攪拌摩擦增材制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備發(fā)展

溫琦，劉景麟，孟祥晨，黃永憲，萬龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱，150001；2.哈爾濱萬洲焊接技術(shù)有限公司，哈爾濱，150001)

0 序言

增材制造 (additive manufacturing,AM) 又稱3D 打印技術(shù)，是一種具有革命性的快速成形技術(shù).其基本原理是采用離散-堆積方式，通過對數(shù)字模型離散化處理，再利用材料不斷疊加形成所需的實體模型[1].攪拌摩擦增材制造 (friction stir AM,FSAM)基于攪拌摩擦焊 (friction stir welding,FSW)技術(shù)，通過攪拌頭與材料間摩擦產(chǎn)熱，使材料達到半固態(tài)，進而實現(xiàn)堆積成形[2].FSAM 具有增材溫度低、速度快等優(yōu)勢，可實現(xiàn)火箭箭體連接環(huán)、飛機機翼桁架[3]等大型結(jié)構(gòu)件的高效高質(zhì)量的制造.目前FSAM 技術(shù)分為3 類，分別為搭接增材制造(friction stir lap welding,FSLW)[4]、摩擦堆焊[5]和沉積式攪拌摩擦增材制造(additive friction stir processing,AFSP)[6].由于FSAM 技術(shù)提出時間較晚，又涉及增材制造及FSW 技術(shù)兩大領(lǐng)域，因此在研究及應(yīng)用領(lǐng)域進行的工作較少，F(xiàn)SAM 制造過程所涉及的機制、趨勢及缺陷也待深入探究.

將對FSAM 技術(shù)的基本概念、發(fā)展歷史、組織表征、機器與設(shè)備類型及其控制系統(tǒng)等方面進行介紹，歸納FSAM 發(fā)展現(xiàn)狀及問題，展望FSAM 發(fā)展方向.旨在為研究人員了解FSAM 過程中涉及的基本思想和原理提供參考和新思路，同時為國內(nèi)FSAM 行業(yè)發(fā)展提供一定的指導意見.

1 攪拌摩擦增材制造發(fā)展及分類

1982 年Blanther 申請的增材制造專利成為增材制造方法的開端[7].1988 年美國3D Systems 公司推出快速成形立體光刻機SLA-1，標志著增材制造技術(shù)正式進入快速發(fā)展階段[8].

狹義上增材制造指利用激光束、等離子束、電子束及電弧等高能場作為加工熱源并與CAD/CAM結(jié)合實現(xiàn)金屬零部件分層快速制造的技術(shù)[9]，但隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，許多采用摩擦熱、感應(yīng)熱、塑性變形熱等為熱源的增材制造技術(shù)出現(xiàn)，并逐漸被應(yīng)用.根據(jù)材料受熱狀態(tài)不同，增材制造可分為液相增材制造與固相增材制造.液相增材制造時，材料受熱發(fā)生熔化進而在基體上凝固而沉積.但是材料在熔化與再凝固過程中，零部件會因原材料或空氣中水蒸氣的進入而產(chǎn)生一定的孔隙率，進而對材料機械強度與疲勞強度產(chǎn)生影響.清華大學Zhao 等人[10]發(fā)現(xiàn)增材制造過程中，材料中氣泡破裂會產(chǎn)生大量微氣孔，這些微氣孔將成為裂紋源，降低材料的力學性能.而新提出的固相增材制造技術(shù)可有效避免在增材制造過程中材料熔化問題，從根本上解決再凝固造成的氣孔等缺陷.該技術(shù)包含塊體組焊與堆焊技術(shù)，其中塊體組焊包含利用釬焊、擴散焊或FSW 技術(shù)將每一個層狀結(jié)構(gòu)進行搭接焊，最終實現(xiàn)增材制造；堆焊技術(shù)包含冷噴涂、摩擦堆焊和AFSP 等方法，其中塊體組焊技術(shù)通過焊接技術(shù)將材料焊接在一起，在應(yīng)用中具有一定的限制性.而堆焊技術(shù)通過材料變形堆積實現(xiàn)增材制造，其中冷噴涂與摩擦堆焊增材制造過程中，材料受到塑性變形力或摩擦力，使得材料間發(fā)生冶金結(jié)合，進而實現(xiàn)材料的增材制造.但AFSP 過程中，材料經(jīng)過熱與機械攪動的聯(lián)合作用，實現(xiàn)有效的冶金結(jié)合與機械結(jié)合，可有效地增加增材制造材料的性能.

