CN114682902A - 一种摩擦修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦修复方法，包括修整缺陷部位以形成规则的槽/孔和填补槽/孔两个步骤；本申请公开的技术方案相对于现有的熔焊技术，由于无需将工件和修复头加热至熔融状态，从而节省了能量、缩短了时间，降低了修复成本；同时，非熔融状态下的工件和修复头在冷却过程中不会像熔融状态下的材料凝固时易产生气孔、热裂纹、夹杂等缺陷，从而能够提升修复部位的力学性能，且由于动态组织演化，包括连续和非连续的动态再结晶机制，缺陷部位的材料具有显著的细化、等轴晶粒组织特征，能够有效避免因强度降低而影响工件使用的情况发生。
Description
技术领域
本发明主要涉及材料修复技术领域，尤其涉及一种摩擦修复方法。
背景技术
大量的用于船舶、航空航天、汽车工业、钢铁制造、国防军工等领域的大型零部件是通过浇铸生产、再经锻造等一系列加工成型的。这种铸锻件在生产加工环节难以避免出现缩孔、砂眼、裂纹等缺陷，且结构件在使用过程中会因腐蚀、磨损、热疲劳等产生严重的表面甚至内部损伤。如因上述缺陷、损伤直接报废工件则会极大地推高成本，因此，需要通过技术手段对工件进行修复。
现有的修复技术包括气体保护焊、激光焊、丝弧增材修复等熔焊方法。这些修复方法均是通过加热熔化材料，在共凝固过程中形成冶金结合。但以上修复方法在凝固过程中容易形成气孔、热裂纹、夹杂等缺陷，并且缺陷附近的晶粒会长大，这会降低工件的力学性能，且这种熔融修复的部分强度低，会影响工件的继续使用。因此，如何在修复过程中以非熔化形式避免热裂纹和高残余应力并通过密集的材料流动形成强冶金结合，从而提升修复质量，成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种不产生熔融填料的摩擦修复方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种摩擦修复方法，包括以下步骤：
步骤S1，修整缺陷部位以形成规则的槽/孔；
步骤S2，填补槽/孔；
所述步骤S1具体包括：
步骤S11，探伤，确定工件的缺陷大小、形状和位置；
步骤S12，沿缺陷边缘由工件表面向内部进去除缺陷部位周边部分以形成规则的槽/孔；
所述步骤S2具体包括：
步骤S21，修复头探入槽/孔并旋转移动以使修复头与槽/孔内壁摩擦生热至均呈半流体状；
步骤S22，呈半流体状的修复头填满槽/孔、且与呈半流体状的槽/孔内壁交融形成冶金结合后停止旋转；
步骤S23，移除剩余的修复头，槽/孔内物质冷却固化。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述步骤S21具体包括：
步骤S211，向主控器分别输入修复头和工件的熔点值；
步骤S212，主控器控制修复头探入槽/孔并旋转，且在与槽/孔发生挤压的同时沿内壁移动；
步骤S213，获取修复头与工件接触点的温度值并与熔点值进行比较；
步骤S214，当温度值不足修复头与工件中较低的熔点值的50％时，主控器调控修复头提高转速或/和增大压强；
步骤S215，当温度值超过修复头与工件中较高的熔点值的90％时，主控器调控修复头降低转速或/和减小压强。
在所述步骤S2前，还包括清理槽/孔；具体包括去除槽/孔内的残留碎屑、油污和氧化膜中的一项或多项。
在所述步骤S2前，还包括预热；采用物理加热方式升高工件和修复头的温度。
在所述步骤S2前，还包括在槽/孔中填入结合物质。
在所述步骤S21后，还包括修复头下移；修复头在下移过程中，上端未软化的修复头对下端半流体状态的修复头造成挤压，以将半流体状态的修复头压入槽/孔、形成结合。
在实施所述步骤S2的同时于槽/孔处采取用于避免工件或/和修复头高温氧化的气氛保护措施。
在实施所述步骤S11时，采用物理探伤；具体包括X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤、γ射线探伤、渗透探伤和三维扫描中的一项或多项。
修复头用于探入槽/孔的一端的外形与槽/孔形状适配，包括圆柱体、圆锥形、圆台体或多级阶梯体中的任一项。
