TW201438837A - 修復金屬基材上之損傷的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種修復金屬基材(1)上之損傷的方法，其中在該損傷區域開設一凹口(2)並將包含至少一外凸弧形區段之金屬填充件(3)嵌入該凹口(2)。其中使該弧形區段面朝該凹口(2)並如此這般嵌入該填充件(3)，使其接觸該凹口(2)之底部，但與該凹口(2)之邊緣(4)至少局部相隔一定距離。而後將該填充件(3)與該基材(1)焊接於一起。

Description

修復金屬基材上之損傷的方法
本發明係關於一種修復金屬基材上之損傷的方法，其中在該損傷區域開設一凹口，將包含至少一外凸弧形區段之金屬填充件嵌入該凹口並使該至少一弧形區段面朝該凹口，最後將該填充件與該基材焊接於一起。
前述類型之方法基本屬於公知技術。例如WO 2009/140710 A1揭露一種消除金屬基材尤其是無頭金屬帶材上之損傷的方法，該方法係於損傷區域開一銑出孔並將金屬填充件焊入其中。其中該填充件之最大直徑大於銑出孔之直徑。
其缺點在於，將填充件放置於基材上時填充件下方，即在填充件與基材之間形成空腔，焊接時不一定能將此空腔填滿。研究結果表明，焊接時會形成可能令修復嘗試失敗，從而須再度實施銑出及焊入操作之縮孔、氣泡及/或孔隙。
有鑒於此，本發明之目的在於提供一種經改良之金屬基材損傷修復方法。具體而論係減少縮孔、氣泡及/或孔隙之形成，或儘可能完全避免之。
本發明用以達成該目的之解決方案為一種前述類型之方法，其中該填充件嵌入該凹口後接觸其底部，但與該凹口之邊緣至少局部相隔一定距離。
換言之，嵌入凹口並接觸其底部之填充件在基材表面所在平面 內的假想相交面小於凹口在此平面內之邊緣。
特定言之，在豎向剖面(與基材表面正交)及/或水平剖面(在基材所在平面內)中，該弧形區段在凹口區域之半徑亦可小於凹口邊緣之半徑。
其優點在於可避免或至少減少縮孔、氣泡及/或孔隙之形成，因為實際係自底部開始填滿凹口。此外亦能改良焊接時缺陷部位之排氣效果。習知修復方法因形成縮孔、氣泡及/或孔隙而需實施再銑出，而本發明所提出之方法不必或幾乎不再需要實施此等繁複之後續工作。填充效果得以改良，故可使用較小之填充件。亦即材料用量減少。
本發明之其他有益技術方案與改良方案包含於附屬項及圖式描述中。
較佳用旋轉切削工具如銑刀開設該凹口。藉此可特別精確地製成凹口，此點對於例如30μm至200μm之較小尺寸尤為重要。作為替代或補充方案，亦可用磨頭開設凹口。在該以平整基材為先決條件之實施方式中，凹口邊緣呈圓形。一般而言，以銑削方式開設凹口時可使用球頭銑刀、端銑刀及頭部呈橢球體形或滴狀之銑刀。
藉由雷射及/或電火花腐蝕開設該凹口，亦為有益之舉。其優點在於能避免在特定環境下可能產生不良影響之切屑或磨塵之形成。
此外亦可以成型方式，例如以打入/壓入凸模或衝頭(尤其是衝子)之方式開設該凹口。此方式既不產生塵屑，亦不產生其他形式之氣體排放。其中該凸模或衝頭可為任意形狀，特定言之亦可具有半球形頭部。
較佳將旋轉對稱填充件如旋轉橢球體或球體嵌入該凹口。此等形狀易於製造且因其外凸表面而特別適用於本發明所提出之修復方法。
又，較佳利用球頭銑刀或包含半球形頭部之凸模/衝頭將該凹口構造成球截形。藉此，旋轉對稱填充件能在凹口內取得極佳之定心效果，從而達到焊接時特別均勻地填滿凹口之目的。
尤佳將該凹口實施為球截形並且將球半徑小於該凹口之球半徑的球形填充件嵌入。
球頭銑刀及球形填充件較為易得，使得該修復方法之實施無需較大投入。另一優點在於，球形填充件在球截形凹口內能以任意定向“自動”定心，如此仍能達到焊接時特別均勻地填滿凹口之目的。在有益方案中，該填充件之球直徑為500μm，銑刀直徑為600μm。在有益方案中，銑出體積特定言之為填充件之球體積的40%-70%。
較佳將具有與該基材相似或相同組成之填充件嵌入該凹口。以此方式可在修復後產生一均質基材，修復部位不可見或幾乎不可見。
又，較佳將合金化程度高於該基材之填充件嵌入該凹口。藉此可避免焊接時出現熱裂。