1.1 攪拌摩擦增材技術(shù)演變及分類

1.1.1 攪拌摩擦增材技術(shù)演變

FSAM 技術(shù)于2002 年提出[11]，經(jīng)歷十幾年迭代發(fā)展，最終形成商業(yè)化產(chǎn)品.2005年，F(xiàn)SAM 技術(shù)獲得英國焊接研究所的青睞，對該技術(shù)進一步研究[12].2006 年空客公司牽頭為FSAM商業(yè)化應(yīng)用做了初步嘗試[13].2007 年，Threadgill等人[14]研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)摩擦焊等固相焊接方法可用于增材制造.但是上述方法依舊存在對CNC 依賴嚴重，成形效果較差等問題，導致FSAM 難以實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用.2011 年，Dilip 等人[15]提出的摩擦沉積技術(shù)推動FSAM 技術(shù)擺脫對CNC 設(shè)備的嚴重依賴和制約，F(xiàn)SAM 進入沉積式時代.2012 年波音公司對FSAM 技術(shù)展開研究，并成功采用FSAM 技術(shù)制備飛機中的部分結(jié)構(gòu)件[16].2016 年，Kimar 等人[17]獲得AFSP 專利，大幅度提高FSAM 材料利用率，增加增材制造的效率，為商業(yè)化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ).2018 年美國MELD 公司成功推出FSAM 商業(yè)化設(shè)備，推動FSAM 技術(shù)正式進入量產(chǎn)階段[18].然而國內(nèi)FSAM 技術(shù)仍處于起步階段.

1.1.2 基本原理及分類

FSW 作為一種先進的焊接技術(shù)，具有變形小、強度高等優(yōu)點，其利用一種特殊設(shè)計的攪拌頭插入工件待焊部位，通過攪拌頭與工件間的攪拌摩擦，產(chǎn)生的摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài)并在攪拌頭的壓力作用下，后退側(cè)材料對前進側(cè)填充，從而使待焊件焊接為整體[19].FSAM 在FSW 原理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)材料逐層堆砌，最終實現(xiàn)增材制造[4].

目前，F(xiàn)SAM 包含F(xiàn)SLW、摩擦堆焊和AFSP 3 種，如圖1 所示.FSAM 技術(shù)通過材料間摩擦產(chǎn)熱進而實現(xiàn)連接，最終達到增材制造的效果.為了實現(xiàn)3D 零件增材制造，F(xiàn)SLW 預先使用CNC 加工將待連接的零件加工成片狀輪廓，然后重復FSW步驟，直到高度符合設(shè)計要求.在摩擦堆焊中，可消耗的攪拌頭(初始材料)在一定壓力下旋轉(zhuǎn)，與基板發(fā)生摩擦進而使材料沉積.AFSP 技術(shù)中，初始材料在攪拌頭包覆與旋轉(zhuǎn)摩擦作用下塑化而成形.

圖1 FSAM 技術(shù)分類Fig.1 Classification of FSAM

1.2 搭接增材制造

1.2.1 基本原理

FSLW 可通過常規(guī)的FSW 設(shè)備實現(xiàn)，對設(shè)備要求較低.通過攪拌摩擦焊將金屬片層結(jié)構(gòu)連接成整體，其基本原理如圖2 所示.在增材制造過程中，不可消耗的攪拌頭旋轉(zhuǎn)下扎至層疊板材中，并沿著預設(shè)方向移動，實現(xiàn)材料連接.此時，攪拌頭的攪拌摩擦作用使材料塑化并細化晶粒，并促進材料充分流動，進而實現(xiàn)片層間的連接.

