CN113843576A - 一种高温合金机匣损伤的复合修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，包括步骤一，用着色剂进行无损检测，确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，划定需要去除的区域；步骤二，使用机加工手段，将此区域去除，对去除区附近表面进行清除氧化膜、除锈、除油、清洗处理；步骤三，加工填补材料，开坡口30‑60°；步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定，使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；步骤五，对焊接后的表面进行机加工处理去余高、打磨校形，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量。本发明通过将脉冲冷焊技术与激光冲击强化技术结合，可实现发动机机匣的高质量高效率修复，减少更换零部件的数量，提高发动机的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料焊接技术领域，特别涉及一种高温合金机匣损伤的复合修复方法。
背景技术
发动机机匣是包围在核心机外的保护机构，用于保护核心机，同时给装在外面的发动机部件和管路等提供支撑,是一种大型薄壁零部件，其工作环境恶劣，主要受磨损、冲击、高温燃气和冷热交变应力等作用，易产生裂纹、磨损等损伤；由于发动机机匣体积巨大而又为薄壁件，其制造难度和成本都极高；为延长其使用寿命，减少更换新件需求，降低成本，提高维修效率，需要采用新式修复技术，以实现损伤机匣的高质高效修复。
传统机匣修复时，通常采用氩弧焊、激光焊等熔焊方法进行修补，这会使得焊接接头附近热影响区的母材塑性和韧度明显下降，导致机匣的力学性能、耐蚀性能和疲劳性能达不到原来的水平。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，具体技术方案如下：
一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，所述复合修复步骤具体包括:
步骤一，用着色剂进行无损检测，确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，划定需要去除的区域；
步骤二，使用机加工手段，将此区域去除，对去除区附近表面进行清除氧化膜、除锈、除油、清洗处理；
步骤三，加工填补材料，开坡口30°-60°；
步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定，使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；
步骤五，对焊接后的表面进行机加工处理去余高、打磨校形，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量；使用激光冲击强化技术，改变工件表面应力状态，使其由残余拉应力全部转换为残余压应力，提高工件的使用寿命；
步骤六，对焊接或增材修复的工件进行表面粗糙度、周向圆跳动、残余应力检测，确定是否满足性能要求。
所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其优选方案为步骤四中所述的脉冲冷焊参数为：焊接电压10V-110V，焊接电流1A-250A，脉冲时间1ms-200ms，工作频率1Hz-500Hz，电极转速100r/m-1000r/m，氩气流量1L/min-10L/min。
所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其优选方案为步骤五中所述激光冲击强化参数为：激光波长1064nm，脉宽15ns，频率0.25Hz-10Hz，光斑直径1-5mm，搭接率10％-95％，输出能量1J-25J。
所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其优选方案为步骤四中所述真空夹具包括密封圈、真空吸嘴、滑块、紧定螺母、滑轨、气管接头、支路气管、分路器、气阀开关、干路气管和真空泵储气罐；
所述密封圈嵌在真空吸嘴上；
所述真空吸嘴与滑块、滑轨之间采用螺纹连接，通过更换不同长度的真空吸嘴以适应不同直径的机匣；
所述滑块在滑轨上滑动来调整位置，并通过紧定螺母固定；
所述气管接头一端连接真空吸嘴，另一端连接支路气管，支路气管分别连接在分路器上；
所述真空泵储气罐为夹具提供吸力，通过干路气管与分路器连接，其分路器和三个气阀开关分别控制三个真空吸嘴的开启和关闭；
使用时先将两侧的吸嘴吸附在机匣上，中间吸嘴调整的位置，锁紧紧定螺母，然后将填补材料吸附在中间吸嘴上，即完成夹持工作。
本发明的有益效果：
脉冲冷焊技术虽也属于熔焊的一种，但其通过电容瞬间放电形成瞬时脉冲，使母材及焊材在脉冲的瞬间熔化并熔合在一起，形成冶金结合。整个过程中熔核在瞬间形成并凝固，并可精确控制电流及放电时间，从而减少热输入，使得基体温度能保持在很低水平，热影响区非常小，显著降低焊接过程对母材的影响，特别适合焊接薄壁件。
焊接接头金属熔化后再凝固、冷却收缩，使得残余拉应力的存在，不利于疲劳寿命的提高。激光冲击强化技术利用能量密度达GW/cm2量级、脉宽为ns量级的强激光束辐照靶材表面，诱导形成高压冲击波，使靶材发生超高应变率的塑性变形，实现冲击强化区域晶粒细化并形成残余压应力，增加微裂纹闭合力，阻滞裂纹扩展，从而延长疲劳寿命。
