CN114932304A - 一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法 - Google Patents
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Abstract
为解决解决现有修复零件孔掉块缺陷的方法所存在的技术问题，本发明提出了一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，在对零件孔掉块缺陷进行修复时，首先需要根据掉块缺陷大小切除掉块缺陷得到直径大于原零件孔的新孔，然后向新孔中放入尺寸匹配的填充材料后，使搅拌头沿着填充材料和新孔的界面行进进行修复即可，不受待修复孔及孔侧壁损伤区尺寸限制，能实现零件孔大尺寸量条件下的修复。本发明既可实现通孔侧壁掉块缺陷修复，又可实现盲孔侧壁掉块缺陷修复，极大扩宽了孔的修复范围。与传统衬套修复方式相比，本发明中填充材料与零件待修复孔之间形成原子扩散，实现了冶金连接，连接强度高，不会因使用过程中的振动或疲劳导致修复区脱落。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦焊接技术领域，具体涉及一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法。
背景技术
近几年随着各种大型工程项目的实施，连接技术也得到了快速发展，采用的连接方式主要为机械连接、胶接和焊接等。其中机械连接具有结构简单、连接可靠和拆装方便等优点，是金属材料连接方法中应用最广泛的连接方法之一。机械连接中需在零件表面或内部加工盲孔或通孔，以实现机械连接的美观性要求或实现多个零件的连接。在加工盲孔或通孔过程中，刀具的切削作用会在零件孔侧壁产生凹凸不平的缺陷。此外，在使用过程中零件孔会和连接螺栓或销钉表面产生碰撞，导致孔侧壁掉块或变形产生，进而影响孔的使用性能。目前研究者们针对零件孔变形和掉块磨损的修复，主要采用增加衬套、喷涂和焊接方式。
中国发明专利CN 102699620 A采用增加衬套的方式修复气缸孔磨损缺陷。该方式虽然简单，但是衬套与孔壁之间属于过盈配合的机械连接，没有实现冶金连接，其连接强度较差易产生衬套脱落的情况。
中国发明专利CN 106078077 A采用等离子喷涂修复发动机缸孔尺寸。由于喷涂层厚度增加后涂层结合力急剧恶化，故该方法仅能实现单边0.25mm的小尺寸修复，无法实现大尺寸量的修复。
中国发明专利CN 104561883 A采用将修复涂层涂敷的方式实现工件内孔侧壁的修复。该方法虽然便捷，但由于采用涂敷方式使得修复层与基体间的结合力为胶接方式，未形成原子间结合的冶金结合，受到长期振动会与孔壁脱离。此外，和同质材料修复相比，该方法中修复涂层与基体属于异质材料，极大限制了其使用范围。
中国发明专利CN 111975281 A提出了利用摩擦塞补焊的方法实现孔修复的方法。该方法通过塞棒与待修复孔之间旋转摩擦，实现对通孔的修复。但是该发明专利有以下弊端：(1)由于其工作原理促使该方法只能够针对通孔侧壁掉块缺陷实现修复，对于盲孔侧壁掉块缺陷则无法修复，限制了其修复范围。(2)该方法采用塞棒对待修复孔实施顶锻式固相修复，因零件孔背部无刚性支撑，会导致孔附件的零件基体发生变形，尤其是薄壁零件孔的修复，会严重影响基体尺寸精度。(3)根据修复孔直径的大小，该方法需要准备尺寸不同的塞棒以及尺寸不同的夹具，这势必需要制造不同尺寸的机器主轴以适应夹具尺寸的变化，同时塞棒都需要加工成锥形且为消耗品，这些共同导致维修成本较高。(4)针对圆柱形通孔修复时，该方法需要将孔加工成锥形，塞棒与孔组成的环形锥面在修复中同时摩擦生热，这就需要给塞棒施加极大顶锻力来产生摩擦热，因此对机器主轴的刚性提出了更高的要求。
综上所述，现有方法虽然能够对零件孔的损坏进行修复，但是都存在一定的弊端。因此，亟需一种孔修复方法，以解决上述方法所存在的技术问题。
发明内容
为解决现有修复零件孔掉块缺陷的方法所存在的技术问题，本发明提出了一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法。
本发明的技术方案是：
一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，沿待修复零件孔的径向方向测量其掉块区边缘距待修复零件孔中心点的最大距离D1；
步骤2，采用半径为D2的钻头旋转切除掉块缺陷，得到半径为D2的新孔，旋转前使钻头轴线与待修复零件孔轴线重合；
步骤3，制作厚度等于待修复零件孔的深度，且半径小于D2的圆柱形填充材料；