圖2 FSLW 示意圖Fig.2 Schematic diagrams of FSLW

FSLW 技術(shù)具體實現(xiàn)過程如圖3 所示，主要由4 個步驟組成[4].首先，將所需材料加工為特定片層結(jié)構(gòu)，然后將其按照順序裝夾于工作臺上；其次，采用預設(shè)參數(shù)按照連接方向執(zhí)行一次FSLW 再次在第一次FSLW 執(zhí)行完成后，檢查零件結(jié)構(gòu)是否符合高度等設(shè)計需求，若符合要求，則完成增材制造過程；若不符合高度等技術(shù)指標，則對零件表層進行修整，去除表面飛邊等結(jié)構(gòu)，確保零件表面平整度，然后在表面上放置一新的片層，重復執(zhí)行上述過程.

圖3 FSLW 過程示意圖Fig.3 Schematic diagrams of FSLW process

1.2.2 成形機制及微觀組織

FSLW 過程中，材料發(fā)生嚴重的塑性變形，使得晶粒在變形中等軸化和細化，最終形成等軸晶.這種現(xiàn)象在鋁[20]、銅[21]、鎂[22]、鋼[23]等不同材料FSW 中均有發(fā)現(xiàn).雖然晶粒細化可提高材料性能，但材料經(jīng)過反復攪拌摩擦，循環(huán)的熱輸入使局部區(qū)域材料的晶粒受熱長大，導致材料性能進一步降低，這將造成材料性能的不均勻性，對材料的應(yīng)用造成影響.除循環(huán)的熱輸入外，影響晶粒尺寸及微觀結(jié)構(gòu)的另一主要原因在于材料的流動特性差異.在攪拌頭旋轉(zhuǎn)移動過程中，攪拌頭不同位置對材料的驅(qū)動力不同.例如：攪拌頭軸肩位置線速度較大，材料受到較大的驅(qū)動力，但攪拌針直徑較小，旋轉(zhuǎn)時線速度小，進而對材料驅(qū)動力不足，使得材料流動性降低，晶粒細化能力減弱.此外，每層的材料散熱渠道不同導致晶粒受熱長大程度存在差異.Palanivel 等人[24]采用FSLW 工藝對WE43 鎂合金進行試驗，不同區(qū)域內(nèi)材料晶粒尺寸有較大的區(qū)別，如表1 所示.在軸肩位置處可以觀察到，該處晶粒尺寸在軸肩驅(qū)動力作用下大幅度減小，而攪拌針位置晶粒尺寸則大于晶粒的平均尺寸.Yuqing 等人[25]通過9 層7 075 鋁合金的FSLW 工藝也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象.綜上所述，可以得出以下結(jié)論：①材料在FSLW 過程中依次受到軸肩和攪拌針的驅(qū)動作用；②攪拌頭上不同位置對材料驅(qū)動力不同；③不同區(qū)域晶粒尺寸存在較大差異；④材料本身熱處理方式對FSLW 后結(jié)構(gòu)性能有較大影響；⑤材料流動和熱循環(huán)是影響晶粒尺寸的主要原因.

表1 FSLW 不同位置晶粒尺寸Table 1 Gain size at different positions of FSLW process

1.2.3 力學性能

材料中晶界數(shù)量越多，其抵抗材料變形能力越強，進而表現(xiàn)出較高的機械強度.FSLW 中材料在攪拌頭作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，促使材料的晶界數(shù)量大幅度增加，材料的塑性與成形性得到巨大的提高.Palanivel 等人[24]對WE43 材料FSLW 時，材料顯微硬度較初始材料提高23%，同時抗拉強度和延展性均有提升.Palanivel 等人實現(xiàn)了4 層5083 鋁合金的增材制造.該結(jié)構(gòu)的抗拉強度及延展性得到了相應(yīng)改善(圖4).

