CN114932305B - 一种零件孔侧壁裂纹缺陷的搅拌摩擦焊修复方法 - Google Patents

Abstract

为了对孔壁裂纹缺陷进行修复，本发明提出了一种零件孔侧壁裂纹缺陷的搅拌摩擦焊修复方法。本发明采用搅拌摩擦焊方法，在不挖除裂纹缺陷处材料的情况下，实现对零件孔侧壁裂纹在固相条件下的修复，能提高裂纹修复过程的便捷高效性及修复质量，并且不论待修复零件孔的侧壁裂纹径向扩展路径上有多长，搅拌针的起始位置均为裂纹径向扩展路径上距离待修复零件孔的最远处，因而在修复时不受裂纹长度的限制，能够实现零件孔大尺寸量条件下的修复。

Description

一种零件孔侧壁裂纹缺陷的搅拌摩擦焊修复方法

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裂纹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。零件服役过程中受交变载荷作用会使孔侧壁上的缺陷成为应力集中点，进而沿孔径方向产生疲劳裂纹。已有研究表明，孔壁裂纹是导致零件孔失效的主要缺陷类型。而针对孔侧壁裂纹缺陷的修复，目前尚未见有关报道。

发明内容

为对孔壁裂纹缺陷进行修复，本发明提出了一种零件孔侧壁裂纹缺陷的搅拌摩擦焊修复方法。本发明采用搅拌摩擦焊方法，在不挖除裂纹缺陷处材料的情况下，实现对零件孔侧壁裂纹在固相条件下的修复，能提高裂纹修复过程的便捷高效性及修复质量。

本发明的技术方案是：

一种零件孔侧壁裂纹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，对待修复零件孔的侧壁裂纹进行清洗，去除其中的残留杂质、异物及油污；

步骤2，测量所述待修复零件孔侧壁裂纹的扩展深度H、扩展长度L和零件孔直径；

步骤3，制作厚度等于所述待修复零件孔的深度，直径小于所述待修复零件孔直径的圆柱形填充材料；

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待修复零件孔内；

步骤5，将搅拌头固定于搅拌摩擦焊机器的主轴上，使搅拌针端部与距待修复零件孔最远处且位于上表面的裂纹缺陷相接触，并且使搅拌针轴线落在裂纹缺陷上；

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，当搅拌头轴肩与零件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的速度行进，搅拌头行进路径与裂纹水平方向扩展路径相同，且始终保证搅拌针轴线落在裂纹缺陷上，待搅拌头走完整个裂纹扩展路径后，沿着圆柱形填充材料与待修复零件孔的接触界面所组成的圆形线继续行进，走完整个圆形线后，搅拌头向圆柱填充材料中心点行进，当搅拌头轴肩边缘位于填充材料内部时，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，采用与原待修复零件孔直径相同的钻头旋转切除多余的填充材料，旋转前保证钻头轴线与原待修复零件孔的中心轴线重合。

进一步地，所述步骤3中制作的圆柱形填充材料与待修复零件孔的材料属性相同，直径比待修复零件孔的直径小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，若待修复零件孔的侧壁裂纹缺陷为贯穿型裂纹，所述步骤5中采用的搅拌针长度小于零件孔的深度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；若待修复零件孔的侧壁裂纹缺陷为非贯穿型裂纹，所述步骤5中搅拌针的长度等于裂纹的扩展深度H，或者比裂纹的扩展深度H小0.1～0.3mm

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、本发明首次提出针对孔壁裂纹缺陷的固相修复方法，不论待修复零件孔的侧壁裂纹径向扩展路径上有多长，搅拌针的起始位置均为裂纹径向扩展路径上距离待修复零件孔的最远处，因而在修复时不受裂纹长度的限制，能够实现零件孔大尺寸量条件下的修复。

2、本发明能在不需要切除裂纹缺陷的条件下实现修复，对孔周围的零件基材损伤最小。

3、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，能够实现不同尺寸零件孔的修复；修复期间，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；修复期间，由于修复零件孔背部有刚性垫板作为支撑，因此，不会出现因搅拌头向下扎入焊板而出现的孔背部材料变形的情况，所以可实现孔壁无变形修复。

