用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910675271.X (22)申请日 2019.07.25 (71)申请人 沈阳航空航天大学 地址 110136 辽宁省沈阳市道义经济开发 区道义南大街37号 (72)发明人 吕赞姬书得岳玉梅刘震磊 杨康孟祥晨 (74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 代理人 尚云飞 (51)Int.Cl. B23K 20/12(2006.01) (54)发明名称 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩 擦装置和方法 (57)摘要 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌。

2、摩 擦装置和方法， 属于搅拌摩擦焊修复技术领域。 所述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装 置， 包括可伸缩主轴、 第一可伸缩副轴、 第二可伸 缩副轴和压力控制系统， 第一可伸缩副轴和第二 可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧， 所述 第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二 搅拌头连接， 所述第二可伸缩副轴的端部与支撑 轮或者第二搅拌头连接， 压力控制系统包括上位 机、 设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器 和设置在第二可伸缩副轴上的第二压力传感器。 所述用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装 置和方法， 实现修复过程稳定、 修复后材料组织 均匀， 保证了修复的完整性， 提高了修复质量。 权。

3、利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 110369858 A 2019.10.25 CN 110369858 A 1.一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 安装在搅拌焊设备或机器人上， 其特征在于， 其包括可伸缩主轴、 第一可伸缩副轴、 第二可伸缩副轴和压力控制系统； 所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧， 所述第一可伸 缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二搅拌头连接， 所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮或 者第二搅拌头连接； 所述压力控制系统包括上位机、 设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器和设置在 第二可伸缩副轴上的第二压力传感器， 上位机根据第一压力传感器。

4、和第二压力传感器的压 力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩。 2.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在于， 所 述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接时， 所述第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连 接； 所述第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接时， 所述第二可伸缩副轴的端部与第二 搅拌头连接。 3.根据权利要求1或2所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在 于， 所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接， 所述旋转轴设置有电机， 所 述电机与上位机连接。 4.根据权利要求1或2所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征。

5、在 于， 所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴均分别包括依次连接的第一轴部、 第二轴部和 第三轴部， 所述第一轴部与可伸缩主轴连接， 所述第一轴部的内部固设有与上位机连接的 电动伸缩杆， 所述电动伸缩杆的末端与第二轴部连接， 用于带动第二轴部伸缩。 5.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在于， 所 述第一搅拌头的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽， 第一搅拌头的搅拌针为圆台型， 第一搅 拌头的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合金、 镍基合金、 钨基合金或多晶立方氮化硼。 6.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在于， 所 述第二。

6、搅拌头为半球形， 第二搅拌头的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合金、 镍基合 金、 钨基合金或多晶立方氮化硼。 7.根据权利要求1所述的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在于， 所 述上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二 可伸缩副轴的伸缩的具体方式如下： 第一压力传感器和第二压力传感器分别检测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴 向压力， 并将信号发送给上位机； 当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力大于 上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐缩短， 进而带动第一可 伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴收缩， 直到。

7、第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力 均等于预设压力时， 电动伸缩杆停止缩短； 当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向 压力小于上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐伸长， 进而带 动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴伸长， 直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的 轴向压力均等于预设压力时， 电动伸缩杆停止伸长。 8.一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法， 采用权利要求1所述的用于圆筒结构内壁 缺陷修复的搅拌摩擦装置， 其特征在于， 包括以下步骤： S1： 将待修复圆筒结构竖直放置在夹具上装夹固定， 夹具对待修复圆筒结构的外壁施 权利要求书 1/2 页 2 CN 11。

8、0369858 A 2 加向内的支撑力； S2： 第一次修复， 即对位于待修复圆筒结构内壁的待修复缺陷进行修复， 按如下步骤： S2.1： 将第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接， 第二可伸缩副轴的端 部与支撑轮连接， 确定待修复缺陷的位置及尺寸， 将待修复缺陷进行挖排， 形成规则的长条 形沟槽， 在长条形沟槽中填充同种或异种金属并固定， 第一搅拌头的轴肩尺寸覆盖长条形 沟槽宽度， 第一搅拌头的搅拌针长度大于沟槽深度； S2.2： 调整可伸缩主轴、 第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的长度， 使支撑轮与待修复 圆筒结构的内壁接触， 将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端， 利用第一压力传感器。

