[发明专利]一种深层半埋藏金属裂纹修复方法

摘要

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。

主权项

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。