本发明提供的使用脉冲冷焊技术与激光冲击强化进行修复的方法相结合，完成飞机发动机机匣等大型薄壁零件的裂纹修复工作，将损伤形式为裂纹损伤的发动机机匣零部件采用脉冲冷焊技术进行修补，相较传统氩弧焊等熔焊方法所获得的焊接接头热影响区小，强度损失少；然后使用机加工方法对表面进行打磨抛光，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量；使用激光冲击强化技术，改变工件表面应力状态，使其由残余拉应力全部转换为残余压应力，提高工件的使用寿命；将脉冲冷焊技术与激光冲击强化技术结合，可完成大型薄壁零件的高质量高效率修复，减少了更换零部件的数量，提高了发动机的使用寿命，也大幅节约了成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的脉冲冷焊技术与激光冲击强化修复方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的脉冲冷焊技术所使用的真空夹具结构示意图。
图中，1-密封圈，2-真空吸嘴，3-滑块，4-紧定螺母，5-滑轨，6-气管接头，7-支路气管，8-分路器，9-气阀开关，10-干路气管，11-真空泵储气罐。
具体实施方式
如图1-2所示下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种高温合金薄壁机匣零件采用脉冲冷焊技术与激光冲击强化的方法进行修复的方法，该方法将脉冲冷焊技术与激光冲击强化技术相结合，基于脉冲冷焊设备和激光冲击强化设备，能够实现修复区域微观组织改性和力学性能改善的综合提升。
一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，所述真空夹具包括密封圈1、真空吸嘴2、滑块3、紧定螺母4、滑轨5、气管接头6、支路气管7、分路器8、气阀开关9、干路气管10和真空泵储气罐11；
所述密封圈1嵌在真空吸嘴2上；
所述真空吸嘴2与滑块3、滑轨5之间采用螺纹连接，通过更换不同长度的真空吸嘴2以适应不同直径的机匣；
所述滑块3在滑轨5上滑动来调整位置，并通过紧定螺母4固定；
所述气管接头6一端连接真空吸嘴2，另一端连接支路气管7，支路气管7分别连接在分路器8上；
所述真空泵储气罐11为夹具提供吸力，通过干路气管10与分路器8连接，其分路器8和三个气阀开关9分别控制三个真空吸嘴2的开启和关闭；
使用时先将两侧的吸嘴吸附在机匣上，中间吸嘴调整的位置，锁紧紧定螺母，然后将填补材料吸附在中间吸嘴上，即完成夹持工作。
本发明实施例以实现高温合金薄壁机匣(镍基高温合金)为例，将脉冲冷焊技术与激光冲击强化技术相结合，其方法流程如图1中(a-f)所示，具体步骤如下所示：
实施例1
步骤一，先使用清洗剂将探伤部位清洗干净，然后使用着色剂进行着色，15分钟后再次使用清洗剂将着色剂洗去并烘干，然后喷洒显像剂，即可将裂纹分布显示出来；根据无损探伤结果确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，并划定需要去除的区域；
步骤二，使用合金旋转锉将标定区域去除，然后依次使用400目、800目、1500目和2500目的砂纸对切口附近进行打磨后，使用丙酮进行清洗，去除工件表面杂质与油污，随后使用热风枪烘干；
步骤三，通过计算机设计并用数控机床加工填补材料；用电磨对切口进行打磨，开坡口30°；
步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定；设定脉冲冷焊机参数为：焊接电压20V，焊接电流100A，脉冲时间10ms，工作频率100Hz，电极转速300r/m，氩气流量2L/min；使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；
步骤五，使用冷焊的方法，将填补材料与工件焊接在一起；
步骤六，首先使用电磨去除余高，打磨校形，去除划痕、余高和飞溅等；抛光后测量工件表面粗糙度，如果工件表面粗糙度Ra＞0.5，继续打磨直到工件表面粗糙度Ra≤0.5，打磨校形完成；设定激光冲击强化设备参数：激光波长1064nm，脉宽15ns，光斑直径1mm，搭接率10％，输出能量2J；采用200μm厚的铝箔作为吸收层，去离子水作为约束层，水流厚度控制在2mm；
步骤七，使用激光冲击强化去除残余应力；
步骤八，待脉冲冷焊及激光冲击强化后，采用圆跳动测定仪对机匣内部的周向圆跳动进行测量；采用三维白光干涉表面形貌仪对修复的工件进行表面粗糙度检测；采用X射线应力分析仪和残余应力测试系统对工件进行残余应力等检测，是否到达使用要求。
实施例2
步骤一，先使用清洗剂将探伤部位清洗干净，然后使用着色剂进行着色，15分钟后再次使用清洗剂将着色剂洗去并烘干，然后喷洒显像剂，即可将裂纹分布显示出来；根据无损探伤结果确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，并划定需要去除的区域；
步骤二，使用合金旋转锉将标定区域去除，然后依次使用400目、800目、1500目和2500目的砂纸对切口附近进行打磨后，使用丙酮进行清洗，去除工件表面杂质与油污，随后使用热风枪烘干；
步骤三，通过计算机设计并用数控机床加工填补材料；用电磨对切口进行打磨，开坡口45°；
步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定；设定脉冲冷焊机参数为：焊接电压50V，焊接电流160A，脉冲时间50ms，工作频率250Hz，电极转速500r/m，氩气流量5L/min；使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；
