CN103212778A - 基于搅拌摩擦的裂纹修复方法 - Google Patents
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Abstract
基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，主要解决现有技术修复成本高、修复质量差、裂纹反复出现的问题。该方法针对板壳类金属结构表面裂纹与贯穿裂纹进行修复，使含裂纹工件能够达到重新使用的要求。其具体方法为先根据裂纹位置、尺寸、待修复材料与结构特征等设计制造摩擦修复工具。通过修复工具的旋转实现轴肩与修复材料表面的摩擦，从而使修复区金属在摩擦热的作用下达到热塑性状态，利用修复工具轴肩的旋转与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，从而实现对裂纹的填补修复。具有方法简单，对母材损伤小，可以实现工程裂纹的快速、等强度与原位修复，修复过程经济环保。本发明可用于航空航天、船舶制造、汽车、轨道交通等领域的裂纹修复，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，适合于多种金属材料和结构的表面与贯穿裂纹修复，属于缺陷修复技术领域。
背景技术
工程结构在服役过程中由于受到外力冲击、环境腐蚀等因素影响，会在表面产生大量缺陷；工程材料也会由于加工过程(比如焊接、热处理、铸造等)在内部产生孔洞、微裂纹等缺陷。以上所述缺陷最终会导致工程结构出现表面浅裂纹或贯穿表面的深裂纹。材料或结构中危害最大的缺陷就是裂纹，裂纹往往具有多发性、突发性和重复性，并能在载荷作用下逐步扩展导致结构断裂，由裂纹引起的断裂所发生的机械零部件及金属结构的失效，是工程中最重要、最常见的失效模式。据统计，断裂事故中80%以上是由于裂纹扩展导致的，国内外的压力容器、钻井平台、石油管道、原子能反应堆、发动机壳体及叶片、飞机起落架和蒙皮等关键构件均发生过断裂事故，这些灾难性事故大多是由表面裂纹或贯穿裂纹扩展引起的。飞机、船舶、汽车、桥梁、矿山机械、冶金机械、工程机械、动力机械和起重运输机械等工程领域的各个方面都对由裂纹引起的断裂非常重视。而且随着服役时间的延长，工程构件出现裂纹的情况会越来越多，如果能够在裂纹扩展到断裂之前对之实施修复，就可以避免灾难性事故的发生，延长结构与设备的服役期限，不仅可以为企业节约大量的成本，而且可以有效保障人员生命财产不受损失。但遗憾的是目前为止，裂纹的控制和修复技术还远未达到预期。
目前，裂纹的修复方法主要有焊接、粘接、填料、补板、裁丝、激光熔覆与电子束辐照等方法。尽管现在裂纹修复的可选方法较多，但总体来说或多或少存在费时费力、劳动强度大、修复成本高、修复质量差、裂纹反复出现等缺点。因此，开发新的省时省力裂纹修复新方法，尤其是找到一种工程裂纹快速高效修复方法，已成为世界各国研究与维修部门关注的焦点。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，主要解决现有技术劳动强度大、修复成本高、修复质量差及裂纹易反复出现等缺点。本发明针对板、壳类金属结构表面裂纹与贯穿裂纹进行修复，使含裂纹工件能够达到重新使用的要求。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，根据裂纹出现的部位、裂纹尺寸、待修复材料与结构特征等设计制造搅拌摩擦修复工具，表面裂纹采用无针的修复工具；贯穿裂纹采用有针的修复工具，通过修复工具的旋转实现轴肩与修复材料表面的摩擦，从而使修复区金属在摩擦热的作用下达到热塑性状态，利用修复工具轴肩(搅拌针)的旋转搅拌与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，从而实现对裂纹的填补修复。