9、和第 二压力传感器分别探测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力， 使第一可伸缩副轴 和第二可伸缩副轴的轴向压力相等， 且均等于预设压力； 上位机通过控制电机带动旋转轴 转动， 使第一搅拌头绕第一可伸缩副轴的轴线旋转， 第一可伸缩副轴带动第一搅拌头扎入 长条形沟槽中， 扎入深度达到设定深度时， 第一可伸缩副轴停止伸长； S2.3： 第一搅拌头在扎入位置旋转进行预热， 然后， 可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和 第二可伸缩副轴绕其轴线转动， 使第一搅拌头沿长条形沟槽长度方向进行修复， 直到修复 完整个长条形沟槽， 完成长条形金属与待修复圆筒结构的搅拌摩擦焊； S3： 第二次修复， 即对第一搅拌头的。

10、搅拌针留下的匙孔进行修复， 按如下步骤： 将第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔用同种或异种金属填充； 分别拆掉第一可伸缩副轴 和第二可伸缩副轴端部的旋转轴、 第一搅拌头和支撑轮， 并将第一可伸缩副轴和第二可伸 缩副轴的端部均分别与第二搅拌头连接， 使第二搅拌头的位置与第一次修复后的区域对 应， 使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均与预设压力相等， 可伸缩主轴旋转 进而带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴旋转， 对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行 焊接修复并减小第一次修复的残余应力。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110369858 A 3 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法 。

11、技术领域 0001 本发明涉及搅拌摩擦焊修复技术领域， 特别涉及一种用于圆筒结构内壁缺陷修复 的搅拌摩擦装置和方法。 背景技术 0002 搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)由英国焊接研究所于1991年提出， 是 一种新型固相焊接技术， 具有工作效率高、 节能、 无污染、 焊接变形小、 焊缝质量高等优点， 在航空航天、 汽车、 船舶、 电子等领域有着广泛的应用。 利用基于固相焊接的搅拌摩擦焊修 复金属构件缺陷可以避免与熔化焊相关的裂纹、 气孔等产生， 并有效提高修复后构件的力 学性能， 这种技术现在越来越多的被用于金属构件的修复当中。 0003 专利CN201710。

12、057732.8和CN201010531877.5公开了修复长体积缺陷方法和电弧 预热搅拌摩擦塞补焊方法均集中在平面板材结构或构件的外表面修复， 但现有技术不适用 于工件内部及弧面等结构， 尤其不能对圆筒结构的内壁缺陷进行修复， 因此， 急需一种能对 圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦修复装置。 发明内容 0004 为了解决现有技术存在的技术问题， 本发明提供了一种用于圆筒结构内壁缺陷修 复的搅拌摩擦装置和方法， 实现修复过程稳定、 修复后材料组织均匀， 保证了修复的完整 性， 提高了修复质量。 0005 为了实现上述目的， 本发明的技术方案是： 0006 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装。

13、置， 安装在搅拌焊设备或机器人 上， 其包括可伸缩主轴、 第一可伸缩副轴、 第二可伸缩副轴和压力控制系统； 0007 所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴对称设置在可伸缩主轴的两侧， 所述第一 可伸缩副轴的端部与第一搅拌头或者第二搅拌头连接， 所述第二可伸缩副轴的端部与支撑 轮或者第二搅拌头连接； 0008 所述压力控制系统包括上位机、 设置在第一可伸缩副轴上的第一压力传感器和设 置在第二可伸缩副轴上的第二压力传感器， 上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器 的压力信号控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸缩。 0009 上述技术方案中， 可伸缩主轴固定在搅拌焊设备或机器人上， 第一可伸缩副轴。

