CN110369858A - 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法，属于搅拌摩擦焊修复技术领域。所述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，包括可伸缩主轴、第一可伸缩副轴、第二可伸缩副轴和压力控制系统，第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二搅拌头连接，所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮或者第二搅拌头连接，压力控制系统包括上位机、设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器和设置在第二可伸缩副轴上的第二压力传感器。所述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法，实现修复过程稳定、修复后材料组织均匀，保证了修复的完整性，提高了修复质量。

Description

一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊修复技术领域，特别涉及一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)由英国焊接研究所于1991年提出，是一种新型固相焊接技术，具有工作效率高、节能、无污染、焊接变形小、焊缝质量高等优点，在航空航天、汽车、船舶、电子等领域有着广泛的应用。利用基于固相焊接的搅拌摩擦焊修复金属构件缺陷可以避免与熔化焊相关的裂纹、气孔等产生，并有效提高修复后构件的力学性能，这种技术现在越来越多的被用于金属构件的修复当中。

专利CN201710057732.8和CN201010531877.5公开了修复长体积缺陷方法和电弧预热搅拌摩擦塞补焊方法均集中在平面板材结构或构件的外表面修复，但现有技术不适用于工件内部及弧面等结构，尤其不能对圆筒结构的内壁缺陷进行修复，因此，急需一种能对圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦修复装置。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法，实现修复过程稳定、修复后材料组织均匀，保证了修复的完整性，提高了修复质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，安装在搅拌焊设备或机器人上，其包括可伸缩主轴、第一可伸缩副轴、第二可伸缩副轴和压力控制系统；

所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二搅拌头连接，所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮或者第二搅拌头连接；

所述压力控制系统包括上位机、设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器和设置在第二可伸缩副轴上的第二压力传感器，上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩。

上述技术方案中，可伸缩主轴固定在搅拌焊设备或机器人上，第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴沿可伸缩主轴的外周对称布置。第一压力传感器用于检测第一可伸缩副轴的轴向压力，第二压力传感器用于检测第二可伸缩副轴的轴向压力，第一压力传感器和第二压力传感器均与上位机连接，第一压力传感器和第二压力传感器将测量的压力数据传递至上位机，上位机控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴伸长或缩短。

进一步的，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接时，所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接；所述第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接时，所述第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接。

上述技术方案中，第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接，第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接，支撑轮可绕轮自身轴线自由旋转，支撑轮尺寸和结构强度依据具体待修复圆筒结构确定，可拆除更换，用于使第一搅拌头完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩擦焊；第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，两个第二搅拌头都用于修复第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔并减小第一次修复的残余应力，使晶粒细化、组织均匀。

进一步的，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接，所述旋转轴设置有电机，所述电机与上位机连接。

上述技术方案中，上位机通过控制电机进而控制旋转轴转动，旋转轴转动使第一搅拌头绕第一可伸缩副轴轴线旋转，旋转轴安装在第一可伸缩副轴的端部，第一搅拌头安装在旋转轴的末端，可拆除更换。

进一步的，所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴均分别包括依次连接的第一轴部、第二轴部和第三轴部，所述第一轴部与可伸缩主轴连接，所述第一轴部的内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的末端与第二轴部连接，用于带动第二轴部伸缩。

上述技术方案中，第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的具体布置如下：第一可伸缩副轴包括依次连接的第一轴部、第二轴部和第三轴部，第一轴部与可伸缩主轴连接，第一轴部内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆，电动伸缩杆的末端与第二轴部连接，用于带动第二轴部伸缩，第二轴部与第三轴部固连，第一压力传感器安装在第二轴部或第三轴部或第二轴部与第三轴部之间，用于检测第一可伸缩副轴的轴向压力，第三轴部的端部与旋转轴连接，旋转轴末端固定有第一搅拌头，电动伸缩杆伸长缩短使第二轴部、第三轴部、旋转轴和第一搅拌头随之前后移动；第二可伸缩副轴也包括依次连接的第一轴部、第二轴部和第三轴部，第一轴部与可伸缩主轴连接，第一轴部内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆，电动伸缩杆的末端与第二轴部连接，用于带动第二轴部伸缩，第二轴部与第三轴部固连，第二压力传感器安装在第二轴部或第三轴部或第二轴部与第三轴部之间，用于检测第二可伸缩副轴的轴向压力，第三轴部与支撑轮固定，电动伸缩杆伸长缩短使第二轴部、第三轴部和支撑轮随之前后移动。

