一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法

摘要

本发明提出了一种螺纹孔的搅拌摩擦焊及机械自锁的修复方法，旨在提高螺纹孔的修复质量和修复效率。本发明在待修复螺纹孔中加工有槽，使得填充材料和待修复区域实现冶金结合的同时产生机械自锁，通过机械自锁和冶金结合双重作用提高修复螺纹孔的承载力。采用的填充材料为圆环形，不仅提高了修复效率，还降低了所使用设备的刚性需求。

权利要求

1.一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，预处理加工

沿待修复螺纹孔周向，均匀加工2‑4个可挤入填充材料以形成机械互锁的槽，加工好后，对待修复螺纹孔进行清洁，直至呈现出均匀一致的金属色，再使用有机溶剂清洗；

步骤二，装夹待修复螺纹孔所在工件和搅拌头

将待修复螺纹孔所在工件装夹在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上；

根据待修复螺纹孔规格尺寸选择相应规格尺寸的搅拌头，将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上，并使搅拌头的搅拌针与待修复螺纹孔同轴；

所述搅拌头包括依次连接的夹持部、轴肩和搅拌针，搅拌针为光滑圆柱；

步骤三，制作并放置填充材料

选用与待修复螺纹孔材质相同材料制作圆环形填充材料，填充材料的高度与待修复螺纹孔的深度相等，然后将制作好的填充材料加热至100‑800℃后放置于待修复螺纹孔中；

步骤四，搅拌修复

启动搅拌摩擦焊机器，使搅拌头以100‑10000rpm的速度旋转的同时，以0.1‑10mm/min的速度向下运动，搅拌头的搅拌针下轧至待修复螺纹孔中并与填充材料内径接触摩擦产热，当搅拌针下端面与待修复螺纹孔的底部接触时停止下轧运动，并继续保持时间为1‑10s的旋转运动，随后搅拌头以0.1‑10mm/min的速度回抽至搅拌针离开待修复螺纹孔，得到光滑壁圆柱孔；

步骤五，攻丝

等所述光滑壁圆柱孔冷却至室温，根据所述待修复螺纹孔的实际尺寸需求，采用相应型号的丝锥对所述光滑壁圆柱孔进行攻丝处理，得到修复后的螺纹孔。

2.根据权利要求1所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤一中加工的槽为T型槽、L型槽、I型槽或S型槽。

3.根据权利要求2所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤一加工的各个槽的结构和尺寸均相同。

4.根据权利要求3所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤一中加工的槽为T型槽，其尺寸是：A为1‑8mm，B为2‑10mm，C为4‑20mm；A为T型槽横部的高度以及竖部的宽度，B为T型槽竖部的高度，C为T型槽横部的长度；当A表示T型槽竖部的宽度时，C大于A。

5.根据权利要求1‑4任一所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于，步骤三中制作的所述圆环形填充材料，其外径小于待修复螺纹孔内径0‑1mm，圆环形填充材料的内径小于其外径2‑4mm。

6.根据权利要求1‑4任一所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤二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螺纹孔材料。

7.根据权利要求1‑4任一所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤二中采用的所述搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1‑10:1。

8.根据权利要求1‑4任一所述的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于：步骤二中采用的所述搅拌针的直径等于待修复螺纹孔内径，搅拌针端部经圆弧倒角后的直径比所述圆环形填充材料的内径小0.1‑0.5mm。

说明书

一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法。

背景技术

[0002] 螺纹连接是一种广泛使用且可拆卸的连接方法，具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，常用于金属与金属，金属与非金属之间的连接。构件服役过程中，在复杂交变载荷作用下，螺纹连接部位会发生螺纹牙脱落，孔壁坍塌等磨损缺陷，这些缺陷会严重影响构件的承载性能。螺纹孔通常加工于构件本体上，螺纹孔的严重磨损会导致整体构件报废，不仅浪费资源且增加成本。因此，需要对螺纹孔的磨损缺陷及时进行修复，增加整体构件的服役期限，达到节约资源和降低成本的目的。目前，基于焊接方法对螺纹孔的修复方式主要有熔化焊修复和搅拌摩擦焊修复。

