CN112059530B - 一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置及方法，其中装置包括微型冲击头、超声冲击工具头、超声波变幅杆和气压辅助式超声冲击模块。微型冲击头的下端为外凸曲面，多个微型冲击头密排且下端形成的包络面与待强化的凹槽的槽底形状相适应；微型冲击头的上端固定于超声冲击工具头上；超声冲击工具头固定于超声波变幅杆上；超声波变幅杆安装于气压辅助式超声冲击模块上，气压辅助式超声冲击模块用于调节超声波变幅杆的姿态。相比于现有技术，本发明的微型冲击头可以依据实际情况随时进行形状调整，从而保证了每一次都能充分的对待加工表面进行超声冲击强化、形成细密、规则的超声冲击强化眼。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面强化技术领域，特别是涉及一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置及方法。
背景技术
随着社会和科技的发展，对材料和结构的性能要求也逐步增加，性能单一的材料结构以及传统的工业制造难以满足当今现代化工业的生产要求。目前，工程机械、矿山机械和建材机械中的各种承受冲击载荷作用下，衬板结构表面强化层耐磨损性能差、易脱落。传统的单一耐磨金属材料(Mn13)在矿山机械的服役工期越来越短，高性能的复合材料和复合结构的制备成为现代工业进步的难题。
陶瓷颗粒具有高硬度、低模量以及高耐磨的特点，作为陶瓷颗粒之一的碳化钨，和铁之间润湿性良好，几乎所有的钢铁材料都可作为碳化钨增强颗粒的基体，而且与其他金属陶瓷(如碳化钛)可以相比易于获得。
针对矿山机械中衬板结构表面强化层耐磨损性能差、易脱落的问题，国内外研究者均提出许多材料加工方法对表面强化层进行改进。
辽宁工程技术大学的时海芳、李晓东、马壮、李智超的研究及金川集团和西安交通大学的宋怀江、张国赏的研究表明了碳化钨颗粒对高锰钢基复合材料的耐磨性能的增强有着很大的提高。
西安建筑科技大学的程仕李、钟黎声、付永红的研究中对多种碳化钨增强钢铁基复合材料主要制备方法进行了试验，例如粉末冶金法、激光熔覆法、原位生成复合法等。然而，矿山机械的服役工况复杂，激光制备的复合强化层过薄，使用寿命较短；粉末冶金方法需要对整体结构加热，对整体结构的组织稳定性会产生不利影响；原位生成复合法难以进行精确控制，且容易生成杂质。
同时，国内目前的超声冲击强化材料表面性能的设备单一，只能进行单一平面的强化，且强化效果不均匀，在具体的操作及使用情况中强化效果往往不够理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置及方法，通过在焊丝中添加WC颗粒，并采用CMT焊接技术将WC颗粒过渡到基体表面的盲孔和斜坡凹槽结构中，同时采用微型冲击头对基材及每一层强化层都进行超声冲击强化，最终形成表面强化复合结构。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，包括：
微型冲击头，所述微型冲击头的下端为外凸曲面，多个所述微型冲击头密排且下端形成的包络面与待强化的凹槽的槽底形状相适应；
超声冲击工具头，所述微型冲击头固定于所述超声冲击工具头上；
超声波变幅杆，所述超声冲击工具头固定于所述超声波变幅杆上；
气压辅助式超声冲击模块，所述超声波变幅杆安装于所述气压辅助式超声冲击模块上，所述气压辅助式超声冲击模块用于调节所述超声波变幅杆的姿态。
优选地，所述微型冲击头包括微型冲击头前端和微型冲击头后端，所述微型冲击头前端的下端为所述外凸曲面，所述微型冲击头前端与所述微型冲击头后端相连，所述微型冲击头后端具有外螺纹，所述微型冲击头后端的端部开有微型冲击头螺丝刀槽，所述超声冲击工具头具有与所述外螺纹匹配的内螺纹孔。
优选地，所述微型冲击头螺丝刀槽为一字型槽或十字型槽。
优选地，所述微型冲击头前端为圆柱状结构。
优选地，所述超声冲击工具头通过铆钉安装于所述超声波变幅杆上。
优选地，还包括机床、焊枪、焊接机器人和气瓶，所述焊接机器人夹持所述焊枪，所述机床用于放置工件，所述气瓶为所述焊枪提供保护气以及为所述气压辅助式超声冲击模块提供气压。
