CN115055908A - 一种薄壁回转体类结构修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄壁回转体类结构修复方法,该发明的技术方案通过对焊前新修补段结构进行设计改造,焊接面采用凸台结构,且使其内径小于原结构部分内径,两基体材料在摩擦焊接过程中,小于原结构部分没有参与相互摩擦,仍然保持一定的刚度,而导致摩擦界面内孔处产生的飞边由于受到内侧未参与摩擦部分材料的限制,飞边不能自由向内侧自由变形,因此对原基体内壁产生向外的推力,随着飞边产生量的增加,推力增大,使得内壁往外发生轻微塑性变形。焊后,原结构尺寸较设计值偏大,可进一步通过机加工恢复到原设计尺寸,且可消除加工台阶,从而实现无痕修复,满足结构的后续服役要求。

Description

一种薄壁回转体类结构修复方法
技术领域
本发明涉及惯性摩擦焊技术领域,特别是涉及一种薄壁回转体类结构修复方法。
背景技术
回转体类结构在服役过程中一般属于高速转动部件,因受扭矩及配合部件的相互摩擦作用,容易造成局部损伤,导致整个结构报废,由于其制造成本高,加工成品率低,通过对损伤部位进行修复,可有效提高结构利用率,降低使用成本。将损伤部分切除后,焊接相同组织性能的材料,通过焊后加工,可以实现回转体类结构的结构和功能恢复。
惯性摩擦焊(Inertial friction welding)为固相连接方法,焊接过程中,其中一个工件夹持在飞轮端,加速旋转到设定转速后,飞轮与主动电机脱开,同时另一固定在移动夹具上的工件随滑台快速向前移动,两工件在摩擦压力作用下相互摩擦并产生摩擦热,界面温度快速升高,界面近域两侧基体金属软化并发生塑性流动,在摩擦压力作用下被挤出界面形成飞边,在摩擦焊接过程中,飞轮受到摩擦扭矩的制动作用转速逐渐降低,当转速为零时焊接过程结束。焊接过程原理如图2所示。惯性摩擦焊接头组织为锻造组织,接头缺陷少,性能稳定可靠,对于钢、钛合金、高温合金、铝、铜等金属具有良好的焊接适应性,在大气环境下可实现焊接,生产成本低,是未来回转体类结构重要的连接与修复技术。
但采用现有的惯性摩擦焊接方法进行回转体类结构的修复后,由于原基体外圆尺寸不允许加工,接刀处存在接刀痕(如接刀处收缩、台阶差等),不满足修复要求。
因此,发明人提供了一种薄壁回转体类结构修复方法,解决因采用惯性摩擦焊接修复导致摩擦面的接刀处收缩,修复后存在台阶差的问题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种薄壁回转体类结构修复方法,合理设计焊接接头形式,焊接过程中摩擦界面附件基体材料发生局部胀形,焊后通过机加实现无痕修复。通过该方法,可以从根本上修复此类零件,最大限度提高结构服役时间,降低生产制造和使用成本,解决了因采用惯性摩擦焊接修复导致摩擦面的接刀处收缩,修复后存在台阶差的问题的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种薄壁回转体类结构修复方法,包括:
切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件;
制作补段结构,所述补段结构的一端具有凸台,所述凸台的外周具有第一摩擦面;
将所述补段结构与所述薄壁回转体类结构进行装配,使得所述凸台伸入所述待修复部件内部,且所述第一摩擦面与所述待修复部件一端的第二摩擦面接触;
通过惯性摩擦焊将所述待修复部件与所述补段结构进行焊接。
进一步地,所述切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件,具体包括:
将损伤部位采用机加工或者线切割切掉,在剩余的待修复部件的第二摩擦面方向留3~8mm的焊接缩短量。
进一步地,所述制作补段结构,具体包括:
制作补段结构,使得所述补段结构一端的第一摩擦面的外径尺寸比第二摩擦面的外径尺寸大1~3mm,所述第一摩擦面的内径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,与所述第一摩擦面同一端的凸台的半径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,所述凸台的长度为5~10mm。
进一步地,所述。惯性摩擦焊的焊接参数如下:
转速800~1000r/min,摩擦压力100~200MPa,惯量150~300lb.ft2。
(3)有益效果
综上,本发明通过对焊前新修补段结构进行设计改造,焊接面采用凸台结构,且使其内径小于原结构部分内径,两基体材料在摩擦焊接过程中,小于原结构部分没有参与相互摩擦,仍然保持一定的刚度,而导致摩擦界面内孔处产生的飞边由于受到内侧未参与摩擦部分材料的限制,飞边不能自由向内侧自由变形,因此对原基体内壁产生向外的推力,随着飞边产生量的增加,推力增大,使得内壁往外发生轻微塑性变形。焊后,原结构尺寸较设计值偏大,可进一步通过机加工恢复到原设计尺寸,且可消除加工台阶,从而实现无痕修复,满足结构的后续服役要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述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是本发明实施例提供的一种薄壁回转体类结构修复方法的流程图。
图2采用惯性摩擦焊进行部件焊接的示意图。
图3是待修复的典型齿轮结构示意图。
图4是切掉花键后齿轮结构示意图。
图5是补段结构示意图。
图6是齿轮和补段焊前装配示意图;
图7是齿轮修复后的结构示意图。
图中:
1-花键端;2-齿轮结构;3-第二摩擦面;4-补段结构;5-第一摩擦面;6-凸台;7-飞边;8-齿轮内壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
回转体类结构通常尺寸精度高,材料经过特殊处理,生产周期长,制造成本高,局部结构在服役过程中,容易造成局部损伤导致整个结构报废。通过将损伤部分切除,设计新补段结构。熔焊由于热输入量大,薄壁结构焊后容易变形,且对基体组织性能会产生不利影响。惯性摩擦焊修复后,由于原基体外圆尺寸不允许加工,接刀处存在接刀痕,不满足修复要求。