圖4 鋁合金FSLW 應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲線Fig.4 Stress-strain curve of aluminium alloy FSLW joints

1.3 摩擦堆焊

摩擦堆焊于1941 作為一種表面處理方法被提出[26]，但是在接下來的幾十年里一直處于緩慢發(fā)展階段.19 世紀80 年代以后，人們才開始對該項技術(shù)產(chǎn)生興趣[27].盡管研究者們較早的發(fā)現(xiàn)摩擦堆焊工藝，但直至2013 年Dilip 等人[28]提出將摩擦堆焊工藝應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域.

1.3.1 基本原理及技術(shù)過程

摩擦堆焊過程中，旋轉(zhuǎn)的可消耗攪拌頭在軸向壓力作用下與基板接觸并摩擦產(chǎn)生摩擦熱，在接觸面上產(chǎn)生粘塑性變形金屬層.由于攪拌頭與基板的體積不同，導熱性不同，冷卻速度不同，摩擦界面兩側(cè)的導熱性能不同，最終使得摩擦界面兩側(cè)的溫度梯度產(chǎn)生顯著的差異.基板一側(cè)的溫度梯度遠比攪拌頭一側(cè)大，從而使可消耗攪拌頭上的材料過渡到母材上[29]，塑化材料與基板上材料發(fā)生冶金結(jié)合，進而實現(xiàn)材料堆積.當攪拌頭移動時，在基板上形成連續(xù)的堆積層[30]，其原理圖如圖5 所示.沉積層的厚度和寬度取決于材料類型與工藝參數(shù)，但通常來說，沉積層寬度與可消耗攪拌頭直徑相同[31].

圖5 摩擦堆焊示意圖Fig.5 Schematic diagrams of friction surfacing

1.3.2 微觀組織與性能

影響摩擦堆焊沉積性能的主要因素包括微觀組織的變化、沉積層的厚度和寬度等[32]，其中，微觀組織的變化是影響材料性能的主要因素之一.在摩擦堆焊過程中，材料經(jīng)歷攪拌頭的攪拌摩擦作用和剪切變形力的影響，晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[33].Dilip等人[34]在相同材料的基材上對低碳鋼進行多層多道沉積的研究.圖6 為摩擦堆焊界面微觀組織.從圖6a 可以看出，不同層次間、道次間材料結(jié)合良好.同時，材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，使得沉積層材料由鐵素體和珠光體細晶結(jié)構(gòu)組成(圖6b)，材料性能得到增強，其中屈服強度為260 MPa，抗拉強度為410 MPa，斷后伸長率達到了23.0%.

圖6 摩擦堆焊界面微觀組織Fig.6 Microstructure between different layers of friction surfacing joint.(a) macroscopic morphology; (b)microstructure of interface

摩擦堆焊可實現(xiàn)異種材料的增材制造.Gandra等人[35]在AA2024 上沉積AA6082 時，沉積層晶粒尺寸為4.2 μm ± 1.8 μm，與初始材料相比，晶粒細化度達到33%，并呈現(xiàn)出均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，如圖7所示，表面硬度達到91 HV.

圖7 摩擦堆焊微觀組織Fig.7 Microstructure of friction surfacing joint

摩擦堆焊過程中所采用的轉(zhuǎn)速、移動速度、壓力、攪拌頭直徑和橫向位置等同樣是影響沉積層性能的重要因素，其決定沉積層的厚度及寬度.Vitanov 等人[36]通過多次試驗得出參數(shù)對沉積層寬度、厚度、強度和的影響，如圖8 所示，增大壓力會成比例的增加沉積層強度，減小沉積層單次厚度和攪拌頭飛邊尺寸；增加沉積層單道次厚度會降低沉積層強度；較高的移動速度會降低沉積層單次的厚度和時間，從而降低沉積層強度；基材移動得越快，沉積層寬度越小，飛邊越大.