本发明还公开了一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的方法，采用上述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，包括如下步骤：
S1、将高强钢材依据需求在需要进行强化的表面开出凹槽；若是进行高强钢的表面修复，则无需处理；
S2、将钢材及凹槽表面清理干净，去除表面的氧化膜及油污、杂物；若是进行高强钢的表面修复，则将高强钢基材破损断裂处及周围的表面进行清理，去除杂物、油污、氧化膜；
S3、采用微型冲击头对凹槽内部或断裂面进行超声冲击，在凹槽表面或断裂面形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大堆焊材料与基体之间的接触面积，增强熔覆效果；
S4、采用CMT焊接方法将添加有WC颗粒的焊丝堆焊进凹槽或裂口中，形成表面强化复合结构；
S5、采用微型冲击头对已经堆焊完毕的堆焊层进行形状匹配后再强化处理，使堆焊层表面也形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大两层熔覆层之间的接触面积，增强熔覆效果；
S6、停止操作；或者重复步骤S4、S5，通过堆焊形成多层的复合结构，直至完成表面结构增强或修复。
优选地，步骤S3具体为，首先将超声冲击工具头从超声波变幅杆上拆卸下来，放置在待加工工件的待加工面上，利用螺丝刀调节微型冲击头的高低，最终使整个密排的微型冲击头下端形成的包络面与工件的待加工面相重合，然后将超声冲击工具头装回超声波变幅杆，用铆钉拧紧，通过调节气压辅助式超声冲击模块使微型冲击头为最佳工作姿态，最后对待加工平面进行超声冲击强化。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明将WC颗粒强化的熔覆层和基体组成复合结构，熔覆层能提抗高磨损性能、基体层能够抑制冲击过程中的裂纹扩展、防止复合区域脱落，利用自适应微型冲击头对基体及每一层熔覆层进行超声冲击，在基体及每一层熔覆层表面形成规则细密的超声冲击强化眼，增大熔覆面积，加强基材与熔覆层、熔覆层与熔覆层之间的结合效果。综合作用达到提高钢基复合结构表面的抗冲击磨损性能的目的。
本发明选择采用的CMT堆焊技术，既不会产生过多杂质，对整体结构的组织稳定性产生影响，也提高了在工业化生产中的制备效率。在制备过程中采用了挖槽堆焊，使得综合形成的复合层具有一定的厚度，大幅提高了使用寿命。本发明提出的自适应微型冲击头，可以依据实际情况随时进行形状调整，从而保证了每一次都能充分的对待加工表面进行超声冲击强化、形成细密、规则的超声冲击强化眼。相较于其他单纯的复合材料表层，本发明形成的复合结构在抗冲击磨损性能上要更加具有优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置的整体结构示意图；
图2为微型冲击头的结构示意图；
图3为超声冲击工具头与微型冲击头的连接方式示意图；
图4为本实施例增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置加工梯形槽时一个视角下的局部结构示意图；
图5为本实施例增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置加工梯形槽时另一个视角下的局部结构示意图；
图6为本实施例增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置加工矩形槽时局部结构示意图；
图7为本实施例增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置加工半圆形槽时局部结构示意图；
图8为经超声冲击后的工件示意图；
图9为CMT焊接过程示意图；
图10为堆焊完一层强化层后再进行超声冲击的效果示意图；
