CN104439887B - 一种金属零部件内部裂纹修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属零部件内部裂纹修复方法，本发明针对存在单边裂纹或者中心裂纹的裂纹损伤零部件进行能量逐次递增的多次脉冲放电愈合处理，以修复裂纹。本发明由于只是对裂纹损伤零部件进行多次脉冲放电愈合处理，处理过程简便易行，耗费时间短。处理完成后，愈合组织会覆盖整条裂纹，愈合率高。因此本发明可以针对不同裂纹损伤程度及不同材质、尺寸的金属零部件做修复处理，适应性广泛。因而本发明可以广泛用于金属材料修复领域。
Description
技术领域
本发明是关于一种裂纹修复方法，特别是关于一种金属零部件内部裂纹修复方法。
背景技术
再制造工程可以有效提高产品的性能与使用寿命，并减少对环境的污染及材料、能源的消耗。对已损伤零部件的修复是再制造工程的一个重要环节。金属裂纹作为零部件失效的常见形式，使得零部件强度及可靠性迅速下降，它的修复与愈合方法值得深入研究。
对于金属裂纹愈合而言，以往的研究方法主要有高温加热法，电化学方法，预埋铜管纤维法，激光熔覆法等。这些研究方法不具有很好的经济型及适用性，容易对基体性能产生不良影响，且往往只能对金属表面裂纹产生愈合作用。
与上述金属裂纹愈合方法相比，脉冲电流可自动检测损伤位置，对基体影响较小，所需愈合时间短，同时可对金属内部裂纹产生愈合效果，可以作为裂纹愈合的新方法。但现有的脉冲放电愈合技术，愈合现象不明显，愈合率低且愈合质量较差，并没进入实际应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用脉冲电流实现金属零部件部裂纹修复方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种金属零部件内部裂纹修复方法，针对存在单边裂纹或者中心裂纹的裂纹损伤零部件进行修复，其特征在于：1)设置一脉冲电流冲击装置，该装置包括控制器、充电器、电容器组、高压开关、设备夹具、零部件保护夹具和示波器；所述控制器一方面依次连接所述充电器和所述电容器组；所述控制器另一方面依次连接所述高压开关、所述电容器组、一所述设备夹具、所述裂纹损伤零部件、设置在所述裂纹损伤零部件上的所述零部件保护夹具和另一所述设备夹具，根据该装置形成脉冲放电电路；2)根据裂纹损伤零部件的裂纹尖端处的线电流密度值，确定所述电容器组的电容值；3)通过所述控制器控制所述充电器，采用逐次递增充电电压的方式对步骤2)中确定了电容值的所述电容器组充电；每完成一次充电，通过所述控制器控制所述高压开关触发，完成一次脉冲放电处理；4)每完成四次脉冲放电处理后，利用渗透检测技术检测裂纹愈合效果；若裂纹已完全愈合，停止脉冲放电处理；否则继续进行脉冲放电处理，直至裂纹完全愈合。
所述步骤1)中，裂纹损伤零部件采用零部件保护夹具进行保护处理，该零部件保护夹具包括两绝缘片和两夹片；在裂纹损伤零部件的两侧面上下各设置一所述绝缘片，并在每一所述绝缘片的外侧各设置一所述夹片，所述夹片的两端各自通过螺栓和螺母将所述裂纹损伤零部件、所述绝缘片和所述夹片固定成一体；裂纹损伤零部件的两端连接设备夹具。
所述步骤2)中，裂纹尖端处的线电流密度值J的计算包括以下内容：裂纹损伤零部件存在中心裂纹时，裂纹尖端处的线电流密度J：J＝I·b/2h(b+2d)；裂纹损伤零部件存在单边裂纹时，裂纹尖端处的线电流密度J：J＝I·b/h(a+b)；其中，a是裂纹一侧尖端至零部件其最近侧边的垂直距离，b是裂纹在零部件宽度方向上的投影距离，c为裂纹另一侧尖端至零部件最近侧边的垂直距离，d＝min(a，c)是在a和c中取最小值，I为脉冲放电过程中的峰值电流。
所述步骤3)中，电容器组初始充电电压为5000V，且充电电压每次增加500V。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对裂纹损伤零部件进行能量逐次递增的多次脉冲放电愈合处理。脉冲电流流经裂纹损伤区域时，电流会沿裂纹面运动到裂纹尖端，在裂纹尖端处形成密度值极高的电流场，电磁热效应使得裂纹尖端获得超过金属材料熔点的温升，同时较高的温度梯度场导致了压应力场的产生，促使裂纹两侧面发生贴合并形成愈合区，从而实现裂纹愈合作用。在多次脉冲放电过程中，愈合区会逐渐从裂纹尖端向裂纹中部推进，且愈合区之间互相互重叠。变能量参数可保证每次脉冲放电处理过程中脉冲电流对损伤区域的绕流强度，从而获得良好的愈合效果。通过本发明新产生的愈合组织会取代原有裂纹，且愈合组织与基体间冶金结合良好。