所述第一搅拌头的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽，第一搅拌头的搅拌针为圆台型，第一搅拌头的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述第二搅拌头为半球形，第二搅拌头的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩的具体方式如下：

第一压力传感器和第二压力传感器分别检测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力，并将信号发送给上位机；当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力大于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐缩短，进而带动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴收缩，直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆停止缩短；当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力小于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐伸长，进而带动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴伸长，直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆停止伸长。

优选的，电动伸缩杆可采用现有技术，电动伸缩杆伸长缩短速度范围为1～100mm/min。

一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法，采用上述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，包括以下步骤：

S1：将待修复圆筒结构竖直放置在夹具上装夹固定，夹具对待修复圆筒结构的外壁施加向内的支撑力；

S2：第一次修复，即对位于待修复圆筒结构内壁的待修复缺陷进行修复，按如下步骤：

S2.1：将第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接，第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接，确定待修复缺陷的位置及尺寸，将待修复缺陷进行挖排，形成规则的长条形沟槽，在长条形沟槽中填充同种或异种金属并固定，第一搅拌头的轴肩尺寸覆盖长条形沟槽宽度，第一搅拌头的搅拌针长度大于沟槽深度；

S2.2：调整可伸缩主轴、第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的长度，使支撑轮与待修复圆筒结构的内壁接触，将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端，利用第一压力传感器和第二压力传感器分别探测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力，使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力相等，且均等于预设压力；上位机通过控制电机带动旋转轴转动，使第一搅拌头绕第一可伸缩副轴的轴线旋转，第一可伸缩副轴带动第一搅拌头扎入长条形沟槽中，扎入深度达到设定深度时，第一可伸缩副轴停止伸长；

步骤S2.2中，将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端即修复的起始位置；预设压力为1～20KN，优选的，预设压力为10KN；旋转轴带动第一搅拌头以500～10000转/分的速度绕第一可伸缩副轴的轴线旋转，优选的，第一搅拌头以2000转/分的速度ω₁绕第一可伸缩副轴的轴线旋转；第一可伸缩副轴带动第一搅拌头以3～5毫米/分速度扎入待修复金属沟槽中，优选的，第一可伸缩副轴以3毫米/分速度带动第一搅拌头扎入待修复金属沟槽中，在整个修复的过程中，当第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力发生变化时，上位机会随时进行调节，保证第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力相等，且均等于预设压力；

S2.3：第一搅拌头在扎入位置旋转进行预热，然后，可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴绕其轴线转动，使第一搅拌头沿长条形沟槽长度方向进行修复，直到修复完整个长条形沟槽，完成长条形金属与待修复圆筒结构的搅拌摩擦焊；

步骤S2.3中，第一搅拌头保持以2000转/分的速度ω₁旋转；第一搅拌头在扎入位置旋转进行预热的预热时间为1～100s，优选的，预热时间为10s；可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴以5～300毫米/分的线速度绕其转动，优选的，第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴以50毫米/分的线速度v₁绕可伸缩主轴旋转；

S3：第二次修复，即对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行修复，按如下步骤：

将第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔用同种或异种金属填充；分别拆掉第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴端部的旋转轴、第一搅拌头和支撑轮，并将第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的端部均分别与第二搅拌头连接，使第二搅拌头的位置与第一次修复后的区域对应，使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均与预设压力相等，可伸缩主轴旋转进而带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴旋转，对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。

步骤S3中，拆掉第一可伸缩副轴端部的旋转轴和第一搅拌头，以及第二可伸缩副轴端部的支撑轮，将第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，预设压力为1～20KN，优选的，预设压力为8KN；可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴以500～10000转/分的速度旋转，优选的，可伸缩主轴以1000转/分的速度ω₂旋转，并保持旋转1～200s，优选的，保持旋转50s；使第二搅拌头的位置与第一次修复后的区域对应是指在位置上保证可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴旋转的过程中对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。

本发明的有益效果：

1)本发明的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置适用于圆形横截面圆筒结构金属，特别适用于铝、镁等构件内壁表面的修复，通过内壁修复，延长了构件的寿命，提高了构件的整体性能；

2)第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接，第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接进行第一次修复，完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩擦焊，在第一次修复后，使第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接，对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行修复，保证了修复的完整性，并且还可减小第一次修复的焊接残余应力，提高修复质量；

