅拌摩擦焊接工具大多为硬度超高的材料，通过在工具表面加工微织构，可以在搅拌焊接的过程中增加摩擦力，并且在焊接过程中增加热输入。合理的微织构有助于促进焊接过程中的材料流动，提高焊缝的成型质量。
2、搅拌摩擦焊接工具的材料大多为硬质合金，硬质合金是一种以难熔金属硬质化合物(如碳化钨、碳化钛等)为基体，以金属(如钴、镍等)作为粘结剂，通过粉末冶金方法制造的高硬度、高耐磨性材料。
3、硬质合金也被称为金属陶瓷材料，因为其结构中同时包含了硬质的陶瓷相和韧性的金属相。硬质合金的硬度在室温下可达69～81hrc，并且在900～1000℃的高温下仍能保持高硬度和优良的耐磨性。
4、硬质合金的性能特点包括高硬度、耐磨性、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等。这些特性使得硬质合金在切削工具、冲击工具、耐磨耐蚀零部件等领域得到广泛应用，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材等材料。广泛应用于航空航天、军工、机械制造、电子、汽车制造等领域，是现代工业、生产和科技的中坚材料。
5、硬质合金之所以难以加工，主要是因为它具有一系列独特的物理和机械性能，这些性能在赋予硬质合金优异的应用性能的同时，也给加工带来了挑战。为了有效加工硬质合金，通常需要采用特种加工技术和工具。
6、激光加工作为一种先进的制造技术，具有许多显著的优点，例如加工方式为非接触加工，加工精度高。使其在各种工业领域得到广泛应用。激光加工可以实现非常精细的加工，精度高，公差小。这对于需要高精度的零件尤为重要，适合用于搅拌头的微织构加工。
7、激光加工是利用激光的高能量来去除材料表面的工艺技术。在这个过程中，激光束聚焦在材料表面，产生高温使材料蒸发或气化，从而实现精确的材料去除。激光烧蚀技术具有多种优势，包括高精度、高效率、可控性强和非接触性加工，因此被广泛应用于微纳加工领域。
8、激光烧蚀过程是一个包含多种相变、时间长度的复杂过程，受到激光脉冲宽度、脉冲能量分布、重复频率、材料特性等多因素影响。通过精确监测材料表面热力学性质的瞬态演化过程，可以更好的控制激光烧蚀的精度。
9、在激光加工过程中，激光束聚焦在材料表面，产生高温，使材料局部熔化、蒸发或发生相变。这个过程中，不仅作用区域(即激光直接照射的区域)会发生物理和化学变化，周围区域也会因为热传导和热辐射作用而形成热影响区。
10、在激光加工中，控制和减小热影响区是提高加工质量的关键。例如，在激光切割中，可以通过优化切割参数(如激光功率、切割速度、辅助气体等)来减少热影响区的大小，从而获得更光滑的切割边缘和更少的热变形。通过改变激光的加工参数，可以使热影响区域变小。
11、热影响区材料的晶粒结构可能会因为快速加热和冷却而发生改变，如晶粒异常长大或产生非平衡相。热影响区材料的硬度、强度、韧性等机械性能可能与原始材料有所不同，有时会出现变形硬化现象。由于快速加热和冷却，材料内部会产生不均匀的热膨胀和收缩，导致残余应力的产生。
12、机加工硬质合金时，由于硬质合金的高硬度、脆性和热敏感性，对加工设备和工艺的要求很高。硬质合金的高硬度导致传统刀具极易磨损。特别是在高速切削过程中，刀具的后刀面磨损量会增大，且刀具刃口可能会产生裂纹和崩缺，从而缩短刀具的使用寿命。
13、由于硬质合金的脆性，加工过程中容易产生裂纹和碎裂，从而影响加工精度和表面质量。为了解决上述问题，现有技术公开了一种激光辅助加工的装置和方法。该激光辅助曲面加工机床包括：床身、五轴联动曲面加工系统、空间激光区域扫描系统及相应的控制系统。该激光辅助切削加工利用高能激光束加热，产生局部高温使待加工区域的工件材料发生热软化，材料硬度降低，塑性提高，从而改善材料的切削加工性能。但是该激光辅助加工装置的设计并没有考虑到激光束加热过程中的加热深度，当加热深度不够时，可能导致机加工的对刀具的磨损过度。但激光束加工过程中加热的深度超过了所要切削的厚度，可能导致被加工工件产生热影响区，导致被加工工件的机械性能有所下降。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的搅拌摩擦焊接工具微织构难加工等缺陷而提供一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，将激光烧蚀技术与传统的机械加工方法结合起来，先用激光烧蚀工件，去除部分材料，然后通过铣削加工去除氧化区域和热影响层，从而解决了传统机械加工出的零件质量较差的问题，使得被加工工件精度高，加工效率高。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、本发明提出一种将激光先进制备工艺与常规机械加工相结合的新工艺，以改善零件的成型质量，实现高效率的加工制造。传统的切削方法是通过精密切削来实现硬脆材料的高精度加工，但因其硬脆、断裂韧性差，难以实现精密切削。因此，提出了一种新的复合加工模式，可以有效地解决硬质合金及其它硬脆材料的切削难题，从而提升其加工品质，推动硬质合金零部件的发展与进步。使用激光烧蚀的办法，去除搅拌摩擦焊接工具微织构的部分材料，再使用铣削方法对激光加工后的零件进行精加工，去除激光加工的工作区域和热影响区。