14、和 第二可伸缩副轴沿可伸缩主轴的外周对称布置。 第一压力传感器用于检测第一可伸缩副轴 的轴向压力， 第二压力传感器用于检测第二可伸缩副轴的轴向压力， 第一压力传感器和第 二压力传感器均与上位机连接， 第一压力传感器和第二压力传感器将测量的压力数据传递 至上位机， 上位机控制第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴伸长或缩短。 0010 进一步的， 所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接时， 所述第二可伸缩副 轴的端部与支撑轮连接； 所述第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接时， 所述第二可伸 缩副轴的端部与第二搅拌头连接。 说明书 1/8 页 4 CN 110369858 A 4 0011 上述技术方案。

15、中， 第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接， 第二可伸缩副轴的 端部与支撑轮连接， 支撑轮可绕轮自身轴线自由旋转， 支撑轮尺寸和结构强度依据具体待 修复圆筒结构确定， 可拆除更换， 用于使第一搅拌头完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩 擦焊； 第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接， 第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连 接， 两个第二搅拌头都用于修复第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔并减小第一次修复的残余 应力， 使晶粒细化、 组织均匀。 0012 进一步的， 所述第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接， 所述旋转 轴设置有电机， 所述电机与上位机连接。 0013 上述技术方案中， 上位机通过控制。

16、电机进而控制旋转轴转动， 旋转轴转动使第一 搅拌头绕第一可伸缩副轴轴线旋转， 旋转轴安装在第一可伸缩副轴的端部， 第一搅拌头安 装在旋转轴的末端， 可拆除更换。 0014 进一步的， 所述第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴均分别包括依次连接的第一轴 部、 第二轴部和第三轴部， 所述第一轴部与可伸缩主轴连接， 所述第一轴部的内部固设有与 上位机连接的电动伸缩杆， 所述电动伸缩杆的末端与第二轴部连接， 用于带动第二轴部伸 缩。 0015 上述技术方案中， 第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的具体布置如下： 第一可伸 缩副轴包括依次连接的第一轴部、 第二轴部和第三轴部， 第一轴部与可伸缩主轴连接， 第一 轴。

17、部内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆， 电动伸缩杆的末端与第二轴部连接， 用于带 动第二轴部伸缩， 第二轴部与第三轴部固连， 第一压力传感器安装在第二轴部或第三轴部 或第二轴部与第三轴部之间， 用于检测第一可伸缩副轴的轴向压力， 第三轴部的端部与旋 转轴连接， 旋转轴末端固定有第一搅拌头， 电动伸缩杆伸长缩短使第二轴部、 第三轴部、 旋 转轴和第一搅拌头随之前后移动； 第二可伸缩副轴也包括依次连接的第一轴部、 第二轴部 和第三轴部， 第一轴部与可伸缩主轴连接， 第一轴部内部固设有与上位机连接的电动伸缩 杆， 电动伸缩杆的末端与第二轴部连接， 用于带动第二轴部伸缩， 第二轴部与第三轴部固 连， 。

18、第二压力传感器安装在第二轴部或第三轴部或第二轴部与第三轴部之间， 用于检测第 二可伸缩副轴的轴向压力， 第三轴部与支撑轮固定， 电动伸缩杆伸长缩短使第二轴部、 第三 轴部和支撑轮随之前后移动。 0016 所述第一搅拌头的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽， 第一搅拌头的搅拌针为圆台 型， 第一搅拌头的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合金、 镍基合金、 钨基合金或多晶立 方氮化硼。 0017 所述第二搅拌头为半球形， 第二搅拌头的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合 金、 镍基合金、 钨基合金或多晶立方氮化硼。 0018 所述上位机根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号控制第一可伸。

19、缩 副轴和第二可伸缩副轴的伸缩的具体方式如下： 0019 第一压力传感器和第二压力传感器分别检测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴 的轴向压力， 并将信号发送给上位机； 当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的轴向压力 大于上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐缩短， 进而带动第 一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴收缩， 直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向 压力均等于预设压力时， 电动伸缩杆停止缩短； 当第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴的 说明书 2/8 页 5 CN 110369858 A 5 轴向压力小于上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电动伸缩杆使其逐渐伸长。