圖8 參數(shù)對摩擦堆焊沉積層寬度、厚度、強度的影響Fig.8 Influence of parameters on the width, thickness and strength of friction surfacing.(a) graph of the relationship between thickness and pressure; (b)graph of the relationship between width and pressure; (c) graph of the relationship between strength and pressure

1.4 AFSP 技術(shù)

摩擦堆焊中，可消耗攪拌頭在增材制造過程中會產(chǎn)生飛邊缺陷，降低材料的利用率與增材制造的效率[37].為解決該問題，學者們提出在可消耗攪拌頭外側(cè)增加軸肩結(jié)構(gòu)，抑制材料上溢產(chǎn)生飛邊，提高材料利用率.在中空攪拌頭內(nèi)孔內(nèi)部添加棒材、粉末、顆粒等方法可實現(xiàn)等軸晶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增材制造[38].

1.4.1 基本原理

AFSP 過程中，在攪拌頭中心孔或前緣添加的粉末、棒材等材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)移動而沉積在基板上.當沉積一層后，調(diào)整攪拌頭高度并繼續(xù)沉積，直至零件滿足設(shè)計要求，如圖9 所示[39].在此過程中，攪拌頭與基板、材料與基板之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦而產(chǎn)生摩擦熱，塑化填充材料，增加材料結(jié)合能力，并促使材料在基板上產(chǎn)生冶金結(jié)合，進而實現(xiàn)增材制造[40].AFSP 中攪拌頭的攪拌作用促進材料流動性，減小晶粒尺寸，增加各向同性，同時減小材料孔隙率.

圖9 FSAP 過程示意圖Fig.9 Schematic diagrams of FSAP

1.4.2 耗材的選擇

目前，AFSP 可實現(xiàn)鋁、鎂、鋼、鈦、鎳基合金等材料的增材制造.在AFSP 過程中，棒材和粉末材料常被用作初始材料來實現(xiàn)增材制造.Calvert 等人[39]對比了粉末與棒材分別作為初始材料的AFSP 性能.采用兩種材料的AFSP 獲得的結(jié)構(gòu)顯微組織均呈現(xiàn)等軸晶結(jié)構(gòu).但是粉末材料有更多的結(jié)合面，這將增加材料連接位置的數(shù)量，進而降低材料性能.棒材作為初始材料的AFSP 抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都較粉末的更高(圖10).

圖10 不同形貌材料力學性能Fig.10 Mechanical properties of joints under different morphology materials.(a) tensile strength；(b)yield strength；(c) elongation after fracture

1.4.3 機械結(jié)構(gòu)與設(shè)計

AFSP 過程中需要將額外的材料輸送至加工區(qū)域，因此需要一定的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)該功能.由于棒材具有一定的剛性，因此在AFSP 過程中僅需要施加一定壓力即可實現(xiàn)材料的輸送.對于粉末狀材料，不能簡單的通過施加外部壓力來實現(xiàn)AFSP.Mukhopadhyay 等人[41]設(shè)計了一套外置送料設(shè)備，實現(xiàn)粉末狀材料的AFSP(圖11).該設(shè)備通過一個壓縮機將粉末材料輸送至導管中，通過導管引流作用，將粉末材料輸送至AFSP 基板預先加工的凹槽內(nèi).這樣可有效的向粉末施加持續(xù)的壓力，同時凹槽結(jié)構(gòu)可避免粉末因攪拌頭旋轉(zhuǎn)而彌散在工作區(qū)域內(nèi).

圖11 粉末AFSP 設(shè)備Fig.11 AFSP machine using powder

1.4.4 微觀組織與性能

AFSP 顯微組織由大量的等軸晶結(jié)構(gòu)組成，并且界面冶金結(jié)合良好，具有較好的力學性能.AFSP過程中溫度僅為材料熔點的60%～ 90%，有效避免因材料熔化與凝固而造成的氣孔、熱裂紋等缺陷.同時，攪拌頭可促進晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，進而促使晶粒細化.圖12 為IN65 AFSP 零件不同區(qū)域顯微組織圖，AFSP 零件晶粒尺寸為0.26～ 1.6 μm，遠小于初始材料的30 μm.晶粒尺寸的減小使得晶界數(shù)量增多，提高材料抗外力變形的能力，進而提高材料力學性能.該結(jié)構(gòu)抗拉強度較母材提高200 MPa[42].