4、针对不同直径孔的侧壁裂纹修复问题，本发明仅需要准备不同直径的填充材料即可，经济性和适用性好。

5、本发明实施过程中仅搅拌头位置与板材摩擦生热，接触面积小，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。与传统的熔焊修复裂纹方法相比，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裂纹缺陷示意图。

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零件孔侧壁裂纹接触的示意图

图5是搅拌头与裂纹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，2-侧壁裂纹，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1

如图1-6所示，本实施例中待修复的7075铝合金零件孔的侧壁裂纹2为贯穿型裂纹，该裂纹沿厚度方向贯穿于整个零件孔，即该裂纹的扩展深度H与零件孔壁厚相同，利用本发明的方法对其进行修复的过程如下：

步骤1，对待修复的零件孔的侧壁裂纹进行超声清洗，去除孔侧壁裂纹中残留的杂质、异物及油污，最后使用酒精清洗等待修复。

步骤2，对待修复零件孔的侧壁裂纹2的扩展深度H和扩展长度L（如图1）进行测量，获得侧壁裂纹2的扩展深度H为10mm，裂纹的扩展长度L为15mm，测量零件孔1的直径为20mm。

步骤3，在厚度为10mm的7075铝合金板材上，取直径为19.8mm的圆柱形填充材料4，如图2所示。

步骤4，将待修复的零件孔1放置在搅拌摩擦焊机器的水平工作台上，并使用夹具进行固定，随后将圆柱形填充材料4放置于待修复的零件孔1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与距待修复零件孔1最远处且位于上表面的裂纹缺陷2接触，并使搅拌针轴线落在裂纹缺陷2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与零件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，搅拌头行进路径与侧壁裂纹2的水平扩展路径相同，且始终保证搅拌针轴线落在侧壁裂纹2上；待搅拌头走完整个侧壁裂纹2的水平扩展路径后，随后沿着圆柱形填充材料4与待修复零件孔的接触界面所组成的圆形线继续行进，如图5所示。待搅拌头走完整个圆形线后，搅拌头向圆柱填充材料4中心点行进，当搅拌头轴肩边缘位于填充材料4边缘内时，搅拌头停止前进运动；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，采用与原待修复零件孔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余的填充材料4，进而获得与原零件孔直径相同且无裂纹缺陷的新零件孔。

实施例2

本实施例中待修复的零件孔的侧壁裂纹2为非贯穿型裂纹。本实施例与实施例1的区别在于，由于待修复零件孔的侧壁裂纹是非贯穿型裂纹，故在步骤5中，搅拌针6的长度等于侧壁裂纹2的最大扩展深度H，或者比裂纹的扩展深度H小0.1～0.3mm，其余部分与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种零件孔侧壁裂纹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，对待修复零件孔的侧壁裂纹进行清洗，去除其中的残留杂质、异物及油污；

步骤2，测量所述待修复零件孔侧壁裂纹的扩展深度H、扩展长度L和零件孔直径；

步骤3，制作厚度等于所述待修复零件孔的深度，直径比所述待修复零件孔直径小0.1～1mm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待修复零件孔内；

步骤5，将搅拌头固定于搅拌摩擦焊机器的主轴上，使搅拌针端部与距待修复零件孔最远处且位于上表面的裂纹缺陷相接触，并且使搅拌针轴线落在裂纹缺陷上；若待修复零件孔的侧壁裂纹缺陷为贯穿型裂纹，所述搅拌针长度比零件孔的深度小0.1～0.3mm；若待修复零件孔的侧壁裂纹缺陷非贯穿型裂纹，所述搅拌针的长度等于裂纹的扩展深度H，或者比裂纹的扩展深度H小0.1～0.3mm；

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，当搅拌头轴肩与零件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的速度行进，搅拌头行进路径与裂纹水平方向扩展路径相同，且始终保证搅拌针轴线落在裂纹缺陷上，待搅拌头走完整个裂纹扩展路径后，沿着圆柱形填充材料与待修复零件孔的接触界面所组成的圆形线继续行进，走完整个圆形线后，搅拌头向圆柱填充材料中心点行进，当搅拌头轴肩边缘位于填充材料内部时，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，采用与原待修复零件孔直径相同的钻头旋转切除多余的填充材料，旋转前保证钻头轴线与原待修复零件孔的中心轴线重合。

2.根据权利要求1所述的零件孔侧壁裂纹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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