[0003] 熔化焊接修复方法是指采用焊丝对螺纹孔缺陷部位进行增材修复，而后采用丝锥进行攻丝处理，进而获得满足尺寸要求的全新螺纹孔，如公开号为CN108907374A、CN107030447A、CN106475734A、CN106002081A的专利文献中记载的方案。但是，采用传统熔化焊接修复螺纹孔存在以下弊端：首先，熔化焊接过程中易产生气孔和夹渣缺陷，使修复的螺纹孔存在局部承载性能差的风险；其次，熔化焊接过程中产生的高温使得近螺纹孔和修复螺纹孔区域易产生晶粒粗大组织，进而降低螺纹孔的机械性能；最后，由于尺寸限制，焊丝不能作用于螺纹孔修复区域，导致修复失败。

[0004] 发明专利CN110640295A公开了一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法。该方法在待修复螺纹孔内添加填充材料，而后采用高速旋转的搅拌头下轧，将填充材料挤压至螺纹孔磨损缺陷区域，使填充材料和待修复区域实现冶金结合，达到修复的目的。和传统熔化焊接修复方法相比，该方法提高了螺纹孔的修复质量。但是，由于工艺参数对填充材料和待修复区域的冶金结合程度影响较大，这对如何保证填充材料和待修复区域实现有效冶金结合提出挑战。当搅拌头旋转速度、焊接速度和搅拌针径向压力等工艺参数选择不合理时，会导致冶金结合不充分，且一旦出现冶金结合不充分的情况，只能任由冶金结合不充分缺陷存在于修复区中，在受力的情况下，会使修复区性能迅速恶化。其次，发明专利CN110640295A中所使用的圆柱形填充材料，这对修复设备的刚性提出更高的要求，使得螺纹孔的修复可实现性难度增大。最后，为了充分塑化周围金属，让螺纹刀伸出来，发明专利CN110640295A中的修复需停留时间1‑300s，如果停留时间不够长，螺纹刀周围的金属没有软化，螺纹刀在人力作用下根本伸不出来，进而无法实现螺纹加工的能力，但是较长的停留时间会导致螺纹孔的修复效率下降。

发明内容

[0005] 鉴于以上现有螺纹孔的修复方法所存在的缺点，本发明提出了一种螺纹孔的搅拌摩擦焊及机械自锁的修复方法，使填充材料和待修复区域实现冶金结合的同时产生机械自锁，通过机械自锁和冶金结合双重作用提高修复螺纹孔的承载力。同时，本发明对修复设备的刚性要求较低，使得螺纹孔的修复可实现性难度降低，并能显著提高螺纹孔的修复效率。

[0006] 为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

[0007] 一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0008] 步骤一，预处理加工

[0009] 沿待修复螺纹孔周向，均匀加工2‑4个可挤入填充材料以形成机械互锁的槽，加工好后，对待修复螺纹孔进行清洁，直至呈现出均匀一致的金属色，再使用有机溶剂清洗；

[0010] 步骤二，装夹待修复螺纹孔所在工件和搅拌头

[0011] 将待修复螺纹孔所在装夹在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上；

[0012] 根据待修复螺纹孔规格尺寸选择相应规格尺寸的搅拌头，将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上，并使搅拌头的搅拌针与待修复螺纹孔同轴；

[0013] 步骤三，制作并放置填充材料

[0014] 选用与待修复螺纹孔材质相同材料制作圆环形填充材料，填充材料的高度与待修复螺纹孔的深度相等，然后将制作好的填充材料加热至100‑800℃后放置于待修复螺纹孔中；

[0015] 步骤四，搅拌修复

[0016] 启动搅拌摩擦焊机器，使搅拌头以100‑10000rpm的速度旋转的同时，以0.1‑10mm/min的速度向下运动，搅拌头的搅拌针下轧至待修复螺纹孔中并与填充材料内径接触摩擦产热，当搅拌针下端面与待修复螺纹孔的底部接触时停止下轧运动，并继续保持时间为1‑10s的旋转运动，随后搅拌头以0.1‑10mm/min的速度回抽至搅拌针离开待修复螺纹孔，得到光滑壁圆柱孔；