較佳在該填充件上放置永久電極，再為該永久電極加載電流，以便實施焊接操作。以此方式能避免或至少大幅減少縮孔、氣泡及/或孔隙之形成。舉例而論，若熔化過程自填充件接觸凹口底部之部位開始，則自該底部開始填滿凹口並自凹口中排擠出空氣，確切而言亦能改良焊接時修復部位之排氣效果。但若熔化過程開始於填充件與電極之接觸點，亦能取得同樣效果，因為此時熔融材料流入凹口邊緣與填充件間之間隙，從而可逐漸填滿凹口。當然，採用其他方案亦能實現該熔化過程。最終結果皆能以簡單而快速之方式實現填充件與凹口表面之全面連接。使用永久電極後，焊接時無需再使用會凸出於填充件之焊接填料，從而使焊接操作變得簡單。
又，較佳在焊接後將凸出於基材表面之材料移除。即便透過焊接操作未能獲得令人滿意之表面，藉此亦能重建基材表面。
根據另一有益方案，使用端銑刀實施該材料移除。藉此可在確保較高之最終精度(尤指平整度)的情況下移除較多材料。作為替代或補充方案，亦可以磨削方式移除材料。
尤佳將移動式裝置放置於該基材上並藉由至少一磁體及/或至少一吸盤將該移動式裝置固定於該基材上，而後用此裝置開設該凹口及/或實施該焊接及/或材料移除操作，且不必將該裝置與該基材分離。如此能提高修復效率。在需實施多個工作步驟，但不必將該裝置與基材分離之情況下，亦不必每次皆重新將不同工具對準修復部位。藉由使用移動式(即在基材上方位置可動)裝置，可以極高效率依次修復多個損傷。亦能提高缺陷部位之修復精度。藉由使用電磁體及/或吸盤，可將該裝置極精確地定位於基材上，但亦可穩定保持在基材上。非磁性基材特別適合使用吸盤，但該裝置在非磁性或弱磁性基材情況下亦可用電磁體加以保持，此時在金屬基材與該裝置相對一側設一電樞(例如軟鐵電樞)，該電樞被電磁體吸住，從而使該裝置同時壓緊基材。
一般而言，對該或該等銑刀之驅動可以電力、氣動或液壓方式實現。可能存在之用於該或該等銑刀及用於該永久電極的進給馬達亦如此。特定言之，該等進給馬達亦可實施為線性馬達。特定言之，若該銑刀可手動移動及/或該永久電極可手動移動，則較佳亦可設置(可調之)深度止擋。
接下來的加工(特別是切削加工)能平整金屬基材表面。為此可例如使用端銑刀，尤其是直徑大於修復部位所對應之圓之直徑的端銑刀。藉此可取得特別良好之平整效果。此工序之完成僅需銑刀處於一個工位，僅需銑刀朝基材表面方向下降。其中可藉由相應止擋使此一下降終止於該平面內或略高於該表面處。為了使表面品質與相接金屬基材之表面品質一致，最後視情況作磨光處理。作為用端銑刀實施平 整加工此一方案的替代或補充方案，亦可以磨削方式進行平整。
最後，較佳以一深度開設該凹口，此深度等於該填充件所對應之直徑的5%至40%，特別是15%至30%。如此能在缺陷部位達到特別好的修復效果。此項措施還有利於填充件與凹口壁間之氣體(尤指空氣)排放。
為使本發明更明顯易懂，下面參照圖式詳細闡述本發明。
首先需說明，在不同實施方式中相同部件用相同符號或相同部件名稱表示，說明書中所揭示之全部內容皆可按其精神轉用於具有相同符號或相同部件名稱之相同部件。說明書中所選用之方位描述如上、下、側面等，亦與被直接描述之所示圖式有關，方位變化時可按其精神轉用於新方位。此外，各種圖示實施例中所包含之單項特徵或特徵組合亦可形成獨立解決方案、具創造性之解決方案或根據本發明之解決方案。
客觀描述時所使用之全部值域說明應當理解為其一並包含其中之所有任意子域，舉例而論，1至10應當理解為其包含自下限1至上限10之全部子域，亦即，所有子域皆以下限1或1以上開始並以上限10或10以下結束，例如1至1.7，或3.2至8.1，或5.5至10。
圖1為包含凹口2及被嵌入該凹口之填充件3之金屬基材1的斜視圖。凹口2在此開設於金屬基材1上之損傷區域內。而後將包含至少一外凸弧形區段之金屬填充件3嵌入該凹口2並使該至少一弧形區段面朝凹口2。填充件3嵌入凹口2後接觸其底部，但與凹口2之邊緣4至少局部相隔一定距離。換言之，嵌入凹口2並接觸其底部之填充件3在基材 1表面所在平面內的假想相交面5小於凹口2在此平面內之邊緣4。
在圖1具體示出之示例中，凹口2例如被用旋轉切削工具如球頭銑刀構造成球截形。此外在圖1所示之示例中，凹口2中嵌有旋轉對稱填充件3，具體為球形填充件3。特定言之，球形填充件3之球半徑小於凹口2之球半徑。在有益方案中，填充件3之球直徑為500μm，銑刀直徑為600μm。在有益方案中，銑出體積特定言之為填充件之球體積的40%-70%。較佳以一深度開設凹口2，此深度等於填充件3所對應之直徑(在此示例中相當於填充件之球直徑)的5%至40%。故而若填充件3之球直徑為500μm，較佳深度則為25μm至200μm。