修复头用于探入槽/孔的一端外表面形成用于增大摩擦的螺旋结构、凸齿结构或磨砂结构中的任一项。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明公开的摩擦修复方法基于搅拌摩擦技术，能够针对不同类型的零件缺陷，使用具有特定几何结构的修复头通过快速旋转摩擦进给，使工件与修复头之间形成固态冶金结合，完成修复。本申请公开的技术方案相对于现有的熔焊技术，由于无需将工件和修复头加热至熔融状态，从而节省了能量、缩短了时间，降低了修复成本；同时，非熔融状态下的工件和修复头在冷却过程中不会像熔融状态下的材料凝固时易产生气孔、热裂纹、夹杂等缺陷，从而能够提升修复部位的力学性能，且由于动态组织演化，包括连续和非连续的动态再结晶机制，缺陷部位的材料具有显著的细化、等轴晶粒组织特征，能够有效避免因强度降低而影响工件使用的情况发生。
附图说明
图1是摩擦修复方法的流程图；
图2是工件修复后的金相拼图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本实施例的摩擦修复方法，包括以下步骤：
步骤S1，修整缺陷部位以形成规则的槽/孔；
步骤S2，填补槽/孔；
步骤S1具体包括：
步骤S11，探伤，确定工件的缺陷大小、形状和位置；
步骤S12，沿缺陷边缘由工件表面向内部进给去除缺陷部位周边部分以形成规则的槽/孔；
步骤S2具体包括：
步骤S21，修复头探入槽/孔并旋转移动以使修复头与槽/孔内壁摩擦生热至均呈半流体状；
步骤S22，呈半流体状的修复头填满槽/孔、且与呈半流体状的槽/孔内壁交融形成冶金结合后停止旋转；
步骤S23，移除剩余的修复头，槽/孔内物质冷却固化。
本发明公开的摩擦修复方法基于搅拌摩擦技术，能够针对不同类型的零件缺陷，使用具有特定几何结构的修复头通过快速旋转摩擦进给，使工件与修复头之间形成固态冶金结合，完成修复。本申请公开的技术方案相对于现有的熔焊技术，由于无需将工件和修复头加热至熔融状态，从而节省了能量、缩短了时间，降低了修复成本；同时，非熔融状态下的工件和修复头在冷却过程中不会像熔融状态下的材料凝固时易产生气孔、热裂纹、夹杂等缺陷，从而能够提升修复部位的力学性能，且由于动态组织演化，包括连续和非连续的动态再结晶机制，缺陷部位的材料具有显著的细化、等轴晶粒组织特征，能够有效避免因强度降低而影响工件使用的情况发生。
通过实施步骤S11，首先确定工件的缺陷大小、形状和位置，同时也能探明缺陷类型(如裂纹、坑蚀、孔洞)，为后续的开槽/孔划定范围，减少损伤工件的完好部位。
在实施步骤S12时，以由工件表面向其内部进给的方式，沿步骤S11所探明的缺陷边缘依次向内去除工件材料，从而能够形成槽或孔状空缺。优选地，为了便于后续步骤的实施，在对缺陷部位进行成孔/槽后，进行修饰作业，即将空缺修正成基本规则的形状。
实施步骤S21和步骤S22时，修复头以旋转状态探入槽/孔内，或先探入槽/孔内再启动旋转，修复头贴紧并挤压槽/孔侧壁及底板，产生摩擦。通过摩擦，修复头与槽/孔内壁同时生热，当温度上升至一定程度后，修复头与槽/孔内壁同时或先后呈半流体状，此时修复头呈半流体状的部分将因重力向下滑落至槽/孔中，且槽/孔内壁呈半流体状的部分也将在重力作用下向空缺中坍落，高速旋转的修复头在空缺中搅动两种半流体状物质，促使其交融、形成冶金结合，而后修复头停止旋转，待填补于槽/孔中的物质冷却固化。
优选地，修复头具有三个运动维度，分别是绕自身轴线旋转、沿轴线延伸方向进给和沿垂直轴线方向横移，其中，旋转速率为300-3000r/min，进给速率为10-200mm/min，横移速率为0-100mm/min。在上述速率范围内的运动能够更好地调节修复头与槽/孔内壁的摩擦强度，从而对接触温度实现间接控制。
本实施例中，步骤S21具体包括：
步骤S211，向主控器分别输入修复头和工件的熔点值；
步骤S212，主控器控制修复头探入槽/孔并旋转，且在与槽/孔发生挤压的同时沿内壁移动；
步骤S213，获取修复头与工件接触点的温度值并与熔点值进行比较；
步骤S214，当温度值不足修复头与工件中较低的熔点值的50％时，主控器调控修复头提高转速或/和增大压强；
步骤S215，当温度值超过修复头与工件中较高的熔点值的90％时，主控器调控修复头降低转速或/和减小压强。
修复头与工件材料的成分相同或为同类材料或异种材料，修复头与工件处于半流体状态时的温度范围存在交集，即在某温度区间内修复头与工件能够同时处于半流体状态，且修复头与工件中熔点较低者在达到对方熔点值的90％时仍未熔融。在修补过程中，对于温度的控制至关重要，当温度过低时，修复头与工件不能软化，从而无法融合；当温度过高时，可能导致修复头或/和工件熔化，从而产生于熔焊相同的缺陷、影响力学性能。