所述修复过程为使修复工具沿裂纹路径运行，为防止轴肩过度下压产生的表面凹陷，可以考虑添加与被修复结构同种材料的焊丝。
所述修复工具尺寸为：对于表面裂纹，轴肩直径可取5-10mm，无需搅拌针；对于贯穿裂纹，搅拌针长度长于裂纹最大深度0.5-5mm，搅拌针平均直径等于裂纹最大深度的0.9-1.1倍，轴肩直径为搅拌针直径的3-4倍。
所述修复工具材料为工具钢，对于贯穿裂纹，搅拌针表面可加工螺纹以增强热塑性材料的流动性。
本发明可修复的材料包括铝、镁、铜、钛、铅等金属及其合金，金属基复合材料及某些低强度钢材。
本发明的有益效果及特点：
1、修复过程靠摩擦生热使材料局部塑化，所以整个过程温度都处于材料熔点以下，可以有效避免修复过程对基体材料组织与性能的影响，在组织结构和性能方面实现与母材的平稳过渡，而且构件的变形和残余应力水平都较其他焊接修复方法低。
2、修复过程由于受到修复工具的搅拌摩擦作用，热塑性材料具有较高的应变速率，最终由于动态再结晶过程在修复处形成细小的等轴晶粒组织，从而可以降低裂纹在修复处重复出现的概率，而且可以实现裂纹的等强度修复。
3、修复过程简单、便捷、省时省力，可以实现工程裂纹的快速修复，与柔性设备结合可以实现平面裂纹、曲面裂纹等多种结构形式和材料的裂纹修复。
4、修复过程无烟尘、飞溅，噪音低，能耗小，无需保护气体，修复成本低，对于使用要求不高的裂纹修复甚至不需添加材料，可以实现修复过程的经济环保。
附图说明
图1为表面裂纹示意图。
图2为贯穿裂纹示意图。
图3为表面裂纹修复工具示意图。
图4为贯穿裂纹修复工具示意图。
图5为表面裂纹修复过程示意图。
图6为贯穿裂纹修复过程示意图。
图7为2A12贯穿裂纹修复区等轴再结晶组织图。
具体实施方式
如图1-2所示，工程结构由于服役过程受到外部载荷与环境影响，会产生表面裂纹与贯穿裂纹，本发明可对板壳类构件表面裂纹与贯穿裂纹进行修复，如图5-6所示，通过修复工具与被修复材料之间的旋转摩擦搅拌与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，修复区与基体可实现平稳过渡。其工艺方法为：
1、根据工程结构裂纹的部位、尺寸、基体材料等特征设计加工搅拌摩擦修复工具。
2、对出现裂纹部位进行打磨以去除氧化皮与表面污垢。
3、将含裂纹试件刚性固定于工作台，利用高速旋转的修复工具轴肩与待修复件表面的摩擦使裂纹周围金属达到热塑性状态(没有熔化)，然后利用修复工具的搅拌与顶锻作用实现热塑性金属的流动转移，从而实现对裂纹缝隙的填补，通过热塑性材料的动态再结晶实现修复区金属的冶金结合。
4、对修复区进行去毛刺与飞边处理，对修复件进行热处理。(此步骤为可选)
实施例1
6毫米厚6063-T6铝合金板表面长直裂纹的修复，裂纹深度1毫米，长度为150毫米，具体步骤如下：
1、选取普通工具钢作为搅拌摩擦修复工具材料，无需搅拌针，如图3，轴肩直径设计为5mm，加工完成后进行调质处理。
2、利用砂纸对裂纹周围表面进行打磨以去除氧化皮与表面污垢。
3、将待修复件刚性固定于沈阳航空航天大学国防数字化制造重点学科实验室搅拌摩擦焊机工作台上。
4、选取修复工具旋转速度为1000转/分，行进速度为100毫米/分，轴肩下压量为0.2mm，主轴倾角为3度，使修复工具沿裂纹起始端运行至裂纹末尾端，对裂纹实施修复。
5、对修复区进行去毛刺与飞边处理，对修复件进行T6热处理。
用该工艺方法修复的6063-T6铝合金板通过X射线、荧光检测未发现裂纹与其他缺陷。
实施例2
4毫米厚2A12-T4铝合金板贯穿裂纹的修复，裂纹深度3毫米，长度为100毫米，具体步骤如下：
1、选取普通工具钢作为搅拌摩擦修复工具材料，采用锥形带螺纹搅拌针，如图4，长3.5mm，平均直径为3mm，表面车削浅螺纹，轴肩直径设计为10mm，加工完成后进行调质处理。
2、利用砂纸对裂纹周围表面进行打磨以去除氧化皮与表面污垢。
3、将待修复件刚性固定于沈阳航空航天大学国防数字化制造重点学科实验室搅拌摩擦焊机工作台上。
