[發明專利]基于攪拌摩擦的裂紋修復方法

無效

• 申請號: 201310129458.2
• 申請日: 2013-04-15
• 公開（公告）號: CN103212778A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 王磊;回麗;許良;馬少華;周松;李平赟;張寧
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

技術領域

本發明涉及一種基于攪拌摩擦的裂紋修復方法，適合于多種金屬材料和結構的表面與貫穿裂紋修復，屬于缺陷修復技術領域。

背景技術

工程結構在服役過程中由于受到外力沖擊、環境腐蝕等因素影響，會在表面產生大量缺陷；工程材料也會由于加工過程(比如焊接、熱處理、鑄造等)在內部產生孔洞、微裂紋等缺陷。以上所述缺陷最終會導致工程結構出現表面淺裂紋或貫穿表面的深裂紋。材料或結構中危害最大的缺陷就是裂紋，裂紋往往具有多發性、突發性和重復性，并能在載荷作用下逐步擴展導致結構斷裂，由裂紋引起的斷裂所發生的機械零部件及金屬結構的失效，是工程中最重要、最常見的失效模式。據統計，斷裂事故中80%以上是由于裂紋擴展導致的，國內外的壓力容器、鉆井平臺、石油管道、原子能反應堆、發動機殼體及葉片、飛機起落架和蒙皮等關鍵構件均發生過斷裂事故，這些災難性事故大多是由表面裂紋或貫穿裂紋擴展引起的。飛機、船舶、汽車、橋梁、礦山機械、冶金機械、工程機械、動力機械和起重運輸機械等工程領域的各個方面都對由裂紋引起的斷裂非常重視。而且隨著服役時間的延長，工程構件出現裂紋的情況會越來越多，如果能夠在裂紋擴展到斷裂之前對之實施修復，就可以避免災難性事故的發生，延長結構與設備的服役期限，不僅可以為企業節約大量的成本，而且可以有效保障人員生命財產不受損失。但遺憾的是目前為止，裂紋的控制和修復技術還遠未達到預期。

目前，裂紋的修復方法主要有焊接、粘接、填料、補板、裁絲、激光熔覆與電子束輻照等方法。盡管現在裂紋修復的可選方法較多，但總體來說或多或少存在費時費力、勞動強度大、修復成本高、修復質量差、裂紋反復出現等缺點。因此，開發新的省時省力裂紋修復新方法，尤其是找到一種工程裂紋快速高效修復方法，已成為世界各國研究與維修部門關注的焦點。

發明內容

本發明針對上述問題，提出一種基于攪拌摩擦的裂紋修復方法，主要解決現有技術勞動強度大、修復成本高、修復質量差及裂紋易反復出現等缺點。本發明針對板、殼類金屬結構表面裂紋與貫穿裂紋進行修復，使含裂紋工件能夠達到重新使用的要求。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：一種基于攪拌摩擦的裂紋修復方法，根據裂紋出現的部位、裂紋尺寸、待修復材料與結構特征等設計制造攪拌摩擦修復工具，表面裂紋采用無針的修復工具；貫穿裂紋采用有針的修復工具，通過修復工具的旋轉實現軸肩與修復材料表面的摩擦，從而使修復區金屬在摩擦熱的作用下達到熱塑性狀態，利用修復工具軸肩(攪拌針)的旋轉攪拌與頂鍛作用實現裂紋周圍熱塑性金屬的流動轉移與動態再結晶，從而實現對裂紋的填補修復。

所述修復過程為使修復工具沿裂紋路徑運行，為防止軸肩過度下壓產生的表面凹陷，可以考慮添加與被修復結構同種材料的焊絲。

所述修復工具尺寸為：對于表面裂紋，軸肩直徑可取5-10mm，無需攪拌針；對于貫穿裂紋，攪拌針長度長于裂紋最大深度0.5-5mm，攪拌針平均直徑等于裂紋最大深度的0.9-1.1倍，軸肩直徑為攪拌針直徑的3-4倍。

所述修復工具材料為工具鋼，對于貫穿裂紋，攪拌針表面可加工螺紋以增強熱塑性材料的流動性。

本發明可修復的材料包括鋁、鎂、銅、鈦、鉛等金屬及其合金，金屬基復合材料及某些低強度鋼材。

本發明的有益效果及特點：

1、修復過程靠摩擦生熱使材料局部塑化，所以整個過程溫度都處于材料熔點以下，可以有效避免修復過程對基體材料組織與性能的影響，在組織結構和性能方面實現與母材的平穩過渡，而且構件的變形和殘余應力水平都較其他焊接修復方法低。

2、修復過程由于受到修復工具的攪拌摩擦作用，熱塑性材料具有較高的應變速率，最終由于動態再結晶過程在修復處形成細小的等軸晶粒組織，從而可以降低裂紋在修復處重復出現的概率，而且可以實現裂紋的等強度修復。

3、修復過程簡單、便捷、省時省力，可以實現工程裂紋的快速修復，與柔性設備結合可以實現平面裂紋、曲面裂紋等多種結構形式和材料的裂紋修復。

4、修復過程無煙塵、飛濺，噪音低，能耗小，無需保護氣體，修復成本低，對于使用要求不高的裂紋修復甚至不需添加材料，可以實現修復過程的經濟環保。

附圖說明

圖1為表面裂紋示意圖。

圖2為貫穿裂紋示意圖。

圖3為表面裂紋修復工具示意圖。

圖4為貫穿裂紋修復工具示意圖。

圖5為表面裂紋修復過程示意圖。

圖6為貫穿裂紋修復過程示意圖。

圖7為2A12貫穿裂紋修復區等軸再結晶組織圖。