20、， 进 而带动第一可伸缩副轴和/或第二可伸缩副轴伸长， 直到第一可伸缩副轴和第二可伸缩副 轴的轴向压力均等于预设压力时， 电动伸缩杆停止伸长。 0020 优选的， 电动伸缩杆可采用现有技术， 电动伸缩杆伸长缩短速度范围为1100mm/ min。 0021 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法， 采用上述用于圆筒结构内壁缺陷修复的 搅拌摩擦装置， 包括以下步骤： 0022 S1： 将待修复圆筒结构竖直放置在夹具上装夹固定， 夹具对待修复圆筒结构的外 壁施加向内的支撑力； 0023 S2： 第一次修复， 即对位于待修复圆筒结构内壁的待修复缺陷进行修复， 按如下步 骤： 0024 S2.1： 将第一可。

21、伸缩副轴的端部与第一搅拌头通过旋转轴连接， 第二可伸缩副轴 的端部与支撑轮连接， 确定待修复缺陷的位置及尺寸， 将待修复缺陷进行挖排， 形成规则的 长条形沟槽， 在长条形沟槽中填充同种或异种金属并固定， 第一搅拌头的轴肩尺寸覆盖长 条形沟槽宽度， 第一搅拌头的搅拌针长度大于沟槽深度； 0025 S2.2： 调整可伸缩主轴、 第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的长度， 使支撑轮与待 修复圆筒结构的内壁接触， 将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端， 利用第一压力传感器 和第二压力传感器分别探测第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力， 使第一可伸缩 副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力相等， 且均等于预设压力。

22、； 上位机通过控制电机带动旋 转轴转动， 使第一搅拌头绕第一可伸缩副轴的轴线旋转， 第一可伸缩副轴带动第一搅拌头 扎入长条形沟槽中， 扎入深度达到设定深度时， 第一可伸缩副轴停止伸长； 0026 步骤S2.2中， 将第一搅拌头设置在长条形沟槽的一端即修复的起始位置； 预设压 力为120KN， 优选的， 预设压力为10KN； 旋转轴带动第一搅拌头以50010000转/分的速度 绕第一可伸缩副轴的轴线旋转， 优选的， 第一搅拌头以2000转/分的速度1绕第一可伸缩 副轴的轴线旋转； 第一可伸缩副轴带动第一搅拌头以35毫米/分速度扎入待修复金属沟 槽中， 优选的， 第一可伸缩副轴以3毫米/分速度带动。

23、第一搅拌头扎入待修复金属沟槽中， 在 整个修复的过程中， 当第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力发生变化时， 上位机 会随时进行调节， 保证第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力相等， 且均等于预设 压力； 0027 S2.3： 第一搅拌头在扎入位置旋转进行预热， 然后， 可伸缩主轴带动第一可伸缩副 轴和第二可伸缩副轴绕其轴线转动， 使第一搅拌头沿长条形沟槽长度方向进行修复， 直到 修复完整个长条形沟槽， 完成长条形金属与待修复圆筒结构的搅拌摩擦焊； 0028 步骤S2.3中， 第一搅拌头保持以2000转/分的速度1旋转； 第一搅拌头在扎入位 置旋转进行预热的预热时间为1100s， 优选。

24、的， 预热时间为10s； 可伸缩主轴带动第一可伸 缩副轴和第二可伸缩副轴以5300毫米/分的线速度绕其转动， 优选的， 第一可伸缩副轴和 第二可伸缩副轴以50毫米/分的线速度v1绕可伸缩主轴旋转； 0029 S3： 第二次修复， 即对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行修复， 按如下步骤： 0030 将第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔用同种或异种金属填充； 分别拆掉第一可伸缩 副轴和第二可伸缩副轴端部的旋转轴、 第一搅拌头和支撑轮， 并将第一可伸缩副轴和第二 说明书 3/8 页 6 CN 110369858 A 6 可伸缩副轴的端部均分别与第二搅拌头连接， 使第二搅拌头的位置与第一次修复后的区域 对应。

