本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，具体是一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法。
背景技术：
1、摩擦搅拌焊，是一种固相连接技术，利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。现有搅拌摩擦焊具如专利号“cn116408532b”中所述，利用主轴系统实现摩擦增材以及搅拌摩擦焊接，主轴系统的轴头为母材原料提供转矩，母材原料边下压边旋转以完成增材过程。
2、目前现有的搅拌摩擦焊具在固相搅拌摩擦增材制造过程中，由于上层材料的铸件堆积，会导致热输入不断增加，与此同时下层材料的温度难以快速降低，长时间的高温，会导致下层材料的状态在增材过程中产生变化，例如晶粒尺寸、应力与变形变大，导致增材件的性能下降。此外，增材过程中模具始终与材料摩擦产热，模具的热量也会累计给到新输入的零件，使得固相增材过程中峰值温度超过设定值，受热积累影响，新进入模具的零件性能会直接下降，进而影响增材过程中的材料成形参数，因此亟待解决。
技术实现思路
1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法。本发明降低了固相增材过程中焊具出料口的峰值温度，降低热积累对材料的弱化作用，防止过多的热积累带来过大残余应力的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
4、s1、在焊具内部安装水冷系统；
5、s2、启动焊具以及水冷系统，确保焊具的送料速度v送与增材的进给速度v进满足以下关系式：
6、
7、其中，a表示焊具的方棒边长；
8、t表示增材时间；
9、r表示搅拌头的工作端半径。
10、作为本发明进一步的方案：增材过程中棒材的输出压力不低于3500n；每段增材的结尾阶段，搅拌头需原地停留2～15s。
11、作为本发明再进一步的方案：焊具包括沿轴向开设有安装通道从而供芯轴装入的外壳，外壳内开设有呈螺旋状并环绕安装通道同轴布置的冷却流道，冷却流道两端分别与进液接头以及出液接头连通；搅拌头同轴固定在芯轴上，外壳内安装有至少一组轴承，并通过轴承与芯轴同轴回转配合；冷却流道与轴承之间设置有密封结构。
12、作为本发明再进一步的方案：所述外壳的顶部以及底部分别开设有与芯轴同轴布置的上安装腔以及下安装腔，上安装腔以及下安装腔内分别安装有上轴承以及下轴承，上轴承与下轴承配合后将芯轴两点支撑定位。
13、作为本发明再进一步的方案：上安装腔内同轴开设有上定位槽，上定位槽的直径与上轴承的直径对应；上轴承的外圈自上而下与上定位槽抵接配合，芯轴外圈同轴凸设有定位环，芯轴的定位环自上而下与上轴承的内圈抵接配合。
14、作为本发明再进一步的方案：下安装腔内同轴开设有下定位槽，下定位槽的直径与下轴承的直径对应；下轴承的外圈自下而上与下定位槽抵接配合，芯轴的轴肩自下而上与下轴承的内圈抵接配合。
15、作为本发明再进一步的方案：芯轴上同轴开设有环状的卡槽，卡槽内安装有卡簧，卡簧布置在下轴承下方从而高度错开布置，下轴承内圈沿铅垂方向的投影与卡簧存在交集。
16、作为本发明再进一步的方案：芯轴与外壳之间存在环状间隙，环状间隙内安装有高度错开布置的第一密封圈、第二密封圈以及第三密封圈；第一密封圈位于冷却流道的入口以及出口之间，第二密封圈位于下安装腔以及冷却流道的入口之间，第三密封圈位于上安装腔以及冷却流道的出口之间；所述第一密封圈、第二密封圈以及第三密封圈为格莱圈。
17、作为本发明再进一步的方案：所述冷却流道的入口以及出口均沿外壳径向布置，进液接头以及出液接头分别与冷却流道的入口以及出口螺纹配合固定。
18、作为本发明再进一步的方案：冷却流道的入口位于出口下方；所述搅拌头与芯轴构成可拆卸式配合。
19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20、1、本发明在引入水冷系统后，建立焊具的送料速度与增材的进给速度的关系式，使内水冷工况下焊具的送料速度可匹配最佳的增材进给速度，降低了固相增材过程中焊具出料口的峰值温度，降低热积累对材料的弱化作用，防止过多的热积累导致组织晶粒尺寸过度长大，并且能够降低上下材料之间的温度差，降低残余应力。
