CN104561998B - 一种深层半埋藏金属裂纹修复方法 - Google Patents

一种深层半埋藏金属裂纹修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深层半埋藏金属裂纹修复方法，包括以下步骤：将裂纹损伤零部件用设备夹具固定，调节并固定电容器组电容值，通过控制充电器，在裂纹尖端处形成密度值极高的电流场，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。若裂纹尖端距上表面距离已至2mm，停止脉冲放电处理，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件上表面进行激光重熔处理和激光熔覆处理。利用平面磨床对熔覆过的上表面做磨削处理，以恢复零部件原有尺寸特征。本发明先用脉冲电流冲击装置处理深层裂纹，处理结束后深层裂纹转化为表层裂纹，再用激光器处理表层裂纹，从而实现了完全修复深层裂纹的目的。本发明可以广泛用于金属材料修复领域。

Description

一种深层半埋藏金属裂纹修复方法
技术领域
本发明是关于一种金属裂纹修复方法，特别是关于一种深层半埋藏金属裂纹修复方法。
背景技术
裂纹损伤是金属零部件失效的最广泛的形式之一。当出现裂纹时，零部件强度及可靠性会迅速下降，容易造成安全隐患。目前关于出现裂纹损伤的零部件，尤其当出现深层裂纹时，一般情况下处于安全考虑均会做报废处理。但对于具有高成本及高附加值的产品，例如航空发动机叶片等，报废处理会造成极大的经济损失。
对于表层金属裂纹，目前利用激光的处理办法已经取得较好的修复效果。但对于深层裂纹，在不影响基体性能的前提下，因能量或外来填充物质难以触及深层裂纹，目前并没有很好的处理方式。
相对于激光处理，脉冲电流在深层裂纹处理方面具有不可比拟的优势。例如可自动检测裂纹损伤位置，处理时间短，不影响基体性能等。但利用脉冲电流实现金属裂纹的愈合建立在电流的绕流效应基础之上，当裂纹较深时，绕流效应较为明显，此时利用脉冲电流可取得较好的裂纹愈合效果。但对于表层裂纹，绕流效应较弱，愈合效果并不明显。
综上所述，目前还没有一种可以完全修复深层裂纹的金属裂纹愈合方法。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以完全修复深层裂纹的深层半埋藏金属裂纹修复方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种深层半埋藏金属裂纹修复方法，所述的深层半埋藏金属裂纹是指横截面积小于20mm×20mm的板条状金属零部件中发生的深层半埋藏裂纹损伤，且裂纹两侧面最大间距小于30μm的裂纹损伤；
裂纹修复设备为脉冲电流冲击装置和半导体激光器，所述的脉冲电流冲击装置包括控制器、充电器、电容器组、高压开关、设备夹具A、设备夹具B、零部件保护夹具和示波器，所述的控制器分别连接充电器和高压开关，所述的充电器分别与电容器组和高压开关连接，所述的高压开关还与设备夹具B连接，所述的电容器组的接地端还与设备夹具A连接，所述的示波器通过罗果夫斯基线圈圈套在高压开关与设备夹具B间的导线上，所述的零部件保护夹具为独立组件，工作时，用于夹持住裂纹损伤零部件；
所述的零部件保护夹具包括两绝缘片和两夹片，通过螺栓和螺母夹持在裂纹损伤零部件的中部；
具体方法包括以下步骤：
A、准备工作：
A1、清洗裂纹损伤零部件；
将裂纹损伤零部件浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此分离裂纹损伤零部件中的油污并去除表面污垢；
A2、用零部件保护夹具夹持住清洗过的裂纹损伤零部件；
在裂纹损伤零部件的两侧面上下各设置一绝缘片，并在每一绝缘片的外侧各设置一夹片，夹片的两端各自通过螺栓和螺母将裂纹损伤零部件、绝缘片和夹片固定成一体，以抑止脉冲放电时可能出现的熔融金属喷发现象；
B、修复裂纹损伤零部件：
B1、将裂纹损伤零部件用设备夹具A和设备夹具B固定。通过控制器控制充电器，使电容器组在5000V充电电压下储能，所需充电时间t＝20k,单位为s，其中，k为电容器组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，通过控制器触发高压开关，电流从电容器组经由设备夹具A和设备夹具B传送到与之相连的裂纹损伤零部件上，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，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。
逐渐增大电容器组的电容值，直到线电流密度J在12.1±0.5kA/mm范围时，停止增大电容器组的电容值，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，其计算公式如下：
J＝I·a/(h·w)
其中，a是裂纹尖端至零部件上表面的垂直距离，单位为mm。h是零部件高度，单位为mm。w为零部件宽度，单位为mm。I为脉冲放电过程中的峰值电流，单位为kA。
B2、固定电容器组电容值；
通过控制器控制充电器，使电容器组按照每次增加充电电压500V的方式，即在5500V、6000V、6500V、……、10000V的充电电压下储能，充电完成后，通过控制器控制高压开关触发，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零部件上表面推进，且愈合区之间互相互重叠。
B3、在逐次增加充电电压进行脉冲放电处理的过程中，每完成四次脉冲放电处理后，将裂纹损伤零部件分别从设备夹具A、设备夹具B和零部件保护夹具中拆除，利用渗透检测技术检测裂纹愈合效果。若裂纹尖端距上表面距离已至2mm，停止脉冲放电处理，转步骤B4。否则，清除检测后的表面残留物，转步骤B2。