通过实施步骤S211，使作为控制系统的主控器能够根据修复头和工件的熔点值准确调控接触点的温度，即给定了主控器参考数值，避免温度超出预设范围。
在实施步骤S212时，主控器向夹持有修复头的旋转机械发送指令，旋转机械根据指令将修复头的末端探入槽/孔中并启动旋转(或旋转机械根据指令启动旋转并将修复头的末端探入槽/孔中)，此时旋转机械朝向槽/孔底板方向进给、并朝向槽/孔侧壁方向横移，使修复头端部与槽/孔底板发生挤压、侧部与槽/孔侧壁发生挤压，在旋转运动中，修复头与槽/孔形成相对位移，即产生摩擦。不仅如此，通过主控器持续发出的横移指令，旋转机械驱动修复头时刻改变与槽/孔侧壁的接触位置，以能够与槽/孔各处发生摩擦、均匀提升槽/孔各处温度。
在实施步骤S212的过程中，同时实施步骤S213，温度传感器将实时采集到的修复头与工件接触点的温度值反馈至主控器，主控器将该值与步骤S211中输入的熔点值进行比较、计算，当温度值不足修复头与工件中较低的熔点值的50％时，实施步骤S214，通过提高转速或/和增大压强的形式加强摩擦、提升温度；当温度值超过修复头与工件中较高的熔点值的90％时，实施步骤S215，通过降低转速或/和减小压强的形式减弱摩擦、降低温度，从而能够将温度始终控制在最优区间内。
本实施例中，在步骤S2前，还包括清理槽/孔；具体包括去除槽/孔内的残留碎屑、油污和氧化膜中的一项或多项。
通过清理槽/孔，能够为后续的填补槽/孔提供更优的实施环境。若槽/孔中残留有碎屑，其与高速旋转的修复头发生碰撞时可能从槽/孔中溅出，一旦冲向人体便可能造成损伤。而槽/孔内的油污和氧化膜均有可能残留于填充物中，从而影响填充物的力学性能，因此必须清除。
本实施例中，在步骤S2前，还包括预热；采用物理加热方式升高工件和修复头的温度。工件为导热系数较大的材料时，例如铝合金、铜合金等，为了避免修复头的摩擦导致温度陡升、影响修复区域附近的结构性能，在填补槽/孔前可进行预热，以减缓温度变化。并且，为了避免升温过程造成槽/孔产生另类物质，需采用物理加热方式。
本实施例中，在步骤S2前，还包括在槽/孔中填入结合物质。在槽/孔中填入的结合物质呈粉末或颗粒状，当修复头压向槽/孔时，结合物质介于其间，摩擦过程中，结合物质的存在能够有效增强接触面的粗糙程度，进而增大摩擦、提升温度。结合物质可以选用与工件或修复头的材料一致的碎屑，其在摩擦过程中同步软化；也可以选用与工件或修复头的材料不同的碎屑，其融合进入工件缺损部位以改善材料性能。
本实施例中，在所述步骤S21后，还包括修复头下移；修复头在下移过程中，上端未软化的修复头对下端半流体状态的修复头造成挤压，以将半流体状态的修复头压入槽/孔、形成结合。
为了促进半流体状的修复头与半流体状的槽/孔壁进一步融合，通过下移修复头的方式、利用上端未软化的修复头对下端已处于半流体状的修复头进行挤压，利用压力将半流体状的修复头挤入槽/孔。相对于自然流落，施加压力后的半流体状的修复头将更为伸入地插进槽/孔之中，从而与半流体状的槽/孔内壁形成交融、结合。
本实施例中，在步骤S2后，还包括机加工；具体包括对完成填补槽/孔的工件去除凸出槽/孔边缘的填充物、去除毛刺飞边和打磨抛光中的一项或多项。
为了进一步提升工件的修复质量，在步骤S2后进行机加工，对完成填补槽/孔的工件去除凸出槽/孔边缘的填充物、去除毛刺飞边或打磨抛光，以便工件在完成修复后能够直接使用。
本实施例中，在实施步骤S2的同时于槽/孔处采取用于避免工件或/和修复头高温氧化的气氛保护措施。
对于在高温下易氧化的材料，如镁合金、钛合金等，为了避免摩擦生热过程中材料受热氧化产生的另类物质夹杂于填充物中降低结构性能，需采取气氛保护措施，将实施步骤S2的环境置于气氛保护范围内，从而能够有效避免或减缓氧化。
本实施例中，在实施步骤S11时，采用物理探伤；具体包括X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤、γ射线探伤、渗透探伤和三维扫描中的一项或多项。在进行步骤S12时，采用机械加工；具体包括车、铣、刨、磨、钻、锯和镗中的一项或多项。
为了避免在探伤和机加工过程中生成另类物质或对工件结构造成损坏，均采用物理方式进行。
本实施例中，修复头用于探入槽/孔的一端的外形与槽/孔形状适配，包括圆柱体、圆锥形、圆台体或多级阶梯体中的任一项。修复头用于探入槽/孔的一端外表面形成用于增大摩擦的螺旋结构、凸齿结构或磨砂结构中的任一项。
通过将修复头设置成与槽/孔适配的形状，能够便于修复头与槽/孔内壁贴合，从而提高摩擦生热效率。不仅如此，通过设置粗糙平面，也能提高摩擦生热效率，从而实现加速修复。