25、， 使第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压力均与预设压力相等， 可伸缩主轴旋 转进而带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴旋转， 对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进 行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。 0031 步骤S3中， 拆掉第一可伸缩副轴端部的旋转轴和第一搅拌头， 以及第二可伸缩副 轴端部的支撑轮， 将第一可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接， 第二可伸缩副轴的端部与 第二搅拌头连接， 预设压力为120KN， 优选的， 预设压力为8KN； 可伸缩主轴带动第一可伸 缩副轴和第二可伸缩副轴以50010000转/分的速度旋转， 优选的， 可伸缩主轴以1000转/ 分的速度2旋转， 并保持旋转120。

26、0s， 优选的， 保持旋转50s； 使第二搅拌头的位置与第一 次修复后的区域对应是指在位置上保证可伸缩主轴带动第一可伸缩副轴和第二可伸缩副 轴旋转的过程中对第一搅拌头的搅拌针留下的匙孔进行焊接修复并减小第一次修复的残 余应力。 0032 本发明的有益效果： 0033 1)本发明的用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置适用于圆形横截面圆筒 结构金属， 特别适用于铝、 镁等构件内壁表面的修复， 通过内壁修复， 延长了构件的寿命， 提 高了构件的整体性能； 0034 2)第一可伸缩副轴的端部与第一搅拌头连接， 第二可伸缩副轴的端部与支撑轮连 接进行第一次修复， 完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩擦焊，。

27、 在第一次修复后， 使第一可 伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接， 第二可伸缩副轴的端部与第二搅拌头连接， 对第一搅 拌头的搅拌针留下的匙孔进行修复， 保证了修复的完整性， 并且还可减小第一次修复的焊 接残余应力， 提高修复质量； 0035 3)设置预设压力， 上位机动态调整第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的轴向压 力， 改变第一可伸缩副轴和第二可伸缩副轴的伸长缩短， 即第一搅拌头的搅拌针压入待修 复圆筒结构内壁的深度大小， 使内壁修复过程稳定， 修复后材料组织均匀。 0036 本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。 附图说明 0037 图1是本发明提供的第一次修复时用于圆。

28、筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置的 结构示意图， 其中， 图1(a)为立体结构示意图， 图1(b)为主视结构示意图； 0038 图2是本发明提供的第二次修复时用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置的 结构示意图， 其中， 图2(a)为立体结构示意图， 图2(b)为主视结构示意图； 0039 图3是本发明图1中第一可伸缩副轴的结构示意图； 0040 图4是本发明图1中第二可伸缩副轴的结构示意图； 0041 图5是本发明提供的待修复圆筒结构的结构示意图； 0042 图6是本发明提供的对待修复缺陷进行挖排后形成规则的长条形沟槽的结构示意 图； 0043 图7是本发明提供的用于圆筒结构内壁缺陷修复的方。

29、法中第一次修复的示意图； 0044 图8是本发明提供的用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法中第二次修复的示意图。 0045 说明书附图中的附图标记包括： 说明书 4/8 页 7 CN 110369858 A 7 0046 1-可伸缩主轴， 2-第一可伸缩副轴， 3-支撑轮， 4-旋转轴， 5-第一搅拌头， 6-第二搅 拌头， 7-待修复圆筒结构， 8-待修复缺陷， 9-长条形沟槽， 10-第二可伸缩副轴， 11-匙孔， 12- 第一轴部， 13-第二轴部， 14-第三轴部， 15-电机， 16-第一压力传感器， 17-第二压力传感器， 18-电动伸缩杆， 19-第一次修复后的区域。 具体实施方式 0。

30、047 下面详细描述本发明的实施例， 实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0048 在本发明的描述中， 需要说明的是， 术语 “上” 、“下” 、“内” 、“外” 、“一端” 、“另一端” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和 简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造 和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0049 此外， 术语 “第一” 、。

