CN102689131A - 一种金属件裂纹的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属件裂纹的修复方法，属于材料加工及制造工程领域，该方法包括如下步骤：（1）使用加热装置对金属件的裂纹处进行加热的步骤；和（2）在裂纹处的金属件外表面施加超声振动的步骤。本发明的方法不仅对裂纹的修复效果比较明显、操作简单方便，而且设备造价较低、适用范围广，具有重大的应用前景和经济价值。

Description

一种金属件裂纹的修复方法

技术领域

本发明涉及一种金属件裂纹的修复方法，特别是较大尺寸机械设备的金属部件表面或内部微小裂纹的修复方法，属于材料加工及制造工程领域。

背景技术

目前，对于机械设备的金属部件表面或内部微小裂纹主要采用加热修复技术或施加电流脉冲的修复技术。

作为加热修复技术，文献1（X.G.Li,C.F.Dong,H.Chen.Healing of hydrogenattack crack in austenite stainless steel under heat treatment.Acta Metallurgica Sinica(English Letter),2002,4(15):385-390）和文献2（C.F.Dong,X.G.Li,Z.Y.Liu,Y.R.Zhang.Hydrogen-induced cracking and healing behaviour of X70 steel.Journal ofAlloys and Compounds,2009(484):966-972）中分别介绍了对奥氏体不锈钢和X70钢材料中裂纹的热处理修复技术。文献3（韩静涛,许树森,陈刚等.大型锻件的夹杂性裂纹与控制锻造工艺.钢铁,1997,32(3):35-39）中介绍了：经过高温愈合处理，锻件中夹杂性裂纹的范围大幅减小，单个裂纹的长度也有明显缩短。这些热处理修复技术的主要特点是需要在高温（高达600℃）下保温数小时，其中的保温环节会使金属件的整体显微组织和性能发生较大改变，从而改变金属件原有的机械性能，特别是对有特殊组织性能要求的金属件会产生不利影响。此外，对于较大尺寸的金属件而言，使其加热保温所需成本也很高，而且保温所需的设备条件也难以保证。

作为施加电流脉冲的修复技术，文献4（A.Hosoi,T.Nagahama,Y.Ju.Fatiguecrack healing by a controlled high density electric current field.Material Science andEngineering A,2012(533):38-42）中介绍了对含预置疲劳裂纹的SUS316奥氏体不锈钢试样施加高密度脉冲电流来使裂纹愈合的工艺。这种工艺不但需要使用高脉冲电流，而且对大型金属件的适用性差，操作也比较复杂。此外，考虑到导电性问题，这种脉冲电流裂纹修复法对被修复的金属件表面有一定要求，而且只是单纯的能量修复法，修复效果不很理想。

此外，还有应用超声冲击进行裂纹修复的方法。例如，文献5（A.Abdullah,M.Malaki,A.Eskandari.Strength enhancement of the welded structures byultrasonic peening.Materials and Design,2012(38):7-18）中介绍了应用超声冲击处理技术提高焊接结构强度。其中提到：在未经超声冲击处理的区域仍然存在有长度为21μm的微裂纹，在超声冲击处理的区域则没有发现类似裂纹。说明超声冲击处理对裂纹的愈合有积极作用。文献6（严铿，聂洁，于怀东，徐律.超声冲击处理对灰铸铁焊接冷裂纹影响.焊接学报,2007,28(11):78-84）中介绍了对灰铸铁焊缝进行超声冲击处理后的效果：超声冲击处理后焊缝显微组织发生突变膨胀，对裂纹愈合有一定的促进作用。但这些应用超声冲击进行裂纹修复的方法其修复效果仍有待于进一步提高。

随着现代装备制造能力的提高，机械设备的大型化、重载荷化将是未来制造与加工的发展趋势，研发修复效果好、操作方便、经济成本低、适用范围广的金属件裂纹修复方法具有重大的应用前景和经济价值。到目前为止，还没有能够同时满足上述各要求的金属件裂纹修复方法的问世。