附图标记说明：1-焊枪；2-工件；3-机床；4-超声波变幅杆；5-焊接机器人；6-气瓶；7-微型冲击头；8-超声冲击工具头；9-混合了碳化钨颗粒的焊丝；10-已堆焊完的堆焊层；11-微型冲击头前端；12-微型冲击头后端；13-微型冲击头螺丝刀槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置及方法，通过在焊丝中添加WC颗粒，并采用CMT焊接技术将WC颗粒过渡到基体表面的盲孔和斜坡凹槽结构中，同时采用微型冲击头对基材及每一层强化层都进行超声冲击强化，最终形成表面强化复合结构。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-10所示，本实施例提供一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，包括微型冲击头7、超声冲击工具头8、超声波变幅杆4和气压辅助式超声冲击模块。
其中，微型冲击头7的下端为外凸曲面，外凸曲面用于在工件2需要进行强化的凹槽表面、或者在已经堆焊完毕的堆焊层10上形成冲击强化眼。多个微型冲击头7密排，微型冲击头7下端形成的包络面与待强化的凹槽的槽底形状相适应。微型冲击头7固定于超声冲击工具头8上，超声冲击工具头8固定于超声波变幅杆4上，超声波变幅杆4安装于气压辅助式超声冲击模块上，气压辅助式超声冲击模块用于调节超声波变幅杆4的姿态。
为了便于对超声冲击工具头8的位置进行调整，从而使微型冲击头7下端11形成的包络面与待强化的凹槽的槽底形状相适应，本实施例中，微型冲击头7包括微型冲击头前端11和微型冲击头后端12，微型冲击头前端11的下端为外凸曲面，微型冲击头前端11与微型冲击头后端12相连，微型冲击头后端12具有外螺纹，微型冲击头后端12的端部开有微型冲击头螺丝刀槽13，超声冲击工具头8具有与外螺纹匹配的内螺纹孔。将螺丝刀的刀头插入微型冲击头螺丝刀槽13后，通过旋转螺丝刀即可改变微型冲击头7在超声冲击工具头8上的安装高度。
本实施例中，微型冲击头螺丝刀槽13为一字型槽，微型冲击头前端11为圆柱状结构，本领域技术人员也可根据需要选择十字型槽等其它结构的刀槽，以及选择长方体等其它柱状结构作为微型冲击头前端11。
超声冲击工具头8的安装方式有多种，为了便于装拆，本实施例中超声冲击工具头8通过铆钉安装于超声波变幅杆4上。
进一步的，为了便于进行CMT焊接作业，提高加工效率，本实施例还包括机床3、焊枪1、焊接机器人5和气瓶6。焊接机器人5夹持焊枪1，机床3用于放置工件2，气瓶6为焊枪1提供保护气以及为气压辅助式超声冲击模块提供气压。
本实施例还提供一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的方法，采用上述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，包括如下步骤：
S1、将高强钢材依据需求在需要进行强化的表面开出凹槽；若是进行高强钢的表面修复，则无需处理；
S2、将钢材及凹槽表面清理干净，去除表面的氧化膜及油污、杂物；若是进行高强钢的表面修复，则将高强钢基材破损断裂处及周围的表面进行清理，去除杂物、油污、氧化膜；
S3、采用微型冲击头7对凹槽内部或断裂面进行超声冲击，在凹槽表面或断裂面形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大堆焊材料与基体之间的接触面积，增强熔覆效果；
S4、采用CMT焊接方法将添加有WC颗粒的焊丝9堆焊进凹槽或裂口中，形成表面强化复合结构；
S5、采用微型冲击头7对已经堆焊完毕的堆焊层10进行形状匹配后再强化处理，使堆焊层10表面也形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大两层熔覆层之间的接触面积，增强熔覆效果；
S6、停止操作；或者重复步骤S4、S5，通过堆焊形成多层的复合结构，直至完成表面结构增强或修复。