2、在脉冲放电过程中，脉冲电流可自动在裂纹损伤区域产生绕流及愈合作用，无需人工识别损伤位置。因脉冲电流对金属内部裂纹同样具有绕流效果，因而对内部裂纹也具有愈合作用。3、脉冲电流在裂纹损伤位置引起的升温及降温非常迅速，不会对基体组织、性能产生不良影响。4、本发明由于只是对裂纹损伤零部件进行多次脉冲放电愈合处理，处理过程简便易行，耗费时间短。处理完成后，愈合组织会覆盖整条裂纹，愈合率高。因此本发明可以针对不同裂纹损伤程度及不同材质、尺寸的金属零部件做修复处理，适应性广泛。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于金属材料修复领域。
附图说明
图1是本发明所采用的修复装置结构示意图
图2是本发明所采用的零部件保护夹具示意图
图3是本发明所采用的设备夹具示意图
图4是裂纹损伤零部件示意图，(a)和(b)是存在中心裂纹的损伤零部件示意图，(c)和(d)是存在单边裂纹的损伤零部件示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明一种金属零部件内部裂纹修复方法是针对不锈钢矩形薄板零部件中发生的贯穿型裂纹损伤，且裂纹两侧面最大间距应在20μm尺寸范围内的单边裂纹或者中心裂纹的裂纹损伤零部件进行修复而设计的。
如图1所示，本发明是应用“彭艳芳在2013年发表的“脉冲电流冲击装置设计与实验研究”[D].大连：大连理工大学”的脉冲电流冲击装置对金属零部件内部裂纹进行修复，对装置的改进点在于增加了零部件保护夹具，该修复装置包括控制器1、充电器2、电容器组3、高压开关4、设备夹具5、零部件保护夹具6和示波器7。
其中，控制器1一方面依次连接充电器2和电容器组3，以便控制充电器2为电容器组3充电。控制器1另一方面依次连接高压开关4、电容器组3、一设备夹具5、裂纹损伤零部件8、零部件保护夹具6和另一设备夹具5，以便通过控制器1触发高压开关4通过电容器组3向裂纹损伤零部件8放电。示波器7通过罗果夫斯基线圈套设在电路上，以显示电路中通过的脉冲电流波形。
如图2所示，零部件保护夹具6包括两绝缘片61和两夹片62。
在裂纹损伤零部件8的两侧面上下各设置一绝缘片61，并在每一绝缘片61的外侧各设置一夹片62，夹片62的两端各自通过螺栓63和螺母64将裂纹损伤零部件8、绝缘片61和夹片62固定成一体，以抑止脉冲放电时可能出现的熔融金属喷发现象。
如图3所示，每一设备夹具5包括绝缘支撑座51、铜电极52、固定螺栓53和紧固螺栓54。
绝缘支撑座51为具有在长度方向上延伸的中空凹槽的绝缘长方体，其凹槽下方设置铜电极52，铜电极52通过电线连接电容器组3的一端或高压开关4的一端。绝缘支撑座51上方两端各设置一固定螺栓53，以便通过固定螺栓53固定铜电极52。绝缘支撑座51上方中间设置一紧固螺栓54，以便通过紧固螺栓54固定裂纹损伤零部件8在铜电极52上。
采用修复装置修复裂纹损伤零部件8的过程如下：
1)准备工作：
①按照本领域常规的清洗方法清洗裂纹损伤零部件8；
将裂纹损伤零部件8浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此分离零部件中的油污并去除零部件表面污垢。
②用零部件保护夹具6夹持住清洗过的裂纹损伤零部件8；
在裂纹损伤零部件8的两侧面上下各设置一绝缘片61，并在每一绝缘片61的外侧各设置一夹片62，夹片62的两端各自通过螺栓和螺母将裂纹损伤零部件8、绝缘片61和夹片62固定成一体，以抑止脉冲放电时可能出现的熔融金属喷发现象；
③将裂纹损伤零部件8的两端分别采用设备夹具5固定；
将绝缘支撑座51上两端的固定螺栓53向下拧紧，以固定铜电极52。将裂纹损伤零部件8的两端分别插进绝缘支撑座51凹槽内的铜电极52上，并将裂纹损伤零部件8置于紧固螺栓54下方，并注意裂纹损伤部位不与两夹具铜电极52相接触，以免影响绕流效应。将紧固螺栓54向下拧紧，固定裂纹损伤零部件8并使其与铜电极52接触良好。上述设备夹具5与设备夹具5间距可随裂纹损伤零部件8长度不同适当变化。
2)修复裂纹损伤零部件的过程如下：
①通过控制器1控制充电器2，使电容器组3在5000V充电电压下储能，所需充电时间t＝20k(s)，其中，k为电容器组3所采用独立电容器的个数，每个独立电容器电容值为20μF。
充电完成后，通过控制器1触发高压开关4)，电流从电容器组3经由铜电极52传送到与之相连的裂纹损伤零部件8上，脉冲电流流经裂纹损伤区域时，电流会沿裂纹面运动到裂纹尖端，在裂纹尖端处形成密度值极高的电流场(产生绕流效应)，电磁热效应使得裂纹尖端获得超过金属材料熔点的温升，同时较高的温度梯度场导致了压应力场的产生，促使裂纹两侧面发生贴合并形成愈合区，从而实现裂纹愈合作用。