发明内容

本发明的目的是提供一种修复金属件表面或内部微小裂纹的新方法，以解决现有技术中存在的修复效果不理想、操作繁琐、经济成本高以及适用性差等问题。

本发明的方法是一种采用加热与超声振动相结合的裂纹修复技术，具体而言，包括如下步骤：

（1）使用加热装置对金属件的裂纹处进行加热的步骤；

（2）在裂纹处的金属件外表面施加超声振动的步骤。

其中，优选将金属件的裂纹处加热到150°C以上后，再在裂纹处的金属件外表面施加超声振动。

所述加热装置优选为火焰加热装置，关于形状，例如可以列举环形火焰加热圈、方形火焰加热框或其他任意形状的火焰加热装置。

所述火焰加热装置具备火焰喷孔，火焰喷孔优选在火焰加热装置上均匀分布，其数目优选为4~8个。

另外，所述超声振动的频率优选为20~100kHz，处理时间优选为20~180秒。

本发明的方法采用加热与超声振动相结合的方式修复金属件裂纹，不仅对裂纹的修复效果比较明显、操作简单方便，而且设备造价较低、适用范围广，具有重大的应用前景和经济价值。

附图说明

图1是本发明金属件裂纹修复方法的工作原理图（立体图）。

图2是图1所示工作原理图的主视图。

图3是沿图1中A-A线的剖视图。

图4是图1所示工作原理图的俯视图。

图1~4中，1：超声振动发生器；2：环形火焰加热圈；3：燃料输入口；4：火焰；5：金属件；6：裂纹。

具体实施方式

本发明的方法突破了传统的仅通过加热或者仅通过超声振动的单一能量补充方式，通过同时导入热能和由超声振动产生的机械能作为裂纹修复的能量来源，利用加热和超声振动的联合作用来加速金属件中裂纹的愈合。具体而言，本发明的方法是一种金属件裂纹的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）使用加热装置对金属件的裂纹处进行加热的步骤；

（2）在裂纹处的金属件外表面施加超声振动的步骤。

在金属件外表面施加超声振动冲击处理，不仅可以减少金属件在加工之后的残余应力，降低金属件在服役过程中出现开裂的可能性；同时，由于超声振动产生的机械能会使金属件裂纹处的表面温度迅速升高，因此不必对金属件进行长时间高温保温就可在裂纹尖端产生局部重熔，从而容易实现裂纹愈合。由此可避免因长时间高温保温而导致的金属件原有机械性能改变、经济成本提高以及不得不使用大型保温设备等缺陷。

此外，超声振动可在金属件上产生压应力，并将振动产生的机械能传递到裂纹处。由于加热环节的存在，裂纹处局部重熔容易发生，超声振动产生的压应力和机械能则更容易加速裂纹处原子的扩散，从而促进裂纹闭合。由此可以克服单纯使用超声振动进行裂纹修复时效果不佳的缺陷。

本发明的方法在加热和超声振动的联合作用下，金属件表面显微组织结构发生突变，显微组织结构的突变伴随体积突变和膨胀，从而实现金属件内部或表面裂纹的修复。本发明的方法不需要对金属件整体进行长时间的高温保温，避免使用特定的脉冲电源，降低了裂纹修复的操作难度和经济成本，提高了修复效果。

下面结合附图1~4详细叙述本发明。

在附图1~4，使用如下方法修复金属件裂纹：将含有微小裂纹6的金属件5放置于环形火焰加热圈2下，使裂纹6处于环形火焰加热圈2的正下方。通过燃料输入口3输入燃料，启动打火装置（未图示）使火焰4从火焰喷孔处喷出。当金属件5的裂纹6处被加热到一定温度（例如至少150℃）后，开启放置于裂纹6处的超声振动发生器1，在裂纹6处的金属件外表面施加超声振动冲击处理。

在附图1~4中采用火焰加热，但本发明不限定于此，还可使用电加热等方式，但优选火焰加热。火焰加热的装置及操作均比较简单，容易适用于大尺寸金属件，易解决大尺寸金属件裂纹修复的难题。

当采用火焰加热时，所使用的燃料可以列举乙炔、丙烷、丙烯、液化石油气和天然气等可燃燃气，使用氧气作为助燃气体。

对加热装置的形状没有特别限制，只要能够起到加热金属件裂纹处的目的即可。例如，除了可以采用附图1~4中所示的环形火焰加热圈以外，还可采用方形火焰加热框或者其他本领域技术人员公知的任意形状。

优选火焰加热装置上的火焰喷孔在火焰加热装置上均匀分布，其数目可依据裂纹大小及金属件材质等具体设定，一般为4~8个。另外，火焰加热装置的材料优选由导热性较好的紫铜管制成。