填充件3可具有與基材1相似或相同之組成。填充件3之合金化程度亦可高於基材1。基材1例如可實施為包含15wt%鉻、7wt%鎳、0.7wt%銅及0.4wt%鈦之無頭鉻鎳鋼帶。基材1之厚度例如可為2.00mm。
嵌入填充件3後將其與基材1焊接於一起。為此例如可在填充件3上放置永久電極，再為其加載電流。最後例如可利用端銑刀及/或以磨削方式移除焊接後凸出於基材1表面之材料。
在該方法之一特別有益的方案中，將移動式裝置6放置於基材1上並藉由至少一磁體8及/或至少一吸盤將其固定於基材1上。而後用此裝置6開設凹口2及/或實施焊接及/或材料移除操作，且不必將裝置6與基材1分離。
圖2示出此種修復裝置6之一示例。在圖2中，修復裝置6利用板件7擱放在金屬基材1上。板件7具有可將裝置6固定於基材1之電磁體8。必要時磁體8可與未圖示軟鐵電樞配合作用，將該軟鐵電樞與電磁體8相對佈置(即設於基材1底面)。此在非金屬基材1情況下為有益之舉。作為替代或補充方案，亦可使用例如吸盤來固定修復裝置6。
板件7支撐一包含懸臂10之支架9，該懸臂上裝有樞轉件11。此樞 轉件11具有定位器，從而可將至少一銑刀12或永久電極13交替送入凹口2上方之同一位置。球頭銑刀12固定在夾具14中，該夾具具有螺紋件15，此螺紋件擰入螺紋件16。此螺紋件16可透過滾花螺母17升降，其中滾花螺母17自身允許在銑刀12旋轉時(圖未示)，利用步進馬達對銑刀12之升降進行可固定之微調。螺紋件15與16更形成一止擋。最終由螺紋件15導引一連接夾具14與馬達18之軸體19。柱形軸體19在其上端具有六邊形，該六邊形與馬達18上之相應槽口配合作用，以便在不同高度驅動銑刀12。
在此作為陽極的永久電極13具有夾具20，其上端設有螺紋件21，該螺紋件與其他螺紋件22配合作用，從而可透過滾花螺母23使夾具20及電極13下降至填充件3之頂點並上升。可用步進馬達(圖未示)操控滾花螺母23。
修復裝置6亦可具有工作面為平面且其直徑例如為2mm(即大於600μm)之其他端銑刀，該端銑刀用於移除填充件3凸出於基材1之部分。作為補充或替代方案，修復裝置6亦可具有用於上述目的之磨削裝置(例如磨頭、磨盤、砂帶)。
在一示例中，用二維便攜式顯微鏡為基材1檢查表面縮孔並目測檢查孔隙、氣泡或類似之物。發現缺陷部位時，將包含銑刀12及永久電極13之修復裝置6定位於待修復區域上方並用電磁體8固定在此位置上。而後由(例如靠電力或壓縮空氣運行之)馬達18驅動銑刀12旋轉，並利用步進馬達使銑刀朝基材1方向運動，直至夾具14被螺紋件15、16及滾花螺母17所組成之阻擋擋住，以及達到120μm之示範性深度。銑刀12在此呈球形，直徑為600μm。
凹口2開設完畢後，將直徑例如為500μm之球形填充件3嵌入凹口2。在填充件3嵌入凹口2之前或之後抬升銑刀12並使其旋轉至一休止位置。
接著以樞轉方式將永久電極13送到球形填充件3上方並下降至填充件3之頂點。以例如8.0伏特、10.0安培實施0.3秒之電流脈衝操作。永久電極13在此較佳作為陽極，金屬基材1作為陰極。
將球形填充件3焊入凹口2後，抬升永久電極13並以樞轉方式將具有平面工作面之端銑刀送到該區域上方。利用該銑刀以銑削方式移除填充件3之凸出部分，直至與基材1所在平面齊平或略高於該平面。作為替代或補充方案，亦可以磨削方式移除此部分。最後(例如用磨砂紙手動)磨光修復區。
前述示例始終以球形凹口2為例。但此並非必要條件。亦可設置例如柱形凹口2。此外，球頭銑刀12之使用亦非必要，亦可使用柱形、滴狀或橢球體形銑刀。亦可用磨頭或鑽頭替代銑刀12。此外，亦可藉由切削工具以外之手段如雷射或電火花腐蝕來開設凹口2。特定言之，亦可開設基面形狀任意(例如橢圓形或多邊形基面)之稜柱形凹口。亦可以成型方式，尤其以打入/壓入凸模/衝頭之方式開設凹口2。該凸模/衝頭之頂端例如可呈半球形，但亦可呈例如基面形狀任意(例如橢圓形或多邊形基面)之稜柱形。如此便可以打入或壓入方式在基材1上開設相應凹口2。
此外，填充件3之移除亦可藉由雷射、磨削、電火花腐蝕或雷射等方式來完成。
前述示例始終以球形填充件3為例。同樣地，此並非該方法之必要條件。舉例而論，填充件3亦可呈旋轉橢球體形，但亦可呈滴狀及稜柱形(特別是立方形)。
前述實施例示出修復裝置6之可行實施方案，在此需說明，本發明不限於專門予以圖示之實施方案，熟習該項技藝者可基於技術原理對本發明做出修改。