步骤五，使用冷焊的方法，将填补材料与工件焊接在一起；
步骤六，首先使用电磨去除余高，打磨校形，去除划痕、余高和飞溅等；抛光后测量工件表面粗糙度，如果工件表面粗糙度Ra＞0.5，继续打磨直到工件表面粗糙度Ra≤0.5，打磨校形完成；设定激光冲击强化设备参数：激光波长1064nm，脉宽15ns，光斑直径3mm，搭接率50％，输出能量10J；采用200μm厚的铝箔作为吸收层，去离子水作为约束层，水流厚度控制在3mm；
步骤七，使用激光冲击强化去除残余应力；
步骤八，待脉冲冷焊及激光冲击强化后，采用圆跳动测定仪对机匣内部的周向圆跳动进行测量；采用三维白光干涉表面形貌仪对修复的工件进行表面粗糙度检测；采用X射线应力分析仪和残余应力测试系统对工件进行残余应力等检测，是否到达使用要求。
实施例3
步骤一，先使用清洗剂将探伤部位清洗干净，然后使用着色剂进行着色，15分钟后再次使用清洗剂将着色剂洗去并烘干，然后喷洒显像剂，即可将裂纹分布显示出来；根据无损探伤结果确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，并划定需要去除的区域；
步骤二，使用合金旋转锉将标定区域去除，然后依次使用400目、800目、1500目和2500目的砂纸对切口附近进行打磨后，使用丙酮进行清洗，去除工件表面杂质与油污，随后使用热风枪烘干；
步骤三，通过计算机设计并用数控机床加工填补材料；用电磨对切口进行打磨，开坡口60°；
步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定；设定脉冲冷焊机参数为：焊接电压100V，焊接电流220A，脉冲时间100ms，工作频率450Hz，电极转速800r/m，氩气流量8L/min；使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；
步骤五，使用冷焊的方法，将填补材料与工件焊接在一起；
步骤六，首先使用电磨去除余高，打磨校形，去除划痕、余高和飞溅等；抛光后测量工件表面粗糙度，如果工件表面粗糙度Ra＞0.5，继续打磨直到工件表面粗糙度Ra≤0.5，打磨校形完成；设定激光冲击强化设备参数：激光波长1064nm，脉宽15ns，光斑直径5mm，搭接率90％，输出能量20J；采用200μm厚的铝箔作为吸收层，去离子水作为约束层，水流厚度控制在4mm；
步骤七，使用激光冲击强化去除残余应力；
步骤八，待脉冲冷焊及激光冲击强化后，采用圆跳动测定仪对机匣内部的周向圆跳动进行测量；采用三维白光干涉表面形貌仪对修复的工件进行表面粗糙度检测；采用X射线应力分析仪和残余应力测试系统对工件进行残余应力等检测，是否到达使用要求。
Claims (4)
1.一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其特征在于：所述复合修复步骤具体包括:
步骤一，用着色剂进行无损检测，确定穿透性损伤附近的裂纹分布区域，划定需要去除的区域；
步骤二，使用机加工手段，将此区域去除，对去除区附近表面进行清除氧化膜、除锈、除油、清洗处理；
步骤三，加工填补材料，开坡口30°-60°；
步骤四，使用真空夹具将机匣与填补材料固定，使用脉冲冷焊技术的方法进行焊接；
步骤五，对焊接后的表面进行机加工处理去余高、打磨校形，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量；使用激光冲击强化技术，改变工件表面应力状态，使其由残余拉应力全部转换为残余压应力，提高工件的使用寿命；
步骤六，对焊接或增材修复的工件进行表面粗糙度、周向圆跳动、残余应力检测，确定是否满足性能要求。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其特征在于：步骤四中所述的脉冲冷焊参数为：焊接电压10V-110V，焊接电流1A-250A，脉冲时间1ms-200ms，工作频率1Hz-500 Hz，电极转速100r/m-1000r/m，氩气流量1L/min-10L/min。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其特征在于：步骤五中所述激光冲击强化参数为：激光波长1064nm，脉宽15ns，频率0.25Hz-10 Hz，光斑直径1-5mm，搭接率10％-95％，输出能量1J-25J。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金机匣损伤的复合修复方法，其特征在于：步骤四中所述真空夹具包括密封圈、真空吸嘴、滑块、紧定螺母、滑轨、气管接头、支路气管、分路器、气阀开关、干路气管和真空泵储气罐；
所述密封圈嵌在真空吸嘴上；
所述真空吸嘴与滑块、滑轨之间采用螺纹连接，通过更换不同长度的真空吸嘴以适应不同直径的机匣；
所述滑块在滑轨上滑动来调整位置，并通过紧定螺母固定；
所述气管接头一端连接真空吸嘴，另一端连接支路气管，支路气管分别连接在分路器上；
所述真空泵储气罐为夹具提供吸力，通过干路气管与分路器连接，其分路器和三个气阀开关分别控制三个真空吸嘴的开启和关闭；
使用时先将两侧的吸嘴吸附在机匣上，中间吸嘴调整的位置，锁紧紧定螺母，然后将填补材料吸附在中间吸嘴上，即完成夹持工作。
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