步骤4，将待修复零件孔固定在搅拌摩擦焊机器的水平工作台上，将所述圆柱形填充材料放置于所述半径为D2的新孔内；
步骤5，将搅拌头固定于搅拌摩擦焊机器主轴上，使其中搅拌针端部与半径为D2的新通孔的上表面相接触，并且使搅拌针轴线位于圆柱形填充材料与新孔的接触界面上；
步骤6，启动搅拌摩擦焊机器，设定搅拌头旋转速度ω为100～10000rpm，同时以v1＝0.1～50mm/min的速度向下运动，当搅拌头轴肩与新孔上表面接触时停止下扎运动，并保持1-5s的旋转运动，随后搅拌头以v2＝10～1000mm/min的速度沿着圆柱形填充材料与新孔的接触界面所组成的圆形线继续行进，待搅拌头走完整个圆形线后，搅拌头再向圆柱填充材料中心点行进，当搅拌头移动至填充材料中心位置时，停止前进运动，随后搅拌头以v3＝0.1～50mm/min的速度回抽，离开填充材料；
步骤7，待修复后的零件冷却至室温，采用与原零件孔直径相同的钻头旋转切除多于的填充材料，旋转前保证钻头轴线与原零件孔的中心轴线重合。
进一步地，所述步骤2中钻头的半径D2比所述D1大0.1-5mm。
进一步地，所述步骤3中圆柱形填充材料与待修复零件孔的材料属性相同，其半径比所述D2小0.1～1mm，一方面保证圆柱形填充材料能够顺利放入待修复零件孔中，另一方面防止间隙太大导致焊接不稳定。
进一步地，所述步骤5中搅拌针的长度比所述半径为D2的新孔的高度小0.1～0.3mm，以确保能够完全焊透并避免搅拌针过长与垫板接触而磨损搅拌头。
进一步地，所述步骤5中采用的搅拌头由高温合金制成，搅拌头的刚度和耐磨性优于待修复零件材料；所述搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1～10:1。
本发明的有益效果是：
1、与传统衬套修复方式相比，本发明中填充材料与零件待修复孔之间形成原子扩散，实现了冶金连接，具有良好的连接界面，且连接强度高，不会因使用过程中的振动或者疲劳导致修复区脱落，是一种修复性能优异的零件孔修复方法。
2、本发明在对零件孔掉块缺陷进行修复时，首先需要根据掉块缺陷大小切除掉块缺陷得到直径大于原零件孔的新孔，然后向新孔中放入尺寸匹配的填充材料后，使搅拌头沿着填充材料和新孔的界面行进进行修复即可，因此不受待修复孔以及孔侧壁损伤区尺寸的限制，能够实现零件孔大尺寸量条件下的修复。
3、本发明与摩擦塞补焊修复孔方法相比，本发明既可实现通孔侧壁掉块缺陷的修复，又可实现盲孔侧壁掉块缺陷的修复，极大扩宽了孔的修复范围。
4、与传统摩擦塞补焊修复孔方法相比，本发明可根据待修复零件孔厚度为其匹配相应厚度的填充材料，在修复过程中搅拌头上轴肩与焊板上表面接触，能够将材料完全限制在焊缝中，实现材料体积守恒(无流失)，因此可实现孔壁厚度无减薄修复；此外，由于修复零件孔背部有刚性垫板作为支撑，可实现不同厚度孔壁缺陷的无变形修复。
4、针对不同直径孔的修复问题，本发明仅需要准备不同直径的填充材料即可。而传统摩擦塞补修复孔需要准备不同直径和锥度的塞棒，填充材料的工序复杂性和成本明显高于本发明。同时根据塞棒直径的变化需要制造不同直径的夹持工具以及机器主轴，其经济性和适用性低于本发明。
5、与传统摩擦塞补焊方法修复孔相比，本发明实施过程中仅搅拌头位置与板材摩擦生热，并非像塞补焊修复中塞棒与孔组成的环形锥面在修复中同时摩擦生热，因而对所使用设备主轴的刚性要求度较低，常规钻床和立式铣床均可实现，无须购置专业塞补焊修复设备。
6、本发明衍生于搅拌摩擦焊，为一种固相修复技术。与传统增材修复掉块方法相比，本发明修复过程中温度较低，不会产生气孔、裂纹等二次缺陷，并且填充材料与原修复孔界面受到搅拌针的强搅拌作用使其发生动态再结晶，细小的晶粒使孔壁及附近区域的力学性能大幅度提高，利于修复后零件孔的再次服役。
附图说明
图1是待修复零件孔侧壁掉块缺陷示意图。
图2是圆柱形填充材料示意图。
图3是搅拌头示意图。
图4是搅拌针端部与待修复掉块接触的示意图
图5是搅拌头与缺陷接触及搅拌头行进路径示意图。
图6是修复完成后搅拌头离开填充材料的示意图。
1-零件孔，3-侧壁掉块缺陷，4-圆柱形填充材料，5-搅拌针端面，6-搅拌针，7-搅拌针根部，8-搅拌头轴肩，9-匙孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1-6所示，本实施例针对7075铝合金零件孔1的侧壁掉块缺陷3进行修复，过程如下：
步骤1，对待修复的零件孔进行尺寸测量，测得零件孔1的直径为20mm，零件孔壁厚(即孔深/高)为10mm，沿圆孔径向方向测量待修复零件孔1的掉块区边缘距零件孔1中心点的最大距离D1为14mm，如图1所示。
步骤2，采用半径D2为15mm的钻头，且使钻头轴线与待修零件孔1的中心线重合，钻头高速旋转切除掉块缺陷，得到侧壁无掉块缺陷的直径为30mm的新孔。