還需說明，圖示裝置6實際所包含之部件數目亦可超過或少於圖 示，在各圖式中已經大幅簡化。
最後按規定指出，圖示裝置6及其部件部分未按比例示出及/或示出時已經放大及/或縮小處理，此係為了更清楚地說明其結構。
具創造性之獨立解決方案所欲達成之目的包含於說明書內。
1‧‧‧基材
2‧‧‧凹口
3‧‧‧填充件
4‧‧‧凹口邊緣
5‧‧‧相交面
6‧‧‧修復裝置
7‧‧‧板件
8‧‧‧電磁體
9‧‧‧支架
10‧‧‧臂
11‧‧‧樞轉件
12‧‧‧(球頭)銑刀
13‧‧‧永久電極
14‧‧‧夾具
15‧‧‧螺紋件
16‧‧‧螺紋件
17‧‧‧滾花螺母
18‧‧‧馬達
19‧‧‧軸體
20‧‧‧夾具
21‧‧‧螺紋件
22‧‧‧螺紋件
23‧‧‧滾花螺母
圖1為包含凹口及被嵌入該凹口之填充件之金屬基材的斜視圖，及圖2為用於修復金屬基材上之損傷的示範性裝置。
1‧‧‧基材
2‧‧‧凹口
3‧‧‧填充件
4‧‧‧凹口邊緣
5‧‧‧相交面

Claims (14)

  1. 一種修復金屬基材(1)上之損傷的方法，包括下列步驟：在該損傷區域開設一凹口(2)，將包含至少一外凸弧形區段之金屬填充件(3)嵌入該凹口(2)並使該至少一弧形區段面朝該凹口(2)，以及將該填充件(3)與該基材(1)焊接於一起，其特徵在於，該填充件(3)嵌入該凹口(2)後接觸其底部，但與該凹口(2)之邊緣(4)至少局部相隔一定距離。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，藉由旋轉切削工具，藉由雷射，藉由電火花腐蝕及/或以成型方式開設(12)該凹口(2)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其特徵在於，將旋轉對稱填充件(3)嵌入該凹口(2)。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其特徵在於，將球形填充件(3)嵌入該凹口(2)。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其特徵在於，將該凹口(2)實施為球截形。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，用球頭銑刀(12)或凸模/衝頭開設該凹口(2)。
  7. 如申請專利範圍第4及5項之方法，其特徵在於，將該凹口(2)實施為球截形並且將球半徑小於該凹口(2)之球半徑的球形填充件(2)嵌入。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法，其特徵在於，將具有與該基材(1)相似或相同組成之填充件(3)嵌入該凹口(2)。
  9. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法，其特徵在於，將合金化程度高於該基材(1)之填充件(3)嵌入該凹口(2)。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之方法，其特徵在於，在該填充件(3)上放置永久電極(13)，再為該永久電極加載電流，以便實施該焊接操作。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之方法，其特徵在於，將焊接後凸出於該基材(1)表面之材料移除。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其特徵在於，藉由端銑刀及/或以磨削方式實施該材料移除。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之方法，其特徵在於，將移動式裝置(6)放置於該基材(1)上並藉由至少一磁體(8)及/或至少一吸盤將該移動式裝置固定於該基材(1)上，而後用此裝置(6)開設該凹口(2)及/或實施該焊接及/或該材料移除操作，且不必將該裝置(6)與該基材(1)分離。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項之方法，其特徵在於，以一深度開設該凹口(2)，該深度等於該填充件(3)所對應之直徑的5%至40%。
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