一种搅拌摩擦水下修复合金表面缺陷的装置及方法

本发明涉及水下修复合金表面缺陷装置；尤其涉及一种搅拌摩擦沉积增材技术水下修复合金表面缺陷的装置及修复方法。

背景技术：

1、随着国民经济的迅速发展，陆地资源不断开发利用造成资源匮乏，于是人们纷纷向深海寻求新能源，推动了海洋工程不断发展，众多工程装备也应用在水下，由于服役条件的特殊性，在水下的机械构件一旦出现损坏，对其修复就会变得异常困难，因此水下修复作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。而在水下进行修复工作时必定会受到水环境因素影响，需要利用机器代替人类完成水下修复任务，同时由于水的存在，待修复区域充满了水以及其他杂质，为了能像陆地上一样进行修复工作，必须有效把修复区域的水排干，以致达到能像陆地修复一样效果，而今已有的解决方法设备都存在排水效果不佳，以及装置结构复杂、体积过大而无法进行有效修复的缺点，使得修复工作效率低下，修复质量难以保证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种一种搅拌摩擦沉积增材技术水下修复合金表面缺陷的装置及修复方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种搅拌摩擦水下修复合金表面缺陷的装置，包括上部端盖1、排水壳体2、置于排水壳体内部的搅拌摩擦头旋转主轴3、以及在旋转主轴3下部连接的搅拌摩擦头4；旋转主轴上部安装有三级涡轮叶片5，旋转主轴3在驱动装置的作用下带动三级涡轮叶片同步旋转，在上端盖1上设有气体进气口8，三级涡轮叶片旋转带动气体进入排水壳体2内部，三级涡轮叶片对空气做功，提高排水壳体2内空气的流速与压力，在排水壳内部形成压气室，使排水壳内部压力增大，工件待修复区域周围的水被高压气体挤出并排干，形成一个局部高压密闭的干式区域。

4、所述的装置，在搅拌摩擦头旋转主轴3上，三级涡轮叶片5的下方设置有稳流板14。

5、所述的装置，排水壳体2的下端开口，上端与端盖1相固定连接且密封，搅拌摩擦头旋转主轴3与搅拌摩擦头驱动连接体6相连接；搅拌摩擦头4内部装有棒材填料9，填料9被装夹在旋转主轴3和搅拌摩擦头4内部的送料通道中，在驱动连接体6的轴向压力下，填料9向下传输。

6、所述的装置，在对应排水壳2内部的上端盖1上设有搅拌摩擦头驱动连接体6的安装孔，搅拌摩擦头驱动连接体6与上部端盖1嵌套连接，连接处设有密封圈7。

7、所述的装置，旋转主轴3与搅拌摩擦头驱动连接体6通过螺丝相连接，旋转主轴3通过驱动连接体6伸入排水壳体2内部。

8、所述的装置，所述排水壳体2由圆柱状上壳体10和圆锥状下壳体11焊接而成，圆锥状下壳体11内部轴向截面为倒圆锥台形结构，进气口8处连接有通气管，使外界气体能够畅通进入排水壳内。

9、所述的装置，所述旋转主轴3上部安装的三级涡轮叶片结构5，每一级涡轮叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角不同，自上而下，一级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为50°，二级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为55°，三级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为60°。

10、所述的装置，所述三级涡轮叶片结构5与排水壳2内壁间隙范围为2-5mm；每一级涡轮叶片结构在旋转主轴方向上间距范围为15-20mm。

11、所述的装置，所述稳流板14安装在三级涡轮叶片下方，稳流板上均匀分布有上下贯通的阵列通孔；以便经三级涡轮叶片增压增速的气体均匀分布于排水腔内；三级涡轮叶片的转速根据旋转主轴的转速变化而变化。

12、所述的装置，所述下壳体11的下端开口与搅拌摩擦头4位于同一平面或者下壳体11的下端部开口的水平面略高于搅拌摩擦头4。

13、所述的装置，所述下壳体11的下端部开口处安装有排水密封圈12，密封圈外缘部分设有橡胶衬套13，橡胶衬套具有单向阀作用，避免排出壳内已排出的水二次回流。

14、根据9任一所述装置的修复方法，包括以下步骤：

15、步骤一，修复时下壳体11的下端开口与待修复工件15保持平行并接触；

16、步骤二，启动搅拌摩擦修复设备，旋转主轴转动带动三级涡轮叶片旋转，外界气体被旋转的三级涡轮叶片通过进气口8带入排水壳体2内部，并在三级涡轮叶片高速旋转所产生的压气作用下，从进气口8处所进入的气体流速和压力增大，并经过稳流板14被均匀分布在下壳体11的倒圆锥形截面内腔；

17、步骤三，三级涡轮叶片会对吸入的气体进行做功，使流速和压力增大，锥形截面结构的下壳体11对高压高速气体产生进一步收缩作用，使气体在锥形截面处流速和压力再次增大，与此同时，流速和压力都很高的气体在下壳体11的下端部开口处经过具有单向阀作用的橡胶衬套喷出排水壳外部；

18、步骤四，在排水密封圈12和具有单向阀橡胶衬套13的共同作用下，工件待修复区域周围的水被高压气体挤出并排干，形成一个局部高压密闭的干式区域，然后在驱动连接体6的轴向压力和旋转主轴3的共同作用下，填料棒9被推入搅拌摩擦头4，并向下运动，直至到达待修复基材表面，利用旋转棒料与基材产生的摩擦，从而使原料棒塑化变形沉积在待修复基材上，从而实现工件的水下增材修复。