31、“第二” 、“第三” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相 对重要性。 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“设置有” 、“连接” 应做广义理解， 例 如， 可以是机械连接或电连接， 也可以是两个元件内部的连通， 可以是直接相连， 也可以通 过中间媒介间接相连， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语 的具体含义。 0050 为了解决现有技术存在的问题， 如图1至图8所示， 本发明提供了一种用于圆筒结 构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置和方法， 实现修复过程稳定、 修复后材料组织均匀， 保证了 修复的完整性， 提高了修复质量。 0051 如图1至图4所示， 一种。

32、用于圆筒结构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 安装在搅拌 焊设备或机器人上， 其包括可伸缩主轴1、 第一可伸缩副轴2、 第二可伸缩副轴10和压力控制 系统， 可伸缩主轴1的两侧对称设置有第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10， 第一可伸缩 副轴2的端部与第一搅拌头5或者第二搅拌头6连接， 第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3或 者第二搅拌头6连接， 具体布置方式为： 第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5连接时， 第 二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3连接； 第一可伸缩副轴2的端部与第二搅拌头6连接时， 第 二可伸缩副轴10的端部与第二搅拌头6连接， 第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5通过 旋转轴4连接。

33、， 旋转轴4设置有电机15， 电机15与上位机连接。 压力控制系统包括上位机、 设 置在第一可伸缩副轴2上的第一压力传感器16和设置在第二可伸缩副轴10上的第二压力传 感器17， 上位机根据第一压力传感器16和第二压力传感器17的压力信号控制第一可伸缩副 轴2和第二可伸缩副轴10的伸缩， 第一压力传感器16和第二压力传感器17均可采用现有技 术。 0052 本发明中， 可伸缩主轴1固定在搅拌焊设备或机器人上， 第一可伸缩副轴2和第二 可伸缩副轴10沿可伸缩主轴1的外周对称布置。 第一压力传感器16用于检测第一可伸缩副 轴2的轴向压力， 第二压力传感器17用于检测第二可伸缩副轴10的轴向压力， 。

34、第一压力传感 器16和第二压力传感器17均与上位机连接， 第一压力传感器16和第二压力传感器17将测量 的压力数据传递至上位机， 上位机控制第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10伸长或缩短。 第一可伸缩副轴2的端部与第一搅拌头5连接， 第二可伸缩副轴10的端部与支撑轮3连接， 支 说明书 5/8 页 8 CN 110369858 A 8 撑轮3可绕轮自身轴线自由旋转， 支撑轮3尺寸和结构强度依据具体待修复圆筒结构7确定， 可拆除更换， 用于使第一搅拌头5完成长条形金属与圆筒结构的搅拌摩擦焊； 第一可伸缩副 轴2的端部与第二搅拌头6连接， 第二可伸缩副轴10的端部与第二搅拌头6连接， 两个第二搅 。

35、拌头6都用于修复第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11并减小第一次修复的残余应力， 使晶 粒细化、 组织均匀。 上位机通过控制电机15进而控制旋转轴4转动， 旋转轴4转动使第一搅拌 头5绕第一可伸缩副轴2轴线旋转， 旋转轴4安装在第一可伸缩副轴2的端部， 第一搅拌头5安 装在旋转轴4的末端， 可拆除更换。 0053 如图3和图4所示， 第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10均分别包括依次连接的 第一轴部12、 第二轴部13和第三轴部14， 第一轴部12与可伸缩主轴1连接， 第一轴部12的内 部固设有与上位机连接的电动伸缩杆18， 电动伸缩杆18的末端与第二轴部13连接， 用于带 动第二轴部13伸缩。。

36、 第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的具体布置如下： 如图3所示， 第 一可伸缩副轴2包括依次连接的第一轴部12、 第二轴部13和第三轴部14， 第一轴部12与可伸 缩主轴1连接， 第一轴部12内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆18， 电动伸缩杆18的末端 与第二轴部13连接， 用于带动第二轴部13伸缩， 第二轴部13与第三轴部14固连， 第一压力传 感器16安装在第二轴部13或第三轴部14或第二轴部13与第三轴部14之间， 用于检测第一可 伸缩副轴2的轴向压力， 第三轴部14的端部与旋转轴4连接， 旋转轴4末端固定有第一搅拌头 5， 电动伸缩杆18伸长缩短使第二轴部13、 第三轴部14、 。