圖12 IN65 AFSP 零件不同區(qū)域顯微組織Fig.12 Microstructure of different areas of IN65 AFSP

Calvert 等人[39]對比了不同環(huán)境下制備的WE43 AFSP 零件性能.液氮冷卻、水冷和常溫條件下，材料均發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細化，晶粒尺寸達到2～ 2.4 μm，遠小于初始材料的15 μm.液氮冷卻的晶粒比其它兩種環(huán)境中晶粒更加細小.塑性、顯微硬度等均較初始材料有提高(圖13).AFSP 晶粒結(jié)構(gòu)取決于初始材料、熱循環(huán)特性和冷卻特性，通過合理的冷卻方式可有效提高材料硬度，并促使材料達到鍛造組織，性能超過母材.

圖13 WE43 性能Fig.13 Performance of WE43.(a) original grain; (b)AFSP grain; (c) microhardness distribution of original material; (d) microhardness distribution of AFSP

1.4.5 靜止軸肩攪拌摩擦徑向增材制造

AFSP 技術(shù)中靜止軸肩可提高增材制造過程頂鍛力，減少熱沉，提高溫度均勻性等.這將大幅度減少焊縫周圍峰值溫度，降低晶粒長大的風險，提高材料抗拉強度及顯微硬度[43].吳寶生[44]采用靜止軸肩工藝實現(xiàn)AFSP (圖14).靜止軸肩AFSP 工藝可有效減少熱輸入，提高頂鍛能力.與未使用靜止軸肩工藝相比，材料晶粒得到明顯細化，層次間結(jié)合界面無缺陷產(chǎn)生，其抗拉強度和顯微硬度分別提高5%和6%.采用靜止軸肩輔助增材制造是未來AFSP 工藝發(fā)展的重要方向之一.

圖14 基于靜軸肩攪拌摩擦焊增材制造示意圖Fig.14 Schematic diagram of FSAM assisted by stationary shoulder

上述詳細說明了3 種FSAM 技術(shù)要點，該3 種技術(shù)均通過摩擦作用促使材料的塑化與流動，進而實現(xiàn)材料間的結(jié)合.FSLW 技術(shù)采用搭接工藝實現(xiàn)增材制造，該技術(shù)對片層結(jié)構(gòu)的加工精度、平面度等技加工要求較高，同時在多次堆焊后易出現(xiàn)下部材料支撐不足而塌陷問題.但該技術(shù)使用常規(guī)攪拌摩擦焊機即可實現(xiàn)，對設(shè)備要求低.FS 技術(shù)僅通過材料間的摩擦產(chǎn)生堆積，缺少攪拌頭的機械作用，因此性能在3 種技術(shù)中最低(圖4 和圖10).但該技術(shù)通過避免對片層結(jié)構(gòu)的依賴，有效的增加FSAM技術(shù)的靈活性.而AFSP 技術(shù)作為FS 技術(shù)的改進版，通過增加攪拌頭結(jié)構(gòu)，彌補了FS 技術(shù)中缺少機械作用的缺陷，增加材料間的結(jié)合強度(圖12).因此AFSP 是目前FSAM 技術(shù)中比較具有綜合優(yōu)勢的技術(shù).

1.5 設(shè)備與控制系統(tǒng)

在FSAM 過程中，設(shè)備控制攪拌頭的轉(zhuǎn)速、移動速度、軸向速度等重要參數(shù)，進而控制FSAM 過程中熱輸入，直接決定著FSAM 零件質(zhì)量.目前最常用設(shè)備為FSW 焊機，其可以滿足FSAM 所需焊接需求，但設(shè)備柔性、靈活性較低，依據(jù)零件形貌需打印支撐結(jié)構(gòu)，這將增加材料的消耗程度，降低加工效率.為此有學者提出采用機器人裝備來實現(xiàn)FSAM，增加設(shè)備適用性進而實現(xiàn)復雜零件的增材制造.

