[发明专利]基于搅拌摩擦的裂纹修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，适合于多种金属材料和结构的表面与贯穿裂纹修复，属于缺陷修复技术领域。

背景技术

工程结构在服役过程中由于受到外力冲击、环境腐蚀等因素影响，会在表面产生大量缺陷；工程材料也会由于加工过程(比如焊接、热处理、铸造等)在内部产生孔洞、微裂纹等缺陷。以上所述缺陷最终会导致工程结构出现表面浅裂纹或贯穿表面的深裂纹。材料或结构中危害最大的缺陷就是裂纹，裂纹往往具有多发性、突发性和重复性，并能在载荷作用下逐步扩展导致结构断裂，由裂纹引起的断裂所发生的机械零部件及金属结构的失效，是工程中最重要、最常见的失效模式。据统计，断裂事故中80%以上是由于裂纹扩展导致的，国内外的压力容器、钻井平台、石油管道、原子能反应堆、发动机壳体及叶片、飞机起落架和蒙皮等关键构件均发生过断裂事故，这些灾难性事故大多是由表面裂纹或贯穿裂纹扩展引起的。飞机、船舶、汽车、桥梁、矿山机械、冶金机械、工程机械、动力机械和起重运输机械等工程领域的各个方面都对由裂纹引起的断裂非常重视。而且随着服役时间的延长，工程构件出现裂纹的情况会越来越多，如果能够在裂纹扩展到断裂之前对之实施修复，就可以避免灾难性事故的发生，延长结构与设备的服役期限，不仅可以为企业节约大量的成本，而且可以有效保障人员生命财产不受损失。但遗憾的是目前为止，裂纹的控制和修复技术还远未达到预期。

目前，裂纹的修复方法主要有焊接、粘接、填料、补板、裁丝、激光熔覆与电子束辐照等方法。尽管现在裂纹修复的可选方法较多，但总体来说或多或少存在费时费力、劳动强度大、修复成本高、修复质量差、裂纹反复出现等缺点。因此，开发新的省时省力裂纹修复新方法，尤其是找到一种工程裂纹快速高效修复方法，已成为世界各国研究与维修部门关注的焦点。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，主要解决现有技术劳动强度大、修复成本高、修复质量差及裂纹易反复出现等缺点。本发明针对板、壳类金属结构表面裂纹与贯穿裂纹进行修复，使含裂纹工件能够达到重新使用的要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，根据裂纹出现的部位、裂纹尺寸、待修复材料与结构特征等设计制造搅拌摩擦修复工具，表面裂纹采用无针的修复工具；贯穿裂纹采用有针的修复工具，通过修复工具的旋转实现轴肩与修复材料表面的摩擦，从而使修复区金属在摩擦热的作用下达到热塑性状态，利用修复工具轴肩(搅拌针)的旋转搅拌与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，从而实现对裂纹的填补修复。

所述修复过程为使修复工具沿裂纹路径运行，为防止轴肩过度下压产生的表面凹陷，可以考虑添加与被修复结构同种材料的焊丝。

所述修复工具尺寸为：对于表面裂纹，轴肩直径可取5-10mm，无需搅拌针；对于贯穿裂纹，搅拌针长度长于裂纹最大深度0.5-5mm，搅拌针平均直径等于裂纹最大深度的0.9-1.1倍，轴肩直径为搅拌针直径的3-4倍。

所述修复工具材料为工具钢，对于贯穿裂纹，搅拌针表面可加工螺纹以增强热塑性材料的流动性。

本发明可修复的材料包括铝、镁、铜、钛、铅等金属及其合金，金属基复合材料及某些低强度钢材。

本发明的有益效果及特点：

1、修复过程靠摩擦生热使材料局部塑化，所以整个过程温度都处于材料熔点以下，可以有效避免修复过程对基体材料组织与性能的影响，在组织结构和性能方面实现与母材的平稳过渡，而且构件的变形和残余应力水平都较其他焊接修复方法低。

2、修复过程由于受到修复工具的搅拌摩擦作用，热塑性材料具有较高的应变速率，最终由于动态再结晶过程在修复处形成细小的等轴晶粒组织，从而可以降低裂纹在修复处重复出现的概率，而且可以实现裂纹的等强度修复。

3、修复过程简单、便捷、省时省力，可以实现工程裂纹的快速修复，与柔性设备结合可以实现平面裂纹、曲面裂纹等多种结构形式和材料的裂纹修复。

4、修复过程无烟尘、飞溅，噪音低，能耗小，无需保护气体，修复成本低，对于使用要求不高的裂纹修复甚至不需添加材料，可以实现修复过程的经济环保。

附图说明

图1为表面裂纹示意图。

图2为贯穿裂纹示意图。

图3为表面裂纹修复工具示意图。

图4为贯穿裂纹修复工具示意图。

图5为表面裂纹修复过程示意图。

图6为贯穿裂纹修复过程示意图。

图7为2A12贯穿裂纹修复区等轴再结晶组织图。