4、本发明提供一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，包括以下步骤：
5、s1：使用cad设计出被加工零件：使用cad对所要加工搅拌头的微织构进行结构和形貌的设计；
6、s2：将被加工零件逐层切片分层并输出二维图；
7、s3：将二维图纸导入激光加工软件，使用激光对零件进行逐层烧蚀，去除多余材料，与标准零件相比较，只留下热影响层；
8、s4：再将被加工零件进行铣削加工，去除激光的加工的氧化区域和热影响层，完成对微织构的精加工。
9、进一步的，s2中，测量激光在不同功率下对硬质合金加工的深度，对搅拌头微织构部分按照激光每次加工深度进行切片分层处理，将分层后的模型按照每层的尺寸，转换成二维图形。
10、进一步的，s1中，利用cad软件，首先绘制常规的搅拌摩擦焊接工具，然后在常规的搅拌摩擦焊接工具基础上，设计能够增强摩擦、材料流动性的微织构(2)。
11、进一步的，s1中的微织构为轮旋流线型结构，在转动的过程中，能够增加材料的流动性。
12、进一步的，s2中，因为激光在一定的图案区域和相应的焦距下，加工的深度是不变的，因为本搅拌摩擦焊接工具微织构是带有曲面的，为了提高激光加工的精度，需要使激光在不同大小的图案下进行加工，所以需要对微织构部分进行切片处理，来得到不同尺寸的图层。切片的厚度取决于激光在搅拌摩擦焊接工具上每层的加工深度，加工的深度越小，切片层数就越多，加工质量越高。
13、进一步的，s3中，将绘制好的二维图片导入激光加工软件，设置图案内填充的线条路径与尺寸，使得在烧蚀的过程中保证每个区域加工的深度相同，使用激光(3)对硬质合金进行减材加工。
14、由于激光烧蚀作用，被加工材料表面存在微量氧化层与热影响区，可以采用微小的刀具进行加工，因为需要去除掉的材料只有氧化层与热影响区域，所以刀具的磨损减少，同时加工效率提高。机加工不但可以去除工件表面的氧化层和热影响区，还可以提高被加工织构的光整度，使被加工后的织构表面质量有所提升。
15、进一步的，s3中，激光加工，是利用激光来去除搅拌摩擦焊接微织构所需要去除材料的加工方法；在激光加工过程中，工件材料吸收激光的高能量激光，导致材料发生蒸发、烧蚀或气化，从而实现对材料减材加工。
16、进一步的，s3中，激光加工的精度较高，加工效率高。激光能量通过空气集中在被加工材料的表面上，为非接触式加工，通过激光的热量使被加工材料蒸发、烧蚀或气化。理论上，无论被加工材料的硬度有多高，只要激光的温度达到材料蒸发和气化的温度，都可以采用激光来加工。
17、进一步的，由于激光加工是利用激光的热效应，所以会在微织构的表面产生工作区域和热影响区；这一部分的材料相比较于母材，力学性能有所下降，因此，需要使用铣削加工的方法，对工作区域和热影响区进行去除。s4中，使用铣削加工的方法，对工作区域和热影响区进行去除；工作区域的厚度为100μm，热影响区的厚度为20μm，使用铣刀对工作区域和热影响区的材料进行去除。为了提高工件的加工精度和表面质量，采用铣削加工对激光加工后的工具表面进行后续处理。通过铣削，不仅可以去除由于激光烧蚀而产生的氧化物层，还能够削减和重塑热影响区的材料，从而减少激光加工对材料引起的不良影响。
18、进一步的，s4中，假设工作区域的厚度和热影响区的厚度总计为δ，在铣削加工时，分两刀进行去除影响区；第一刀为粗加工，去除第二刀为精加工，去除从而达到对才材料的精加工的目的，粗加工去除量+精加工去除量＝总厚度。
19、激光加工具有高精度与高质量的优势，实现高精度的加工，可以达到微米级或亚微米级的加工精度。同时激光加工也具有灵活性和适应性，可适应不同材料和形状的加工，具有很高的灵活性。并且，激光加工系统易于与自动化设备和计算机控制系统结合，实现自动化和智能化生产。
20、激光加工的过程中，不需要与被加工材料接触，因此不会对被加工材料产生机械应力，特别适合加工硬质合金这类硬度高的材料。使用激光加工硬质合金可以减少刀具磨损，钨钴类硬质合金作为一种典型的难加工材料，具有良好的综合性能，在此类材料的加工中，采用传统的加工方式存在刀具极易磨损严重、加工精度低、效率低等缺点，难以满足实际生产的要求。采用激光预先去除大部分材料，减少刀具使用，同时，激光的工作区域和热影响区域相比较于母材，硬度会降低，所以，在机加工时，可以减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。