37、旋转轴4和第一搅拌头5随之前后移 动； 如图4所示， 第二可伸缩副轴10也包括依次连接的第一轴部12、 第二轴部13和第三轴部 14， 第一轴部12与可伸缩主轴1连接， 第一轴部12内部固设有与上位机连接的电动伸缩杆 18， 电动伸缩杆18的末端与第二轴部13连接， 用于带动第二轴部13伸缩， 第二轴部13与第三 轴部14固连， 第二压力传感器17安装在第二轴部13或第三轴部14或第二轴部13与第三轴部 14之间， 用于检测第二可伸缩副轴10的轴向压力， 第三轴部14与支撑轮3固定， 电动伸缩杆 18伸长缩短使第二轴部13、 第三轴部14和支撑轮3随之前后移动。 0054 作为一种优选的实施方。

38、式， 第一搅拌头5的轴肩面为圆环形或者螺旋线凹槽， 第一 搅拌头5的搅拌针为圆台型， 第一搅拌头5的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合金、 镍基 合金、 钨基合金或多晶立方氮化硼。 第二搅拌头6为半球形， 第二搅拌头6的材质为工具钢、 合金钢、 不锈钢、 硬质合金、 镍基合金、 钨基合金或多晶立方氮化硼。 0055 本发明中， 上位机根据第一压力传感器16和第二压力传感器17的压力信号控制第 一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的伸缩的具体方式如下： 0056 第一压力传感器16和第二压力传感器17分别检测第一可伸缩副轴2和第二可伸缩 副轴10的轴向压力， 并将信号发送给上位机； 当第一。

39、可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10 的轴向压力大于上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电动伸缩杆18使其逐渐缩 短， 进而带动第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10收缩， 直到第一可伸缩副轴2和第二 可伸缩副轴10的轴向压力均等于预设压力时， 电动伸缩杆18停止缩短； 当第一可伸缩副轴2 和/或第二可伸缩副轴10的轴向压力小于上位机设置的预设压力时， 上位机控制对应的电 动伸缩杆18使其逐渐伸长， 进而带动第一可伸缩副轴2和/或第二可伸缩副轴10伸长， 直到 第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力均等于预设压力时， 电动伸缩杆18停止 伸长。 优选的， 电动伸缩杆18可采用现。

40、有技术， 电动伸缩杆18伸长缩短速度范围为1 100mm/min。 说明书 6/8 页 9 CN 110369858 A 9 0057 如图5至图8所示， 一种用于圆筒结构内壁缺陷修复的方法， 采用上述用于圆筒结 构内壁缺陷修复的搅拌摩擦装置， 包括以下步骤： 0058 S1： 将待修复圆筒结构7竖直放置在夹具上装夹固定， 夹具对待修复圆筒结构7的 外壁施加向内的支撑力(如图7和图8中待修复圆筒结构7两侧的箭头所示的支撑力方向)； 0059 S2： 如图7所示， 第一次修复， 即对位于待修复圆筒结构7内壁的待修复缺陷8进行 修复， 按如下步骤： 0060 S2.1： 将第一可伸缩副轴2的端部与。

41、第一搅拌头5通过旋转轴4连接， 第二可伸缩副 轴10的端部与支撑轮3连接， 确定待修复缺陷8的位置及尺寸， 将待修复缺陷8进行挖排， 形 成规则的长条形沟槽9， 在长条形沟槽9中填充同种或异种金属并固定， 第一搅拌头5的轴肩 尺寸完全覆盖长条形沟槽9宽度， 第一搅拌头5的搅拌针长度大于沟槽深度。 0061 S2.2： 调整可伸缩主轴1、 第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的长度， 使支撑轮 3与待修复圆筒结构7的内壁接触， 将第一搅拌头5设置在长条形沟槽9的一端， 利用第一压 力传感器16和第二压力传感器17分别探测第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压 力， 使第一可伸缩副轴2和第二。