3)设置预设压力，上位机动态调整第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力，改变第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸长缩短，即第一搅拌头的搅拌针压入待修复圆筒结构内壁的深度大小，使内壁修复过程稳定，修复后材料组织均匀。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的第一次修复时用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置的结构示意图，其中，图1(a)为立体结构示意图，图1(b)为主视结构示意图；

图2是本发明提供的第二次修复时用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置的结构示意图，其中，图2(a)为立体结构示意图，图2(b)为主视结构示意图；

图3是本发明图1中第一可伸缩副轴的结构示意图；

图4是本发明图1中第二可伸缩副轴的结构示意图；

图5是本发明提供的待修复圆筒结构的结构示意图；

图6是本发明提供的对待修复缺陷进行挖排后形成规则的长条形沟槽的结构示意图；

图7是本发明提供的用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法中第一次修复的示意图；

图8是本发明提供的用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法中第二次修复的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-可伸缩主轴，2-第一可伸缩副轴，3-支撑轮，4-旋转轴，5-第一搅拌头，6-第二搅拌头，7-待修复圆筒结构，8-待修复缺陷，9-长条形沟槽，10-第二可伸缩副轴，11-匙孔，12-第一轴部，13-第二轴部，14-第三轴部，15-电机，16-第一压力传感器，17-第二压力传感器，18-电动伸缩杆，19-第一次修复后的区域。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图8所示，本发明提供了一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法，实现修复过程稳定、修复后材料组织均匀，保证了修复的完整性，提高了修复质量。

如图1至图4所示，一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，安装在搅拌焊设备或机器人上，其包括可伸缩主轴1、第一可伸缩副轴2、第二可伸缩副轴10和压力控制系统，可伸缩主轴1的两侧对称设置有第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10，第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5或者第二搅拌头6连接，第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3或者第二搅拌头6连接，具体布置方式为：第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5连接时，第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3连接；第一可伸缩副轴2的端部与第二搅拌头6连接时，第二可伸缩副轴10的端部与第二搅拌头6连接，第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5通过旋转轴4连接，旋转轴4设置有电机15，电机15与上位机连接。压力控制系统包括上位机、设置在第一可伸缩副轴2上的第一压力传感器16和设置在第二可伸缩副轴10上的第二压力传感器17，上位机根据第一压力传感器16和第二压力传感器17的压力信号控制第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的伸缩，第一压力传感器16和第二压力传感器17均可采用现有技术。

本发明中，可伸缩主轴1固定在搅拌焊设备或机器人上，第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10沿可伸缩主轴1的外周对称布置。第一压力传感器16用于检测第一可伸缩副轴2的轴向压力，第二压力传感器17用于检测第二可伸缩副轴10的轴向压力，第一压力传感器16和第二压力传感器17均与上位机连接，第一压力传感器16和第二压力传感器17将测量的压力数据传递至上位机，上位机控制第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10伸长或缩短。第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5连接，第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3连接，支撑轮3可绕轮自身轴线自由旋转，支撑轮3尺寸和结构强度依据具体待修复圆筒结构7确定，可拆除更换，用于使第一搅拌头5完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩擦焊；第一可伸缩副轴2的端部与第二搅拌头6连接，第二可伸缩副轴10的端部与第二搅拌头6连接，两个第二搅拌头6都用于修复第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11并减小第一次修复的残余应力，使晶粒细化、组织均匀。上位机通过控制电机15进而控制旋转轴4转动，旋转轴4转动使第一搅拌头5绕第一可伸缩副轴2轴线旋转，旋转轴4安装在第一可伸缩副轴2的端部，第一搅拌头5安装在旋转轴4的末端，可拆除更换。