逐渐增大电容器组3的电容值，直到J在12.1±0.5kA/mm范围时，停止增大电容器组3的电容值，即达到要求的线电流密度，此时愈合现象开始出现。
通过示波器7记录脉冲放电过程中的峰值电流I，并利用其计算裂纹尖端处的线电流密度值J，以校验所选择的电容值是否适合用于修复裂纹，并使之愈合，其过程如下：
如图4所示，当零部件厚度为h mm时(范围0～10mm)，针对如图4(a)和图4(b)所示的中心裂纹情况，裂纹尖端处的线电流密度J(单位为kA/mm)计算公式如下：
J＝I·b/2h(b+2d) (1)
其中，a是裂纹一侧尖端至零部件其最近侧边的垂直距离，单位为mm。b是裂纹在零部件宽度方向上的投影距离，单位为mm。c为裂纹另一侧尖端至零部件最近侧边的垂直距离，单位为mm。d＝min(a，c)是在a和c中取最小值，I为脉冲放电过程中的峰值电流，单位为kA。
针对如图4(c)和图4(d)所示的单边裂纹情况，裂纹尖端处的线电流密度J(单位为kA/mm)计算公式如下：
J＝I·b/h(a+b) (2)
利用公式(1)或(2)计算裂纹尖端处的线电流密度值J。
②固定电容器组3电容值；
通过控制器1控制充电器2，使电容器组3按照每次增加充电电压500V的方式，即5500V，6000V，6500V，……的充电电压下储能，充电完成后，通过控制器1控制高压开关4触发，完成脉冲放电处理。在多次脉冲放电过程中，愈合区会逐渐从裂纹尖端向裂纹中部推进，且愈合区之间互相互重叠。变能量参数可保证每次脉冲放电处理过程中脉冲电流对损伤区域的绕流强度，从而获得良好的愈合效果。
③每完成四次脉冲放电处理后，将裂纹损伤零部件8分别从设备夹具5和零部件保护夹具6中拆除，利用渗透检测技术(PT检验)检测裂纹愈合效果。若裂纹已完全愈合，停止脉冲放电处理。否则清除检测后的表面残留物，将其继续进行脉冲放电处理，直至裂纹完全愈合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种金属零部件内部裂纹修复方法，针对存在单边裂纹或者中心裂纹的裂纹损伤零部件进行修复，其特征在于：
1)设置一脉冲电流冲击装置，该装置包括控制器、充电器、电容器组、高压开关、设备夹具、零部件保护夹具和示波器；所述控制器一方面依次连接所述充电器和所述电容器组；所述控制器另一方面依次连接所述高压开关、所述电容器组、一所述设备夹具、所述裂纹损伤零部件、设置在所述裂纹损伤零部件上的所述零部件保护夹具和另一所述设备夹具，根据该装置形成脉冲放电电路；
2)根据裂纹损伤零部件的裂纹尖端处的线电流密度值，确定所述电容器组的电容值；
3)通过所述控制器控制所述充电器，采用逐次递增充电电压的方式对步骤2)中确定了电容值的所述电容器组充电；每完成一次充电，通过所述控制器控制所述高压开关触发，完成一次脉冲放电处理；
4)每完成四次脉冲放电处理后，利用渗透检测技术检测裂纹愈合效果；若裂纹已完全愈合，停止脉冲放电处理；否则继续进行脉冲放电处理，直至裂纹完全愈合；
所述步骤1)中，裂纹损伤零部件采用零部件保护夹具进行保护处理，该零部件保护夹具包括两绝缘片和两夹片；在裂纹损伤零部件的两侧面上下各设置一所述绝缘片，并在每一所述绝缘片的外侧各设置一所述夹片，所述夹片的两端各自通过螺栓和螺母将所述裂纹损伤零部件、所述绝缘片和所述夹片固定成一体；裂纹损伤零部件的两端连接设备夹具。
2.如权利要求1所述的一种金属零部件内部裂纹修复方法，其特征在于：所述步骤2)中，裂纹尖端处的线电流密度值J的计算包括以下内容：
裂纹损伤零部件存在中心裂纹时，裂纹尖端处的线电流密度J：
J＝I·b/2h(b+2d)
裂纹损伤零部件存在单边裂纹时，裂纹尖端处的线电流密度J：
J＝I·b/h(a+b)
其中，a是裂纹一侧尖端至零部件其最近侧边的垂直距离，b是裂纹在零部件宽度方向上的投影距离，c为裂纹另一侧尖端至零部件最近侧边的垂直距离，d＝min(a，c)是在a和c中取最小值，I为脉冲放电过程中的峰值电流，h为零部件厚度。
3.如权利要求1或2所述的一种金属零部件内部裂纹修复方法，其特征在于：所述步骤3)中，电容器组初始充电电压为5000V，且充电电压每次增加500V。
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2014
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