[0017] 步骤五，攻丝

[0018] 等所述光滑壁圆柱孔冷却至室温，根据所述待修复螺纹孔的实际尺寸需求，采用相应型号的丝锥对所述光滑壁圆柱孔进行攻丝处理，得到修复后的螺纹孔。

[0019] 进一步地，步骤一中加工的槽为T型槽、L型槽、I型槽或S型槽。

[0020] 进一步地，步骤一加工的各个槽的结构和尺寸均相同。

[0021] 进一步地，步骤一中加工的槽为T型槽，其尺寸是：A为1‑8mm，B为2‑10mm，C为4‑20mm；A为T型槽横部的高度以及竖部的宽度，B为T型槽竖部的高度，C为T型槽横部的长度。

[0022] 进一步地，步骤三中制作的所述圆环形填充材料，其外径小于待修复螺纹孔内径0‑1mm，圆环形填充材料的内径小于其外径2‑4mm。

[0023] 进一步地，步骤二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螺纹孔材料。

[0024] 进一步地，步骤二中采用的所述搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1‑10:1。

[0025] 进一步地，步骤二中采用的所述搅拌针的直径等于待修复螺纹孔内径，搅拌针端部经圆弧倒角后的直径比所述圆环形填充材料的内径小0.1‑0.5mm。

[0026] 本发明的有益效果：

[0027] 1、本发明中在待修复螺纹孔上加工了T型槽，在修复过程中，填充材料受热达到塑性状态，搅拌针的径向压力将塑化金属挤压至T型槽，填充材料与待修复螺纹孔之间形成机械自锁。与发明专利CN110640295A中仅靠冶金结合方式实现螺纹孔修复相比，本发明通过冶金结合和机械自锁双重作用促使螺纹孔的修复质量进一步提高。另外，本发明中采用的填充材料为圆环形，与发明专利CN110640295A中所使用的圆柱形填充材料相比，具有优点：(1)能大幅度降低搅拌头下轧过程中的阻力，降低搅拌摩擦焊机器轴向作用力。(2)更节省材料；常规螺纹牙磨损，是极个别螺纹牙磨损，而非全部螺纹牙磨损，因此，实际修复的区域面积很少；用圆环形填充材料，即在满足修复螺纹牙的前提下，不仅提高修复效率，还能降低所使用设备的刚性需求。

[0028] 2、在参数不合理的时候，发明专利CN110640295A会出现冶金结合不充分，且只能任由该缺陷存在于修复区中，在受力的情况下，会使修复区性能迅速恶化。而本发明中，在工艺参数不合理时，虽然也会出现冶金结合不充分，但是由于能够产生机械自锁，在受力的情况下，机械自锁能够加强已存在冶金结合不充分区域的承载能力，而这恰恰是发明专利CN110640295A所不能实现的。因此，在满足修复区承载性能的情况下，本发明的修复工艺参数窗口大于发明专利CN110640295A。3、与发明专利CN110640295A中修复停留时间1‑300s相比，本发明专利中修复停留时间仅为1‑10s，显著提高了修复效率。

[0029] 4、本发明可实现性较高。CN110640295A中即使停留相当长时间(譬如接近300s)，由于摩擦焊的性质属于固相，材料只能加热到塑性状态，而非熔化状态。在塑性状态下，周围塑性金属依旧会对搅拌针形成压力作用，因此，实际上用人力是不能打开搅拌针端部的螺纹刀。如果搅拌针周围是熔化的金属材料，用人力打开螺纹刀才有可能。因此，CN110640295A的可实现性相比于本发明要小的多。

[0030] 5、本发明中采用的搅拌针表面光滑，有利于提高修复后区域的光洁度，无需进行二次加工便可进行攻丝处理，提高修复效率。

[0031] 6、本发明在待修复的螺纹孔中开设的所有槽的结构和尺寸均相同，这样在用铣刀加工槽时，用一个刀具即可，加工时无需更换刀具，提高了加工效率；除此之外，同样尺寸的槽，可以保证修复中被挤入槽内的填充材料一样多，即达到一样的机械互锁目的，保证互锁效果。