19、本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果

20、在旋转主轴上安装有三级转子叶片结构，通过叶片转动对外界吸入气流做功并压缩气流，使吸入气体流速和压力增大，内部截面为锥形结构的下壳体11也可以形成收缩结构，以进一步增强气体的流动速率和压力，下壳体11与排水密封圈12相连接，排水密封圈外部装配有一弹性的橡胶衬套13，衬套具有单向阀的作用，更有利于排干修复区域的的水，保持持续性干式空间，提高修复区域的修复质量，防止外部的水被挤压进修复区域。

21、稳流板14能使高速高压气体均匀分布，并且匀速进入排水壳体2内腔；外排水壳体2由上壳体10和下壳体11焊接而成，对接处密封且安装和拆卸方便。橡胶衬套13和排水密封圈12紧密贴合待修复工件，在高速气体的冲击作用下，工件待修复区形成一个高压气体局部干式空间，使得水下修复工作能像在陆地上一样进行。

22、本装置能够实现对水下各种缺陷的修复，包括孔洞，裂缝，蚀孔等，本发明以排水空腔作为搅拌摩擦工具头的载体,在有水环境下进行修复作业,能够减少修复作业难度以及降低作业成本，可以大幅度提高修复工作效率及修复质量，推动水下修复工程的发展。本装置技术手段简便易行、性能稳定、通用性强，具有积极的推广应用价值。

技术特征：

1.一种搅拌摩擦水下修复合金表面缺陷的装置，其特征在于，包括上部端盖(1)、排水壳体(2)、置于排水壳体内部的搅拌摩擦头旋转主轴(3)、以及在旋转主轴(3)下部连接的搅拌摩擦头(4)；旋转主轴上部安装有三级涡轮叶片(5)，旋转主轴(3)在驱动装置的作用下带动三级涡轮叶片同步旋转，在上端盖(1)上设有气体进气口(8)，三级涡轮叶片旋转带动气体进入排水壳体(2)内部，三级涡轮叶片对空气做功，提高排水壳体(2)内空气的流速与压力，在排水壳内部形成压气室，使排水壳内部压力增大，工件待修复区域周围的水被高压气体挤出并排干，形成一个局部高压密闭的干式区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在搅拌摩擦头旋转主轴(3)上，三级涡轮叶片(5)的下方设置有稳流板(14)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，排水壳体(2)的下端开口，上端与端盖(1)相固定连接且密封，搅拌摩擦头旋转主轴(3)与搅拌摩擦头驱动连接体(6)相连接；搅拌摩擦头(4)内部装有棒材填料(9)，填料(9)被装夹在旋转主轴(3)和搅拌摩擦头(4)内部的送料通道中，在驱动连接体(6)的轴向压力下，填料(9)向下传输。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排水壳体(2)由圆柱状上壳体(10)和圆锥状下壳体(11)焊接而成，圆锥状下壳体(11)内部轴向截面为倒圆锥台形结构，进气口(8)处连接有通气管，使外界气体能够畅通进入排水壳内。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转主轴(3)上部安装的三级涡轮叶片结构(5)，每一级涡轮叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角不同，自上而下，一级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为50°，二级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为55°，三级转子叶片平面倾角与旋转主轴径向平面夹角为60°。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三级涡轮叶片结构(5)与排水壳(2)内壁间隙范围为2-5mm；每一级涡轮叶片结构在旋转主轴方向上间距范围为15-20mm。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述稳流板(14)安装在三级涡轮叶片下方，稳流板上均匀分布有上下贯通的阵列通孔；以便经三级涡轮叶片增压增速的气体均匀分布于排水腔内；三级涡轮叶片的转速根据旋转主轴的转速变化而变化。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下壳体(11)的下端开口与搅拌摩擦头(4)位于同一平面或者下壳体(11)的下端部开口的水平面略高于搅拌摩擦头(4)。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下壳体(11)的下端部开口处安装有排水密封圈(12)，密封圈外缘部分设有橡胶衬套(13)，橡胶衬套具有单向阀作用，避免排出壳内已排出的水二次回流。

10.根据权利要求1-9任一所述装置的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种搅拌摩擦水下修复合金表面缺陷的装置及方法，包括上部端盖、排水壳体、置于排水壳体内部的搅拌摩擦头旋转主轴、以及在旋转主轴下部连接的搅拌摩擦头；旋转主轴上部安装有三级涡轮叶片，旋转主轴在驱动装置的作用下带动三级涡轮叶片同步旋转，在上端盖上设有气体进气口，三级涡轮叶片旋转带动气体进入排水壳体内部，三级涡轮叶片对空气做功，提高排水壳体内空气的流速与压力，在排水壳内部形成压气室，使排水壳内部压力增大。本发明以排水空腔作为搅拌摩擦工具头的载体,在有水环境下进行修复作业,能够减少修复作业难度以及降低作业成本，可以大幅度提高修复工作效率及修复质量，推动水下修复工程的发展。

技术研发人员：沈一洲,郭训忠,周泽星,吕万程,陈晓荻,王笑,韦桂
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14