21、激光加工由于其高能量密度和热作用时间短，使得热影响区相对较小，这样可以减少对硬质合金材料的热损伤，避免因热损伤导致的材料性能下降。由于热影响区域小，激光加工可以减少由热应力引起的变形和裂纹的风险，这对于硬质合金这类热敏感材料尤为重要。小的热影响区有助于保持硬质合金材料的微观结构和机械性能，从而提高加工后工件的质量。
22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23、(1)本发明采用激光对硬质合金材料进行加工，激光的高能量激光束作用到材料上，使被加工材料气化或者升华，达到去除材料的目的，很好的解决了传统加工方法对硬脆材料难加工的问题。同时，激光的光斑尺寸可以很小，达到微米甚至亚微米级别，激光加工直径相较于传统机加工小得多，因此可以保证较高的精度，这使得激光加工能够进行精细操作。使得零件在被加工的过程中可以保持很好的精度。
24、(2)本发明为使用激光对硬脆的热敏感的材料加工，所以加工过程中控制热影响区尤为重要。本设计可以通过改变激光的加工参数来减少热扩散，从而减少热影响区。减少热变形和热损伤，保持加工区域的原始特性。通过实验数据表明，加工速度越快，单位时间内热输入量越多，热影响区的尺寸就越大。
25、(3)本发明将激光加工与传统机加工相结合，激光器可以通过软件控制，方便调整激光的加工参数，适应各种复杂形状和尺寸的硬质合金工件加工。同时，激光加工可以实现更精确的材料去除，与传统机加工结合使用时，可以减少材料浪费，提高材料利用率。并且对于一些传统机加工难以实现的复杂形状或难以加工的材料，可以使用激光加工进行补充，反之亦然，两者结合可以扩大加工范围。
26、(4)本发明适用范围广，激光可以加工多种材料，包括金属、塑料、陶瓷、玻璃和复合材料等难加工材料，应用范围广泛。
1.一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s2中，测量激光(3)在不同功率下对硬质合金加工的深度，对搅拌头微织构(2)部分按照激光(3)每次加工深度进行切片分层处理，将分层后的模型按照每层的尺寸，转换成二维图形。
3.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s1中，利用cad软件，首先绘制常规的搅拌摩擦焊接工具，然后在常规的搅拌摩擦焊接工具基础上，设计能够增强摩擦、材料流动性的微织构(2)。
4.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s1中的微织构(2)为轮旋流线型结构，在转动的过程中，能够增加材料的流动性。
5.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s2中，切片的厚度取决于激光(3)在搅拌摩擦焊接工具上每层的加工深度，加工的深度越小，切片层数就越多，加工质量越高。
6.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s3中，将绘制好的二维图片导入激光加工软件，设置图案内填充的线条路径与尺寸，使得在烧蚀的过程中保证每个区域加工的深度相同，使用激光(3)对硬质合金进行减材加工。
7.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s3中，激光(3)加工，是利用激光(3)来去除搅拌摩擦焊接微织构所需要去除材料的加工方法；在激光(3)加工过程中，工件材料吸收激光(3)的高能量激光(3)，导致材料发生蒸发、烧蚀或气化，从而实现对材料减材加工。
8.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s3中，激光(3)能量通过空气集中在被加工材料的表面上，为非接触式加工，通过激光(3)的热量使被加工材料蒸发、烧蚀或气化。
9.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s4中，使用铣削加工的方法，对工作区域(5)和热影响区(6)进行去除；工作区域的厚度为100μm，热影响区的厚度为20μm，使用铣刀(8)对工作区域(5)和热影响区(6)的材料进行去除。
10.根据权利要求1所述的一种面向搅拌摩擦焊接工具微织构的激光复合制造方法，其特征在于，s4中，工作区域(5)的厚度和热影响区(6)的厚度总计为δ，在铣削加工时，分两刀进行去除影响区；第一刀为粗加工，去除第二刀为精加工，去除从而达到对才材料的精加工的目的，粗加工去除量+精加工去除量＝总厚度。