[0032] 7、本发明利用固相搅拌摩擦焊方法对螺纹孔进行修复，避免气孔、夹渣、晶粒粗大和热裂纹等缺陷的产生，有利于提高螺纹孔修复质量。

[0033] 8、本发明中搅拌针与填充材料之间摩擦产热，在热力耦合作用下使修复后的近螺纹孔内壁区域为细小动态再结晶组织，有利于提高修复区域的力学性能。

附图说明

[0034] 图1为本发明在待修复螺纹孔上加工的T型槽的示意图。

[0035] 图2为本发明在待修复螺纹孔内放置圆环形填充材料后的示意图。

[0036] 图3为本发明所使用的搅拌头的示意图。

[0037] 图4为搅拌头向下运动下轧至待修复螺纹孔的示意图。

[0038] 图5为搅拌头向上运动离开待修复螺纹孔的示意图。

[0039] 图6为已修复的螺纹孔经攻丝处理形成新的螺纹孔的示意图。

[0040] 图7为图6的剖视图。

[0041] 附图标记说明：

[0042] 1‑T型槽，2‑填充材料，3‑夹持部，4‑轴肩，5‑搅拌针。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0044] 本发明所提供的螺纹孔的搅拌摩擦焊修复方法，适用于对螺纹孔内的螺纹牙磨损和缺失缺陷的修复，本实施例以对7075铝合金构件上的深度为12mm的M8待修复螺纹孔的修复过程为例进行说明，具体包括以下步骤：

[0045] 步骤1，对待修复螺纹孔进行预处理加工

[0046] 将具有待修复螺纹孔的7075铝合金构件固定于铣床上，利用铣刀沿待修复螺纹孔周向均匀加工四个尺寸相同的T型槽1，各T型槽沿待修复螺纹孔高度方向延伸，如图1所示；T型槽1的尺寸：A为3mm，B为3mm，C为6mm；加工好T型槽后，对螺纹孔进行清洁处理，去除油污和异物，直至呈现出均匀一致的金属色，再使用酒精清洗等待修复。

[0047] 步骤2，装夹待修复螺纹孔所在工件和搅拌头

[0048] 2.1将7075铝合金构件装夹在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上

[0049] 将经步骤1预处理后的7075铝合金构件放置于搅拌摩擦焊机器的装夹平台上，对7075铝合金构件进行装夹固定，并保证其上深度为12mm的M8待修复螺纹孔的中心线与搅拌摩擦焊机器的主轴同轴；

[0050] 2.2将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机器主轴上

[0051] 如图3所示，搅拌头包括依次连接的夹持部3、轴肩4和搅拌针5，夹持部3的侧壁上加工有平台，搅拌针5为光滑圆柱，以利于提高修复过程中的摩擦热和径向挤压力；搅拌针5的端部倒有圆角；安装搅拌头时，将夹持部3侧壁上的平台对准搅拌摩擦焊机器主轴的顶紧螺钉孔，并用顶紧螺钉将搅拌头的夹持部3与搅拌摩擦焊机器的主轴相连，并使搅拌头与待修复螺纹孔同轴；本实施例采用的搅拌头的规格为：搅拌针5的直径为7mm，搅拌针5长为12mm，轴肩5直径为18mm，搅拌针端部圆弧倒角后的直径为4.9mm。

[0052] 步骤3，制作并放置填充材料

[0053] 3.1采用7075铝合金制作圆环形填充材料2，制作好的填充材料2的外径为6.9mm，内径为5mm，高度为12mm；

[0054] 3.2将填充材料2用感应加热设备加热至400℃，而后将填充材料2置于待修复螺纹孔中，如图2所示。

[0055] 步骤4，搅拌修复

[0056] 如图4所示，启动搅拌摩擦焊机器，设置搅拌头旋转速度ω为4000rpm并逆时针旋转，下轧速度v1设置为2mm/min；当搅拌头的轴肩4与待修复螺纹孔的上表面接触时，停止下轧，保持旋转速度4000rpm并停留8s；随后搅拌头以5mm/min的v2速度进行回抽，直至搅拌针5离开待修复螺纹孔的上表面，此时形成直径为7mm深度为12mm的光滑壁圆柱孔，如图5所示。

[0057] 步骤5，攻丝

[0058] 采用M8的丝锥对步骤4修复后得到的光滑壁圆柱孔进行攻丝处理，获得修复后的M8螺纹孔，如图6、7所示。

[0059] 需要说明的是，在其他实施例中，上述步骤一中加工的槽也可以不是T型槽，例如可以是L形、1形或S型槽，只要能够实现填充材料被挤入且形成机械互锁即可。加工的槽的数量是2‑4为宜，因为1个槽形成的机械自锁不对称。若槽的数量过多，则会造成孔壁基体切除的过多，会影响修复螺纹孔的质量。