4、选取修复工具旋转速度为1200转/分，行进速度为80毫米/分，轴肩下压量为0.5mm，主轴倾角为3度，使修复工具沿裂纹起始端运行至裂纹末尾端，对裂纹实施修复。
5、对修复区进行去毛刺与飞边处理，对修复件进行T4热处理。
用该工艺方法修复的2A12-T4铝合金板通过X射线、荧光检测未发现裂纹与其他缺陷，修复区动态再结晶金相组织如图7。
实施例3
与实施例1不同之处是：
15mm厚6063-T6铝合金厚板出现的5mm贯穿裂纹的修复，修复工具形式为锥形螺纹带搅拌针，搅拌针平均直径5mm，长度6mm，轴肩直径20mm。修复之前沿裂纹添加直径1.5mm的6063铝丝，之后对裂纹进行修复，工艺参数为旋转速度为1500转/分，行进速度为60毫米/分，轴肩下压量为1mm，修复完成后进行去毛刺与飞边处理，对修复件进行T6热处理。
用该工艺方法修复的6063-T6铝合金板通过X射线、荧光检测未发现裂纹与其他缺陷。
对于铝、镁等合金，修复工具材料选用普通工具钢；而对于钢材、钛合金高熔点材料，修复工具宜采用具有高温强韧性的特种材料，例如：多晶立方氮化硼(PCBN)。
Claims (9)
1.一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：该方法根据裂纹出现的部位、裂纹尺寸与待修复材料与结构特征设计制造搅拌摩擦修复工具，表面裂纹采用无针修复工具；贯穿裂纹采用有针的修复工具，通过修复工具的旋转实现轴肩与修复材料表面的摩擦，从而使修复区金属在摩擦热的作用下达到热塑性状态，利用修复工具轴肩，即：搅拌针的旋转搅拌与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，从而实现对裂纹的填补修复。
2.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：所述修复工具的尺寸为：对于表面裂纹，轴肩直径可取5-10mm，无需搅拌针；对于贯穿裂纹，搅拌针长度长于裂纹最大深度0.5-5mm，搅拌针平均直径等于裂纹最大深度的0.9-1.1倍，轴肩直径为搅拌针直径的3-4倍。
3.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：所述修复工具材料为工具钢，对于贯穿裂纹，搅拌针表面加工有螺纹。
4.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：修复之前对裂纹周围表面进行打磨以去除氧化皮与表面污垢。
5.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：修复工艺过程为：选定修复工具旋转速度、运行速度、轴肩下压量、主轴倾角，使修复工具沿裂纹路径起始端运行至末尾端，完成裂纹修复。
6.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：所述修复过程根据轴肩下压量与修复件使用性能要求，添加与被修复结构同种材料的焊丝，以防止修复区过度凹陷。
7.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：修复完成后进行去毛刺与飞边处理，对修复件进行热处理。
8.如权利要求3所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：对于铝、镁合金，修复工具材料选用普通工具钢；而对于钢材、钛合金高熔点材料，修复工具宜采用具有高温强韧性的特种材料。
9.如权利要求8所述的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，其特征在于：所述的具有高温强韧性的特种材料选用多晶立方氮化硼。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130724 |