1.5.1 攪拌摩擦增材制造設(shè)備

FSW 焊機多為龍門式焊機，可實現(xiàn)FSAM 過程中主軸傾角、偏置擺動等動作.此類設(shè)備剛性強，適用于鋼、鈦、鎳基合金等硬質(zhì)金屬的FSAM，同時針對特殊結(jié)構(gòu)，可對設(shè)備進行專業(yè)化定制以實現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)需求.目前，針對FSAM 技術(shù)，哈爾濱萬洲焊接技術(shù)有限公司開發(fā)出FSAM850 型攪拌摩擦增材制造龍門設(shè)備(圖15)，搭配壓力與數(shù)控位移系統(tǒng)，配合攪拌摩擦增材制造攪拌頭實現(xiàn)AFSP 方式的攪拌摩擦增材制造.但龍門設(shè)備靈活性較差，僅能實現(xiàn)簡單的三維結(jié)構(gòu)的增材制造.而針對某些復雜拓撲結(jié)構(gòu)增材制造，則需要更加靈活的機器人設(shè)備.

圖15 FSAM850 攪拌摩擦增材制造設(shè)備Fig.15 FSAM equipment of model FSAM850

近年來興起的工業(yè)機器人設(shè)備為FSAM 注入了新鮮血液，多軸機器人可提供最大化的生產(chǎn)一致性、最高的生產(chǎn)效率和更大的安全性，可以大幅度降低人力成本.針對某些復雜拓撲結(jié)構(gòu)的增材制造也可游刃有余.但是串聯(lián)機器人FSAM 設(shè)備因剛性不足、齒輪箱游隙等問題造成設(shè)備路徑偏移，繼而導致增材制造過程中路徑偏移、頂鍛力不足等問題，從而影響FSAM 質(zhì)量.為解決該問題，學者提出的并聯(lián)機器人設(shè)備可有效提高FSAM 機器人剛性.表2 為FSAM 設(shè)備性能的對比情況[45].

表2 FSAM 設(shè)備性能的對比Table 2 Comparison of different FSAM machines

1.5.2 控制方式及系統(tǒng)

FSAM 常采用位移控制與壓力控制兩種模式.FSLW 過程中，當采用位移模式控制時，攪拌頭在主軸作用下移動，為達到預設(shè)距離，設(shè)備將對焊接材料施加極大的軸向力，該軸向力對材料起到頂鍛作用，保證材料成形[46].但是軸向力較大時，材料會受力溢出攪拌頭覆蓋區(qū)域，形成飛邊，造成連接區(qū)域減??；同時較大的軸向力將增加材料產(chǎn)熱能力，使材料過于軟化而甩出焊接區(qū)域，進一步增加焊縫減薄量，降低焊縫承載力[47].對于摩擦堆焊工藝，由于可消耗攪拌頭在壓力作用下在基材表面摩擦而沉積[48]，其控制模式通常為壓力控制.

AFSP 工藝中軸向運動分為攪拌頭移動與材料移動.攪拌頭采用兩種控制模式均具有一定優(yōu)勢：對于位移控制模式，AFSP 可保證單層厚度的量化準確性；對于壓力控制模式，可穩(wěn)定AFSP 中壓力波動，保證材料界面間連接強度.但是對于材料移動，其壓力控制下材料運動會出現(xiàn)送料速度波動、攪拌頭中心孔堵塞等問題.因此，AFSP 工藝中材料移動方式常采用位移控制，可保證單位時間內(nèi)材料輸送數(shù)量的穩(wěn)定性，進而提高材料沉積的厚度及寬度的質(zhì)量[49].

1.6 FSAM 應(yīng)用領(lǐng)域

FSAM 技術(shù)因其效率高，質(zhì)量好等優(yōu)勢，在大型零部件的制造中具有不可比擬的優(yōu)勢，可用于輕質(zhì)金屬、硬質(zhì)合金和鎳基高溫合金等材料的增材制造，如圖16 所示.該技術(shù)可應(yīng)用于航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域，具體如下[6].