21、2、本发明通过在外壳内开设环绕芯轴布置的螺旋状冷却流道，向流道内引入冷却水后即可对芯轴形成环状冷却，大幅降低了固相搅拌摩擦增材制造过程中的热输入，避免各材料性能下降，确保增材过程中材料可更好的成型。
22、3、本发明的芯轴通过两组轴承两点定位，且轴承与冷却流道之间通过密封圈密封，芯轴外圈多密封圈的布置，避免冷却介质在不同区域之间产生泄漏；外壳上下端面安装腔的布置，可供对应的轴承从安装腔的开口处直接放入，并与安装腔的的定位槽底面抵接后即安装到位。
23、4、本发明的芯轴底部开设有环状的卡槽，用于安装卡簧，卡簧与下轴承高度错开布置，从而在下轴承意外掉落时，卡簧可对下轴承起承托作用，起到安全防护效果；进液接头以及出液接头与冷却流道的出入口直接螺纹配合固定，以便于拆卸安装；冷却流道内的冷却介质下进上出，对芯轴形成对流冷却，冷却效率高。
1.一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，增材过程中棒材的输出压力不低于3500n；每段增材的结尾阶段，搅拌头(3)需原地停留2～15s。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，焊具包括沿轴向开设有安装通道从而供芯轴(2)装入的外壳(1)，外壳(1)内开设有呈螺旋状并环绕安装通道同轴布置的冷却流道(11)，冷却流道(11)两端分别与进液接头(12)以及出液接头(13)连通；搅拌头(3)同轴固定在芯轴(2)上，外壳(1)内安装有至少一组轴承，并通过轴承与芯轴(2)同轴回转配合；冷却流道(11)与轴承之间设置有密封结构。
4.根据权利要求3所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述外壳(1)的顶部以及底部分别开设有与芯轴(2)同轴布置的上安装腔(14)以及下安装腔(15)，上安装腔(14)以及下安装腔(15)内分别安装有上轴承(142)以及下轴承(152)，上轴承(142)与下轴承(152)配合后将芯轴(2)两点支撑定位。
5.根据权利要求4所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，上安装腔(14)内同轴开设有上定位槽(141)，上定位槽(141)的直径与上轴承(142)的直径对应；上轴承(142)的外圈自上而下与上定位槽(141)抵接配合，芯轴(2)外圈同轴凸设有定位环，芯轴(2)的定位环自上而下与上轴承(142)的内圈抵接配合。
6.根据权利要求4所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，下安装腔(15)内同轴开设有下定位槽(151)，下定位槽(151)的直径与下轴承(152)的直径对应；下轴承(152)的外圈自下而上与下定位槽(151)抵接配合，芯轴(2)的轴肩自下而上与下轴承(152)的内圈抵接配合。
7.根据权利要求6所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，芯轴(2)上同轴开设有环状的卡槽(21)，卡槽(21)内安装有卡簧(22)，卡簧(22)布置在下轴承(152)下方从而高度错开布置，下轴承(152)内圈沿铅垂方向的投影与卡簧(22)存在交集。
8.根据权利要求3所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，芯轴(2)与外壳(1)之间存在环状间隙，环状间隙内安装有高度错开布置的第一密封圈(23)、第二密封圈(24)以及第三密封圈(25)；第一密封圈(23)位于冷却流道(11)的入口以及出口之间，第二密封圈(24)位于下安装腔(15)以及冷却流道(11)的入口之间，第三密封圈(25)位于上安装腔(14)以及冷却流道(11)的出口之间；所述第一密封圈(23)、第二密封圈(24)以及第三密封圈(25)为格莱圈。
9.根据权利要求3所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述冷却流道(11)的入口以及出口均沿外壳(1)径向布置，进液接头(12)以及出液接头(13)分别与冷却流道(11)的入口以及出口螺纹配合固定。
10.根据权利要求3所述的一种适用于固相增材的内水冷棒材搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，冷却流道(11)的入口位于出口下方；所述搅拌头(3)与芯轴(2)构成可拆卸式配合。