其中，步骤S3具体为，首先将超声冲击工具头8从超声波变幅杆4上拆卸下来，放置在待加工工件2的待加工面上，利用螺丝刀调节微型冲击头7的高低，最终使整个密排的微型冲击头7下端形成的包络面与工件2的待加工面相重合，然后将超声冲击工具头8装回超声波变幅杆4，用铆钉拧紧，通过调节气压辅助式超声冲击模块使微型冲击头7为最佳工作姿态，最后对待加工平面进行超声冲击强化。
由于微型冲击头7的分布方式可以根据需要进行调整，可用于适配各种非单一平面的超声冲击强化，依据各种非单一平面的具体情况做出调节，使材料表面的超声强化更均匀，效果更好。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，其特征在于，包括：
微型冲击头，所述微型冲击头的下端为外凸曲面，多个所述微型冲击头密排且下端形成的包络面与待强化的凹槽的槽底形状相适应；
超声冲击工具头，所述微型冲击头固定于所述超声冲击工具头上；
超声波变幅杆，所述超声冲击工具头固定于所述超声波变幅杆上；
气压辅助式超声冲击模块，所述超声波变幅杆安装于所述气压辅助式超声冲击模块上，所述气压辅助式超声冲击模块用于调节所述超声波变幅杆的姿态；
还包括机床、焊枪、焊接机器人和气瓶，所述焊接机器人夹持所述焊枪，所述机床用于放置工件，所述气瓶为所述焊枪提供保护气以及为所述气压辅助式超声冲击模块提供气压；
所述微型冲击头包括微型冲击头前端和微型冲击头后端，所述微型冲击头前端的下端为所述外凸曲面，所述微型冲击头前端与所述微型冲击头后端相连，所述微型冲击头后端具有外螺纹，所述微型冲击头后端的端部开有微型冲击头螺丝刀槽，所述超声冲击工具头具有与所述外螺纹匹配的内螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，其特征在于，所述微型冲击头螺丝刀槽为一字型槽或十字型槽。
3.根据权利要求1所述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，其特征在于，所述微型冲击头前端为圆柱状结构。
4.根据权利要求1所述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，其特征在于，所述超声冲击工具头通过铆钉安装于所述超声波变幅杆上。
5.一种增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的方法，采用如权利要求1-4任意一项所述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将高强钢材依据需求在需要进行强化的表面开出凹槽；若是进行高强钢的表面修复，则无需处理；
S2、将钢材及凹槽表面清理干净，去除表面的氧化膜及油污、杂物；若是进行高强钢的表面修复，则将高强钢基材破损断裂处及周围的表面进行清理，去除杂物、油污、氧化膜；
S3、采用微型冲击头对凹槽内部或断裂面进行超声冲击，在凹槽表面或断裂面形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大堆焊材料与基体之间的接触面积，增强熔覆效果；
S4、采用CMT焊接方法将添加有WC颗粒的焊丝堆焊进凹槽或裂口中，形成表面强化复合结构；
S5、采用微型冲击头对已经堆焊完毕的堆焊层进行形状匹配后再强化处理，使堆焊层表面也形成细密、规则的微小超声冲击强化眼，增大两层熔覆层之间的接触面积，增强熔覆效果；
S6、停止操作；或者重复步骤S4、S5，通过堆焊形成多层的复合结构，直至完成表面结构增强或修复。
6.根据权利要求5所述的增强钢基表面复合结构或钢基表面修复的方法，其特征在于，步骤S3具体为，首先将超声冲击工具头从超声波变幅杆上拆卸下来，放置在待加工工件的待加工面上，利用螺丝刀调节微型冲击头的高低，最终使整个密排的微型冲击头下端形成的包络面与工件的待加工面相重合，然后将超声冲击工具头装回超声波变幅杆，用铆钉拧紧，通过调节气压辅助式超声冲击模块使微型冲击头为最佳工作姿态，最后对待加工平面进行超声冲击强化。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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