圖16 FSAM 應(yīng)用領(lǐng)域Fig.16 Application of FSAM

(1) 航空航天工業(yè)大型零部件制備與修復，如火箭箭體連接環(huán)制造、飛機肋板、機身蒙皮上的桁條等桁條結(jié)構(gòu)制造，軍/民用燃氣輪機/飛機發(fā)動機的壓縮機葉片制造與修復.

(2) 汽車行業(yè)零部件修復，如勞斯萊斯等汽車修復剎車盤、壓縮機、發(fā)動機等零部件.

(3) 船舶，核能等工業(yè)焊接應(yīng)用，如核工業(yè)屏蔽罩制備、新一代核電站用材料熔敷表層.

(4) 石油，天然氣和能源工業(yè)的大型零件.

(5) 漸變、夾心等功能梯度結(jié)構(gòu)制造.

(6) 氣密性要求較高零部件制備，如油箱、消聲器等[31].

隨著FSAM 技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，應(yīng)用領(lǐng)域從航空航天等領(lǐng)域的常規(guī)材料的增材制造轉(zhuǎn)為梯度材料、納米材料等特殊材料的增材制造.這增加增材制造技術(shù)的成熟度，擴大增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，拓寬增材制造技術(shù)應(yīng)用場景.

2 未來技術(shù)展望與挑戰(zhàn)

FSAM 技術(shù)在上述領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，特別是AFSP 技術(shù)解決了FSLW 對數(shù)控加工中心技術(shù)的嚴重依賴性和摩擦堆焊技術(shù)材料利用率低的問題，F(xiàn)SAM 技術(shù)在大型零部件增材制造、新材料制備、異種材料增材制造、納米及梯度納米材料制備和各種涂層制備等方面具有巨大的潛力.

FSAM 技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用與普及仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，具體如下.

(1) 該技術(shù)無法制造小型復雜結(jié)構(gòu)與高精度結(jié)構(gòu).攪拌頭需要較大的直徑才能夠提供充足熱輸入，沉積層最小寬度為攪拌頭直徑，故在小型復雜結(jié)構(gòu)制造中，將忽略一些細節(jié)結(jié)構(gòu).

(2) FSAM 材料會溢出攪拌頭形成飛邊，導致FSAM 加工精度較低，對后處理具有一定依賴性.

(3) FSAM 加工零件各向同性差，其具有的焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有不同的組織特性，破壞零件各向同性，惡化材料性能均勻性.

(4) 迄今為止沒有針對FSAM 技術(shù)優(yōu)化的3D建模軟件.急需一種可實現(xiàn)建模與加工同時完成的設(shè)備，這將有利于提高FSAM 使用效率，增加技術(shù)競爭力.

3 結(jié)論

(1) 隨著機器學習技術(shù)發(fā)展，越來越多的行業(yè)轉(zhuǎn)向互聯(lián)網(wǎng).FSAM 技術(shù)與機器學習技術(shù)相結(jié)合，使用舉證數(shù)據(jù)或以往經(jīng)驗優(yōu)化性能標準，通過數(shù)據(jù)擬合進行預測FSAM 成形及性能.采用最大似然法在可靠的數(shù)據(jù)集進行訓練，一方面，經(jīng)過訓練的機器學習模型和有效的預測并確定最佳工藝參數(shù)；另一方面，可實時處理原位數(shù)據(jù)以進行缺陷預測.同時，還可進行成本與質(zhì)量估算等行為，有效地提高FSAM 質(zhì)量與效率.

(2) FSAM 技術(shù)將在復雜的結(jié)構(gòu)支撐組件、蹼狀和肋形框架、漸變結(jié)構(gòu)、耐磨涂層、防腐蝕涂層、微結(jié)構(gòu)和顯微組織定制等方面找到應(yīng)用.結(jié)合機器學習、機器人應(yīng)用等新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效提高FSAM 應(yīng)用范圍，擴大應(yīng)用領(lǐng)域，降低應(yīng)用門檻，提高應(yīng)用效率.