图1是本发明实施例的一种薄壁回转体类结构修复方法的流程图,如图1所示,该方法包括:
S1、切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件;
S2、制作补段结构,所述补段结构的一端具有凸台,所述凸台的外周具有第一摩擦面;
S3、将所述补段结构与所述薄壁回转体类结构进行装配,使得所述凸台伸入所述待修复部件内部,且所述第一摩擦面与所述待修复部件一端的第二摩擦面接触;
S4、通过惯性摩擦焊将所述待修复部件与所述补段结构进行焊接。
具体的,考虑焊接过程中材料的组织流动规律,通过对焊前新修补段结构进行设计改造,焊接面采用锥形结构,且使其内径小于原结构部分内径,两基体材料在摩擦焊接过程中,小于原结构部分没有参与相互摩擦,仍然保持一定的刚度,而导致摩擦界面内孔处产生的飞边由于受到内侧未参与摩擦部分材料的限制,飞边不能自由向内侧自由变形,因此对原基体内壁产生向外的推力,随着飞边产生量的增加,推力增大,使得内壁往外发生轻微塑性变形。焊后,原结构尺寸较设计值偏大,通过机加工恢复到原设计尺寸,且可消除加工台阶,从而实现无痕修复,满足结构的后续服役要求。
本发明实施例提供的一种薄壁回转体类结构修复方法,该技术方案通过控制控制焊接过程中挤出金属的流动方向,实现待修复部分发生塑性变形,通过机加恢复设计尺寸从而实现无痕修复。
作为一种优选实施方式,步骤S1的切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件,具体包括:
将损伤部位采用机加工或者线切割切掉,在剩余的待修复部件的第二摩擦面方向留3~8mm的焊接缩短量。
具体的,通过在剩余的待修复部件的第二摩擦面方向留一定距离(如3~8mm)的焊接缩短量,可以弥补因焊接损失的材料长度。
作为一种优选实施方式,步骤S2的制作补段结构,具体包括:
制作补段结构,使得所述补段结构一端的第一摩擦面的外径尺寸比第二摩擦面的外径尺寸大1~3mm,所述第一摩擦面的内径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,与所述第一摩擦面同一端的凸台的半径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,所述凸台的长度为5~10mm。
作为一种优选实施方式,步骤S4中采用的惯性摩擦焊的焊接参数如下:
转速800~1000r/min,摩擦压力100~200MPa,惯量150~300lb.ft2。
以某型发电机从动锥齿轮修复方法为例对上述的方法进行具体说明,该修复方法包括以下几个步骤:
1.修复工艺确定
其结构要点如下:该结构由整体棒材加工而成,其结构示意图如图3所示,花键端1在服役过程中容易磨损,修复前需要将花键端1采用机加工或者线切割切掉,切掉后的齿轮结构2的示意图如图4所示,在垂直的第二摩擦面3方向留3~8mm焊接缩短量。齿轮修复的补段结构4如图5所示。第一摩擦面5外径尺寸比原待修复的第二摩擦面3外径大1-3mm,内径尺寸比第二摩擦面3内径小1-3mm,另在补段结构4上设计用以控制齿轮结构内侧飞边的凸台6,用以控制惯性摩擦焊时内侧飞边的变形方向。
切掉花键部分的齿轮结构2和补段结构4焊前装配示意图如图6所示。补段结构4上的凸台6的半径尺寸比第二摩擦面3的内半径尺寸小1-3mm,凸台6的长度5-10mm。
齿轮结构修复后结构如图7所示。摩擦焊接过程中内圆处产生的飞边7在凸台6的刚性控制下,不能自由往圆心方向伸长,只能沿凸台6外径和尺寸修复内孔的间隙变形长大,变形过程中,对齿轮内壁8产生往外的挤压力,使内壁8外径尺寸轻微塑性变形,从而实现原结构局部的微米级小尺寸胀形。焊后通过机加工对局部胀形部分及新修补段按图纸加工成最终尺寸,实现焊缝接刀处无痕修复。
内侧产生的飞边7长度要求在5-10mm。该齿轮结构的焊接修复参数:转速800-1000r/min,摩擦压力100-200MPa,惯量150-300lb.ft2
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言,相关之处可参见设备实施例的部分说明(根据撰写情况采用)。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种薄壁回转体类结构修复方法,其特征在于,包括:
切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件;
制作补段结构,所述补段结构的一端具有凸台,所述凸台的外周具有第一摩擦面;
将所述补段结构与所述薄壁回转体类结构进行装配,使得所述凸台伸入所述待修复部件内部,且所述第一摩擦面与所述待修复部件一端的第二摩擦面接触;
通过惯性摩擦焊将所述待修复部件与所述补段结构进行焊接。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁回转体类结构修复方法,其特征在于,所述切掉薄壁回转体类结构的损伤部位,得到待修复部件,具体包括:
将损伤部位采用机加工或者线切割切掉,在剩余的待修复部件的第二摩擦面方向留3~8mm的焊接缩短量。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁回转体类结构修复方法,其特征在于,所述制作补段结构,具体包括:
制作补段结构,使得所述补段结构一端的第一摩擦面的外径尺寸比第二摩擦面的外径尺寸大1~3mm,所述第一摩擦面的内径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,与所述第一摩擦面同一端的凸台的半径尺寸比所述第二摩擦面的内径尺寸小1~3mm,所述凸台的长度为5~10mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种薄壁回转体类结构修复方法,其特征在于,惯性摩擦焊的焊接参数如下:
转速800~1000r/min,摩擦压力100~200MPa,惯量150~300lb.ft2
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