如图3和图4所示，第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10均分别包括依次连接的第一轴部12、第二轴部13和第三轴部14，第一轴部12与可伸缩主轴1连接，第一轴部12的内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆18，电动伸缩杆18的末端与第二轴部13连接，用于带动第二轴部13伸缩。第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的具体布置如下：如图3所示，第一可伸缩副轴2包括依次连接的第一轴部12、第二轴部13和第三轴部14，第一轴部12与可伸缩主轴1连接，第一轴部12内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆18，电动伸缩杆18的末端与第二轴部13连接，用于带动第二轴部13伸缩，第二轴部13与第三轴部14固连，第一压力传感器16安装在第二轴部13或第三轴部14或第二轴部13与第三轴部14之间，用于检测第一可伸缩副轴2的轴向压力，第三轴部14的端部与旋转轴4连接，旋转轴4末端固定有第一搅拌头5，电动伸缩杆18伸长缩短使第二轴部13、第三轴部14、旋转轴4和第一搅拌头5随之前后移动；如图4所示，第二可伸缩副轴10也包括依次连接的第一轴部12、第二轴部13和第三轴部14，第一轴部12与可伸缩主轴1连接，第一轴部12内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆18，电动伸缩杆18的末端与第二轴部13连接，用于带动第二轴部13伸缩，第二轴部13与第三轴部14固连，第二压力传感器17安装在第二轴部13或第三轴部14或第二轴部13与第三轴部14之间，用于检测第二可伸缩副轴10的轴向压力，第三轴部14与支撑轮3固定，电动伸缩杆18伸长缩短使第二轴部13、第三轴部14和支撑轮3随之前后移动。

作为一种优选的实施方式，第一搅拌头5的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽，第一搅拌头5的搅拌针为圆台型，第一搅拌头5的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。第二搅拌头6为半球形，第二搅拌头6的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

本发明中，上位机根据第一压力传感器16和第二压力传感器17的压力信号控制第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的伸缩的具体方式如下：

第一压力传感器16和第二压力传感器17分别检测第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力，并将信号发送给上位机；当第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10的轴向压力大于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆18使其逐渐缩短，进而带动第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10收缩，直到第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆18停止缩短；当第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10的轴向压力小于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆18使其逐渐伸长，进而带动第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10伸长，直到第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆18停止伸长。优选的，电动伸缩杆18可采用现有技术，电动伸缩杆18伸长缩短速度范围为1～100mm/min。

如图5至图8所示，一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法，采用上述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，包括以下步骤：

S1：将待修复圆筒结构7竖直放置在夹具上装夹固定，夹具对待修复圆筒结构7的外壁施加向内的支撑力(如图7和图8中待修复圆筒结构7两侧的箭头所示的支撑力方向)；

S2：如图7所示，第一次修复，即对位于待修复圆筒结构7内壁的待修复缺陷8进行修复，按如下步骤：

S2.1：将第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5通过旋转轴4连接，第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3连接，确定待修复缺陷8的位置及尺寸，将待修复缺陷8进行挖排，形成规则的长条形沟槽9，在长条形沟槽9中填充同种或异种金属并固定，第一搅拌头5的轴肩尺寸完全覆盖长条形沟槽9宽度，第一搅拌头5的搅拌针长度大于沟槽深度。

S2.2：调整可伸缩主轴1、第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的长度，使支撑轮3与待修复圆筒结构7的内壁接触，将第一搅拌头5设置在长条形沟槽9的一端，利用第一压力传感器16和第二压力传感器17分别探测第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力，使第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力相等，且均等于预设压力；上位机通过控制电机15带动旋转轴4转动，使第一搅拌头5绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转，第一可伸缩副轴2带动第一搅拌头5扎入长条形沟槽9中，扎入深度达到设定深度时，第一可伸缩副轴2停止伸长；本实施方式中，将第一搅拌头5设置在长条形沟槽9的一端即修复的起始位置；预设压力为1～20KN，优选的，预设压力为10KN；旋转轴4带动第一搅拌头5以500～10000转/分的速度绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转，优选的，第一搅拌头5以2000转/分的速度ω₁绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转；第一可伸缩副轴2带动第一搅拌头5以3～5毫米/分速度扎入待修复金属沟槽中，优选的，第一可伸缩副轴2以3毫米/分速度带动第一搅拌头5扎入待修复金属沟槽中，在整个修复的过程中，当第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力发生变化时，上位机会随时进行调节，保证第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力相等，且均等于预设压力。

S2.3：第一搅拌头5在扎入位置旋转进行预热，然后，可伸缩主轴1带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10绕其轴线转动，使第一搅拌头5沿长条形沟槽9长度方向进行修复，直到修复完整个长条形沟槽9，完成长条形金属与待修复圆筒结构7的搅拌摩擦焊；本实施方式中，第一搅拌头5保持以2000转/分的速度ω₁(第一搅拌头5转速)旋转；第一搅拌头5在扎入位置旋转进行预热的预热时间为1～100s，优选的，预热时间为10s；可伸缩主轴1带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10以5～300毫米/分的线速度绕其转动，优选的，第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10以50毫米/分的线速度v₁(第一搅拌头5绕可伸缩主轴1转动线速度)绕可伸缩主轴1旋转。