B4、脉冲电流处理完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件上表面进行激光重熔处理。激光重熔过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，运动速度：3mm/s，激光束直径：4mm。激光束运动起始位置与结束位置各向两侧面偏移3-4mm，以使激光束在处理裂纹损伤零部件上表面时速度均一稳定。
B5、激光重熔完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件上表面进行激光熔覆处理。激光熔覆过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，速度：3-4mm/s，激光束直径：4mm，同轴送粉器送粉速率：9-10g/min。激光熔覆过程中，选用与裂纹损伤零部件原有材料性能相近或优于原有材料性能的钛合金粉末。激光熔覆过程中激光运动轨迹与步骤B4相同。
B6、激光熔覆处理完成后，利用平面磨床对熔覆过的上表面做磨削处理，以恢复零部件原有尺寸特征。与此同时，若两侧面也有不平整的地方且影响使用性能，也需要利用平面磨床做磨削处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明先用脉冲电流冲击装置处理深层裂纹，处理结束后深层裂纹转化为表层裂纹，再用激光器处理表层裂纹，从而实现了完全修复深层裂纹的目的。
2、本发明利用脉冲电流实现深层裂纹的修复。脉冲电流流经裂纹损伤区域时，会沿裂纹面运动至裂纹尖端。在裂尖处具有极高的电流密度，在焦耳热效应的作用下可获得超过材料熔点的温升。极短的电流持续时间使得裂尖处获得较高的温度梯度并产生压应力，促使裂纹面发生贴合形成愈合作用。
3、本发明利用激光重熔实现表层裂纹的修复。激光重熔使得材料表面发生了快速融化-凝固的过程，在此过程中可实现表面裂纹的修复。同时在激光重熔过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。
4、本发明采用激光熔覆与磨床磨削加工可以保证尺寸精度。激光重熔后会使得表面不平整，激光熔覆处理可以填补表面凹陷，磨削加工可使表面形貌回复原有状态。
5、本发明采用的脉冲电流及激光在裂纹损伤位置引起的升温及降温过程非常迅速，不会对基体组织、性能产生不良影响。
6、通过本发明处理后，原有的裂纹可实现基本消除。针对不同裂纹损伤程度及不同形状的零部件均可做修复处理。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是本发明所采用的脉冲放电设备结构示意图。
图2是本发明所采用的零部件保护夹具示意图。
图3是本发明所采用的激光束运动轨迹示意图。
图中：1、控制器，2、充电器，3、电容器组，4、高压开关，5、设备夹具A，6、零部件保护夹具，7、示波器，8、裂纹损伤零部件，9、同轴送粉器，10、激光束，11、设备夹具B，61、绝缘片，62、夹片，63、螺栓，64、螺母。
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。
如图1-3所示，一种深层半埋藏金属裂纹修复方法，所述的深层半埋藏金属裂纹是指横截面积小于20mm×20mm的板条状金属零部件中发生的深层半埋藏裂纹损伤，且裂纹两侧面最大间距小于30μm的裂纹损伤；
裂纹修复设备为脉冲电流冲击装置和半导体激光器，所述的脉冲电流冲击装置包括控制器1、充电器2、电容器组3、高压开关4、设备夹具A5、设备夹具B11、零部件保护夹具6和示波器7，所述的控制器1分别连接充电器2和高压开关4，所述的充电器2分别与电容器组3和高压开关4连接，所述的高压开关4还与设备夹具B11连接，所述的电容器组3的接地端还与设备夹具A5连接，所述的示波器7通过罗果夫斯基线圈圈套在高压开关4与设备夹具B11间的导线上，所述的零部件保护夹具6为独立组件，工作时，用于夹持住裂纹损伤零部件8；
所述的零部件保护夹具6包括两绝缘片61和两夹片62，通过螺栓63和螺母64夹持在裂纹损伤零部件8的中部；
具体方法包括以下步骤：
A、准备工作：
A1、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，借此分离裂纹损伤零部件8中的油污并去除表面污垢；
A2、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；
B、修复裂纹损伤零部件8：
B1、将裂纹损伤零部件8用设备夹具A5和设备夹具B11固定。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,单位为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经由设备夹具A5和设备夹具B11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，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，直到线电流密度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，其计算公式如下：
J＝I·a/(h·w)
其中，a是裂纹尖端至零部件上表面的垂直距离，单位为mm。h是零部件高度，单位为mm。w为零部件宽度，单位为mm。I为脉冲放电过程中的峰值电流，单位为kA。
B2、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，即在5500V、6000V、6500V、……、10000V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零部件上表面推进，且愈合区之间互相互重叠。
B3、在逐次增加充电电压进行脉冲放电处理的过程中，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A5、设备夹具B11和零部件保护夹具6中拆除，利用渗透检测技术检测裂纹愈合效果。若裂纹尖端距上表面距离已至2mm，停止脉冲放电处理，转步骤B4。否则，清除检测后的表面残留物，转步骤B2。