优选地，当工件支承力不足时，可于工件下方设置外部支撑，以避免修复头进给挤压造成工件形变、损伤。
为了更进一步地具体说明，还提供一种对2219铝合金缺陷修复的实施例。
在本实施例中，首先通过三维探伤技术确定缺陷距离工件表面1mm，缺陷呈球状且φ＝8mm；下一步，在缺陷部位打孔(孔径为8mm，孔深1mm)，并用酒精对孔进行清洗；下一步，选择与孔型适配的修复头，以转速为800r/min、进给速度为150mm/min、横移速度为0mm/min启动旋转机械、开始修复。下一步，摩擦生热后，修复头和孔内壁软化呈半流体状，修复头的软化部位因重力持续落入孔中，直至填满，该过程中在修复头的搅动下填充物充分融合、形成冶金接合。下一步，停止旋转，移除剩余修复头，填充物降温固化。下一步，对工件进行机加工以打磨抛光，完成修复。该工件修复后的金相拼图如图2所示。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种摩擦修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，修整缺陷部位以形成规则的槽/孔；
步骤S2，填补槽/孔；
所述步骤S1具体包括：
步骤S11，探伤，确定工件的缺陷大小、形状和位置；
步骤S12，沿缺陷边缘由工件表面向内部进给去除缺陷部位周边部分以形成规则的槽/孔；
所述步骤S2具体包括：
步骤S21，修复头探入槽/孔并旋转移动以使修复头与槽/孔内壁摩擦生热至均呈半流体状；
步骤S22，呈半流体状的修复头填满槽/孔、且与呈半流体状的槽/孔内壁交融形成冶金结合后停止旋转；
步骤S23，移除剩余的修复头，槽/孔内物质冷却固化。
2.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：所述步骤S21具体包括：
步骤S211，向主控器分别输入修复头和工件的熔点值；
步骤S212，主控器控制修复头探入槽/孔并旋转，且在与槽/孔发生挤压的同时沿内壁移动；
步骤S213，获取修复头与工件接触点的温度值并与熔点值进行比较；
步骤S214，当温度值不足修复头与工件中较低的熔点值的50％时，主控器调控修复头提高转速或/和增大压强；
步骤S215，当温度值超过修复头与工件中较高的熔点值的90％时，主控器调控修复头降低转速或/和减小压强。
3.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在所述步骤S2前，还包括清理槽/孔；具体包括去除槽/孔内的残留碎屑、油污和氧化膜中的一项或多项。
4.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在所述步骤S2前，还包括预热；采用物理加热方式升高工件和修复头的温度。
5.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在所述步骤S2前，还包括在槽/孔中填入结合物质。
6.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在所述步骤S21后，还包括修复头下移；修复头在下移过程中，上端未软化的修复头对下端半流体状态的修复头造成挤压，以将半流体状态的修复头压入槽/孔、形成结合。
7.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在实施所述步骤S2的同时于槽/孔处采取用于避免工件或/和修复头高温氧化的气氛保护措施。
8.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：在实施所述步骤S11时，采用物理探伤；具体包括X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤、γ射线探伤、渗透探伤和三维扫描中的一项或多项。
9.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：修复头用于探入槽/孔的一端的外形与槽/孔形状适配，包括圆柱体、圆锥形、圆台体或多级阶梯体中的任一项。
10.根据权利要求1所述的摩擦修复方法，其特征在于：修复头用于探入槽/孔的一端外表面形成用于增大摩擦的螺旋结构、凸齿结构或磨砂结构中的任一项。
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