S3：如图8所示，第二次修复，即对第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11进行修复，按如下步骤：

将第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11用同种或异种金属填充；分别拆掉第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10端部的旋转轴4、第一搅拌头5和支撑轮3，并将第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的端部均分别与第二搅拌头6连接，使第二搅拌头6的位置与第一次修复后的区域19对应，使第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力均与预设压力相等，可伸缩主轴1旋转进而带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10旋转，对第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。本实施方式中，拆掉第一可伸缩副轴2端部的旋转轴4和第一搅拌头5，以及第二可伸缩副轴10端部的支撑轮3，将第一可伸缩副轴2的端部与第二搅拌头6连接，第二可伸缩副轴10的端部与第二搅拌头6连接，预设压力为1～20KN，优选的，预设压力为8KN；可伸缩主轴1带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10以500～10000转/分的速度旋转，优选的，可伸缩主轴1以1000转/分的速度ω₂(第二次修复时可伸缩主轴1的转速)旋转，并保持旋转1～200s，优选的，保持旋转50s；使第二搅拌头6的位置与第一次修复后的区域19对应是指在位置上保证可伸缩主轴1带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10旋转的过程中对第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，安装在搅拌焊设备或机器人上，其特征在于，其包括可伸缩主轴、第一可伸缩副轴、第二可伸缩副轴和压力控制系统；

所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二搅拌头连接，所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮或者第二搅拌头连接；

所述压力控制系统包括上位机、设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器和设置在第二可伸缩副轴上的第二压力传感器，上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩。

2.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接时，所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接；所述第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接时，所述第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接，所述旋转轴设置有电机，所述电机与上位机连接。

4.根据权利要求1或2所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴均分别包括依次连接的第一轴部、第二轴部和第三轴部，所述第一轴部与可伸缩主轴连接，所述第一轴部的内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的末端与第二轴部连接，用于带动第二轴部伸缩。

5.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述第一搅拌头的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽，第一搅拌头的搅拌针为圆台型，第一搅拌头的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

6.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述第二搅拌头为半球形，第二搅拌头的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

7.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，所述上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩的具体方式如下：

第一压力传感器和第二压力传感器分别检测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力，并将信号发送给上位机；当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力大于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐缩短，进而带动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴收缩，直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆停止缩短；当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力小于上位机设置的预设压力时，上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐伸长，进而带动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴伸长，直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均等于预设压力时，电动伸缩杆停止伸长。

8.一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法，采用权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待修复圆筒结构竖直放置在夹具上装夹固定，夹具对待修复圆筒结构的外壁施加向内的支撑力；

S2：第一次修复，即对位于待修复圆筒结构内壁的待修复缺陷进行修复，按如下步骤：

S2.1：将第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接，第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连接，确定待修复缺陷的位置及尺寸，将待修复缺陷进行挖排，形成规则的长条形沟槽，在长条形沟槽中填充同种或异种金属并固定，第一搅拌头的轴肩尺寸覆盖长条形沟槽宽度，第一搅拌头的搅拌针长度大于沟槽深度；

S2.2：调整可伸缩主轴、第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的长度，使支撑轮与待修复圆筒结构的内壁接触，将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端，利用第一压力传感器和第二压力传感器分别探测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力，使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力相等，且均等于预设压力；上位机通过控制电机带动旋转轴转动，使第一搅拌头绕第一可伸缩副轴的轴线旋转，第一可伸缩副轴带动第一搅拌头扎入长条形沟槽中，扎入深度达到设定深度时，第一可伸缩副轴停止伸长；

S2.3：第一搅拌头在扎入位置旋转进行预热，然后，可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴绕其轴线转动，使第一搅拌头沿长条形沟槽长度方向进行修复，直到修复完整个长条形沟槽，完成长条形金属与待修复圆筒结构的搅拌摩擦焊；

S3：第二次修复，即对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行修复，按如下步骤：

将第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔用同种或异种金属填充；分别拆掉第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴端部的旋转轴、第一搅拌头和支撑轮，并将第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的端部均分别与第二搅拌头连接，使第二搅拌头的位置与第一次修复后的区域对应，使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均与预设压力相等，可伸缩主轴旋转进而带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴旋转，对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。