42、可伸缩副轴10的轴向压力相等， 且均等于预设压力； 上位机 通过控制电机15带动旋转轴4转动， 使第一搅拌头5绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转， 第一可 伸缩副轴2带动第一搅拌头5扎入长条形沟槽9中， 扎入深度达到设定深度时， 第一可伸缩副 轴2停止伸长； 本实施方式中， 将第一搅拌头5设置在长条形沟槽9的一端即修复的起始位 置； 预设压力为120KN， 优选的， 预设压力为10KN； 旋转轴4带动第一搅拌头5以50010000 转/分的速度绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转， 优选的， 第一搅拌头5以2000转/分的速度1 绕第一可伸缩副轴2的轴线旋转； 第一可伸缩副轴2带动第一搅拌头5以35毫米/分。

43、速度扎 入待修复金属沟槽中， 优选的， 第一可伸缩副轴2以3毫米/分速度带动第一搅拌头5扎入待 修复金属沟槽中， 在整个修复的过程中， 当第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压 力发生变化时， 上位机会随时进行调节， 保证第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向 压力相等， 且均等于预设压力。 0062 S2.3： 第一搅拌头5在扎入位置旋转进行预热， 然后， 可伸缩主轴1带动第一可伸缩 副轴2和第二可伸缩副轴10绕其轴线转动， 使第一搅拌头5沿长条形沟槽9长度方向进行修 复， 直到修复完整个长条形沟槽9， 完成长条形金属与待修复圆筒结构7的搅拌摩擦焊； 本实 施方式中， 第一搅拌头5。

44、保持以2000转/分的速度1(第一搅拌头5转速)旋转； 第一搅拌头5 在扎入位置旋转进行预热的预热时间为1100s， 优选的， 预热时间为10s； 可伸缩主轴1带 动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10以5300毫米/分的线速度绕其转动， 优选的， 第 一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10以50毫米/分的线速度v1(第一搅拌头5绕可伸缩主轴1 转动线速度)绕可伸缩主轴1旋转。 0063 S3： 如图8所示， 第二次修复， 即对第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11进行修复， 按如下步骤： 0064 将第一搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11用同种或异种金属填充； 分别拆掉第一可 伸缩副轴2和第二可伸缩副轴。

45、10端部的旋转轴4、 第一搅拌头5和支撑轮3， 并将第一可伸缩 副轴2和第二可伸缩副轴10的端部均分别与第二搅拌头6连接， 使第二搅拌头6的位置与第 一次修复后的区域19对应， 使第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10的轴向压力均与预设 压力相等， 可伸缩主轴1旋转进而带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10旋转， 对第一 说明书 7/8 页 10 CN 110369858 A 10 搅拌头5的搅拌针留下的匙孔11进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。 本实施方式 中， 拆掉第一可伸缩副轴2端部的旋转轴4和第一搅拌头5， 以及第二可伸缩副轴10端部的支 撑轮3， 将第一可伸缩副轴2的端部与第二。

46、搅拌头6连接， 第二可伸缩副轴10的端部与第二搅 拌头6连接， 预设压力为120KN， 优选的， 预设压力为8KN； 可伸缩主轴1带动第一可伸缩副 轴2和第二可伸缩副轴10以50010000转/分的速度旋转， 优选的， 可伸缩主轴1以1000转/ 分的速度2(第二次修复时可伸缩主轴1的转速)旋转， 并保持旋转1200s， 优选的， 保持 旋转50s； 使第二搅拌头6的位置与第一次修复后的区域19对应是指在位置上保证可伸缩主 轴1带动第一可伸缩副轴2和第二可伸缩副轴10旋转的过程中对第一搅拌头5的搅拌针留下 的匙孔11进行焊接修复并减小第一次修复的残余应力。 0065 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 8/8 页 11 CN 110369858 A 11 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 12 CN 110369858 A 12 图4 图5 图6 说明书附图 2/3 页 13 CN 110369858 A 13 图7 图8 说明书附图 3/3 页 14 CN 110369858 A 14 。