在本发明的方法中，优选将金属件的裂纹处加热到一定温度后，再在裂纹处的金属件外表面施加超声振动。所述加热温度优选为150℃以上，更优选为200℃以上。另外，优选为550℃以下，更优选为350℃以下。通过采用上述范围的加热温度，不仅可以有效进行金属件裂纹修复，还可避免因长时间高温保温而导致的各种缺陷。其中，加热温度可以通过温度监测仪进行监控。

此外，在本发明的方法中施加的超声振动的频率优选为20~100kHz。处理时间优选为20~180秒，更优选为20~120秒。通过采用上述范围的频率和处理时间，可以有效实现裂纹愈合。

本发明不但结合了加热和超声振动的各自优势，而且加热和超声振动在功能上相互支持，获得了非常满意的修复效果。同时，本发明有效降低了因金属件开裂失效而需换件所产生的成本，而且所用设备简单，操作方便，适合于大小尺寸不同的金属件，对尺寸较大的金属件尤为适用，可以应用于需要更换含裂纹零部件且造价昂贵的大型工矿设备等，市场前景非常广阔。

实施例

下面结合实施例具体说明本发明，但本发明不受下述实施例的限制，在符合本发明前后宗旨的范围内，可作各种变更，这些都包括在本发明的技术范围内。

实施例1

采用本发明附图1~4所示的火焰加热装置，对含有长度约2mm裂纹的KMN钢工件的裂纹处进行加热，待工件温度上升到约350℃时，使用频率为20kHz的超声振动冲击处理工件裂纹处，处理时间为120秒。超声振动冲击处理之后，待工件自然冷却至室温。使用线切割方法在工件裂纹处切取试样，并使用砂纸打磨、抛光，通过金相显微镜观察，发现裂纹愈合现象明显，裂纹尖端及工件表面裂纹开口处均有良好的愈合效果，未愈合裂纹面之间宽度显著变小。说明对金属件裂纹进行加热与超声振动冲击共同作用，可以有效实现裂纹修复。

比较例1

对含有长度约2mm裂纹的KMN钢工件进行保温炉中加热，待炉温上升到约350℃后，保温120秒，之后将工件自然冷却至室温。使用线切割方法在工件裂纹处切取试样，并使用砂纸打磨、抛光，通过金相显微镜观察，发现裂纹只有尖端发生部分愈合，其它位置并未产生较明显的愈合现象。说明在非高温的加热条件下，达不到理想的修复效果。

比较例2

对含有长度约2mm裂纹的KMN钢工件进行保温炉中加热，待炉温上升到约850℃后，保温1小时，之后将工件自然冷却至室温。使用线切割方法在工件裂纹处切取试样，并使用砂纸打磨、抛光，通过金相显微镜观察，发现在裂纹尖端有很明显的裂纹愈合现象；在裂纹中央部位发生孔洞化，原来的连续裂纹变为不连续的孔洞，这是由于裂纹局部发生先熔化再凝固而导致的；裂纹内壁两侧组织变得粗大，未愈合裂纹面之间宽度有所减小。这说明虽然高温保温对裂纹愈合具有一定的效果，但有可能改变工件的显微组织乃至性能。

比较例3

对含有长度约2mm裂纹的KMN钢工件使用频率为20kHz的超声振动冲击处理，冲击位置为工件裂纹处，处理时间为120秒。超声振动冲击处理之后，待工件自然冷却至室温。使用线切割方法在工件裂纹处切取试样，并使用砂纸打磨、抛光，通过金相显微镜观察。由于超声振动冲击对工件的能量输入和压应力作用，发现在工件表层即裂纹的外部有一定的裂纹愈合现象，但在裂纹内部以及裂纹尖端，愈合现象并不明显。说明单纯的超声振动处理达不到理想的修复效果。

Claims (6)

1.一种金属件裂纹的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）使用加热装置对金属件的裂纹处进行加热的步骤；

（2）在裂纹处的金属件外表面施加超声振动的步骤。

2.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，将金属件的裂纹处加热到150°C以上后，再在裂纹处的金属件外表面施加超声振动。

3.根据权利要求1或2所述的修复方法，其特征在于，所述加热装置为火焰加热装置。

4.根据权利要求3所述的修复方法，其特征在于，所述火焰加热装置为环形火焰加热圈、方形火焰加热框或其他任意形状的火焰加热装置。

5.根据权利要求3所述的修复方法，其特征在于，所述火焰加热装置具备火焰喷孔，火焰喷孔在火焰加热装置上均匀分布，其数目为4~8个。

6.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述超声振动的频率为20~100kHz，处理时间为20~180秒。

Images