B4、脉冲电流处理完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件8上表面进行激光重熔处理。激光重熔过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，运动速度：3mm/s，激光束直径：4mm。激光束10运动起始位置与结束位置各向两侧面偏移3-4mm，以使激光束10在处理裂纹损伤零部件8上表面时速度均一稳定。
B5、激光重熔完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件8上表面进行激光熔覆处理。激光熔覆过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，速度：3-4mm/s，激光束10直径：4mm，同轴送粉器9送粉速率：9-10g/min。激光熔覆过程中，选用与裂纹损伤零部件8原有材料性能相近或优于原有材料性能的钛合金粉末。激光熔覆过程中激光运动轨迹与步骤B4相同。
B6、激光熔覆处理完成后，利用平面磨床对熔覆过的上表面做磨削处理，以恢复零部件原有尺寸特征。与此同时，若两侧面也有不平整的地方且影响使用性能，也需要利用平面磨床做磨削处理。
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 (1)

1.一种深层半埋藏金属裂纹修复方法，所述的深层半埋藏金属裂纹是指横截面积小于20mm×20mm的板条状金属零部件中发生的深层半埋藏裂纹损伤，且裂纹两侧面最大间距小于30μm的裂纹损伤；
裂纹修复设备为脉冲电流冲击装置、半导体激光器同轴送粉器(9)，所述的脉冲电流冲击装置包括控制器(1)、充电器(2)、电容器组(3)、高压开关(4)、设备夹具A(5)、设备夹具B(11)、零部件保护夹具(6)和示波器(7)，所述的控制器(1)分别连接充电器(2)和高压开关(4)，所述的充电器(2)分别与电容器组(3)和高压开关(4)连接，所述的高压开关(4)还与设备夹具B(11)连接，所述的电容器组(3)的接地端还与设备夹具A(5)连接，所述的示波器(7)通过罗果夫斯基线圈圈套在高压开关(4)与设备夹具B(11)间的导线上，所述的零部件保护夹具(6)为独立组件，工作时，用于夹持住裂纹损伤零部件(8)；
所述的零部件保护夹具(6)包括两绝缘片(61)和两夹片(62)，通过螺栓(63)和螺母(64)夹持在裂纹损伤零部件(8)的中部；
其特征在于：具体方法包括以下步骤：
A、准备工作：
A1、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，借此分离裂纹损伤零部件(8)中的油污并去除表面污垢；
A2、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(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；
B、修复裂纹损伤零部件(8)：
B1、将裂纹损伤零部件(8)用设备夹具A(5)和设备夹具B(11)固定；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,单位为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)经由设备夹具A(5)和设备夹具B(11)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，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，直到线电流密度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，其计算公式如下：
J＝I·a/(h·w)
其中，a是裂纹尖端至零部件上表面的垂直距离，单位为mm；h是零部件高度，单位为mm；w为零部件宽度，单位为mm；I为脉冲放电过程中的峰值电流，单位为kA；
B2、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，即在5500V、6000V、6500V、……、10000V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零部件上表面推进，且愈合区之间互相互重叠；
B3、在逐次增加充电电压进行脉冲放电处理的过程中，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A(5)、设备夹具B(11)和零部件保护夹具(6)中拆除，利用渗透检测技术检测裂纹愈合效果；若裂纹尖端距上表面距离已至2mm，停止脉冲放电处理，转步骤B4；否则，清除检测后的表面残留物，转步骤B2；
B4、脉冲电流处理完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件(8)上表面进行激光重熔处理；激光重熔过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，运动速度：3mm/s，激光束直径：4mm；激光束(10)运动起始位置与结束位置各向两侧面偏移3-4mm，以使激光束(10)在处理裂纹损伤零部件(8)上表面时速度均一稳定；
B5、激光重熔完成后，利用半导体激光器对裂纹损伤零部件(8)上表面进行激光熔覆处理；激光熔覆过程中，所选用的参数如下：功率：2200W，速度：3-4mm/s，激光束(10)直径：4mm，同轴送粉器(9)送粉速率：9-10g/min；激光熔覆过程中，选用与裂纹损伤零部件(8)原有材料性能相近或优于原有材料性能的钛合金粉末；激光熔覆过程中激光运动轨迹与步骤B4相同；
B6、激光熔覆处理完成后，利用平面磨床对熔覆过的上表面做磨削处理，以恢复零部件原有尺寸特征；与此同时，若两侧面也有不平整的地方且影响使用性能，也需要利用平面磨床做磨削处理。
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