步骤3，在厚度为10mm的7075铝合金板材上，取直径为29.8mm的圆柱形填充材料4，如图2所示。
步骤4，将切除掉块缺陷后的待修复零件孔1放置在搅拌摩擦焊机器工作台上水平位置，使用夹具将整个零件固定，同时将圆柱形填充材料4放置于制造的新孔内。
步骤5，选取GH4169材料制作搅拌头，其中搅拌针6的长度为9.8mm，搅拌针端部5的直径为5mm，搅拌针根部7的直径为9mm，搅拌头轴肩8的直径为25mm。利用顶紧螺钉将搅拌头固定于搅拌摩擦焊机器的主轴上，使搅拌针端部5与新孔内上表面相接触，并且使搅拌针6轴线位于圆柱形填充材料与零件新孔的接触界面上，如图4所示。
步骤6，启动搅拌摩擦焊机器，设置搅拌头旋转速度ω为4000rpm进行旋转，下轧速度v1设置为10mm/min；当搅拌头轴肩8与新孔上表面接触时停止下扎运动，并保持3s的旋转运动；随后搅拌头以v2＝100mm/min的速度行进，搅拌头沿着圆柱形填充材料4与新孔的接触界面所组成的圆形线继续行进；待搅拌头走完整个圆形线后，搅拌头再向圆柱填充材料4中心点行进，当搅拌头移动至填充材料4中心位置时，搅拌头停止前进运动，如图5所示。随后搅拌头以v3(5mm/min)的速度回抽，使搅拌头离开填充材料4。
步骤7，搅拌头离开填充材料4后，会在填充材料4内部留有匙孔9，如图6所示。因此，采用与原零件孔1的直径(20mm)相同的钻头，并且保证钻头轴线与原零件孔1的中心重合，钻头高速旋转切除多于的填充材料4，进而获得与原零件孔直径相同且无掉块缺陷的零件孔。
Claims (5)
1.一种零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，沿待修复零件孔的径向方向测量其掉块区边缘距待修复零件孔中心点的最大距离D1；
步骤2，采用半径为D2的钻头旋转切除掉块缺陷，得到半径为D2的新孔，旋转前使钻头轴线与待修复零件孔轴线重合；
步骤3，制作厚度等于待修复零件孔的深度，且半径小于D2的圆柱形填充材料；
步骤4，将待修复零件孔固定在搅拌摩擦焊机器的水平工作台上，将所述圆柱形填充材料放置于所述半径为D2的新孔内；
步骤5，将搅拌头固定于搅拌摩擦焊机器主轴上，使其中搅拌针端部与半径为D2的新孔的上表面相接触，并且使搅拌针轴线位于圆柱形填充材料与新孔的接触界面上；
步骤6，启动搅拌摩擦焊机器，设定搅拌头旋转速度ω为100～10000rpm，同时以v1＝0.1～50mm/min的速度向下运动，当搅拌头轴肩与新孔上表面接触时停止下扎运动，并保持1-5s的旋转运动，随后搅拌头以v2＝10～1000mm/min的速度沿着圆柱形填充材料与新孔的接触界面所组成的圆形线继续行进，待搅拌头走完整个圆形线后，搅拌头再向圆柱填充材料中心点行进，当搅拌头移动至填充材料中心位置时，停止前进运动，随后搅拌头以v3＝0.1～50mm/min的速度回抽，离开填充材料；
步骤7，待修复后的零件冷却至室温，采用与原零件孔直径相同的钻头旋转切除多于的填充材料，旋转前保证钻头轴线与原零件孔的中心轴线重合。
2.根据权利要求1所述的零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：所述步骤2中钻头的半径D2比所述D1大0.1-5mm。
3.根据权利要求1所述的零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：所述步骤3中圆柱形填充材料与待修复零件孔的材料属性相同，其半径比所述D2小0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述的零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：所述步骤5中搅拌针的长度比所述半径为D2的新孔的高度小0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的零件孔侧壁掉块缺陷的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：所述步骤5中采用的搅拌头由高温合金制成，搅拌头的刚度和耐磨性优于待修复零件材料；所述搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1～10:1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220823 |
|
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