專利名稱：一種金屬件裂紋的修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬件裂紋的修復(fù)方法，特別是較大尺寸機械設(shè)備的金屬部件表面或內(nèi)部微小裂紋的修復(fù)方法，屬于材料加工及制造工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，對于機械設(shè)備的金屬部件表面或內(nèi)部微小裂紋主要采用加熱修復(fù)技術(shù)或施加電流脈沖的修復(fù)技術(shù)。作為加熱修復(fù)技術(shù)，文獻I (X. G. Li, C. F. Dong, H. Chen. Healing of hydrogenattack crack in austenite stainless steel under heat treatment.ActaMetallurgica Sinica(English Letter)，2002，4 (15) : 385-390)和文獻 2 (C. F. Dong, X.G. Li, Z. Y. Liu, Y. R. Zhang. Hydrogen-induced cracking and healing behaviour of X70steel. Journal of Alloys and Compounds, 2009 (484) :966-972)中分別介紹了對奧氏體不銹鋼和X70鋼材料中裂紋的熱處理修復(fù)技木。文獻3 (韓靜濤，許樹森，陳剛等.大型鍛件的夾雜性裂紋與控制鍛造エ藝.鋼鐵，1997,32(3) :35-39)中介紹了 經(jīng)過高溫愈合處理，鍛件中夾雜性裂紋的范圍大幅減小，單個裂紋的長度也有明顯縮短。這些熱處理修復(fù)技術(shù)的主要特點是需要在高溫(高達600°C )下保溫數(shù)小時，其中的保溫環(huán)節(jié)會使金屬件的整體顯微組織和性能發(fā)生較大改變，從而改變金屬件原有的機械性能，特別是對有特殊組織性能要求的金屬件會產(chǎn)生不利影響。此外，對于較大尺寸的金屬件而言，使其加熱保溫所需成本也很高，而且保溫所需的設(shè)備條件也難以保證。作為施加電流脈沖的修復(fù)技術(shù)，文獻4 (A. Hosoi, T. Nagahama, Y. Ju. Fatiguecrack nealmg by a controlled high density electric current Held. MaterialScience and Engineering A, 2012(533) :38-42)中介紹了對含預(yù)置疲勞裂紋的 SUS316 奧氏體不銹鋼試樣施加高密度脈沖電流來使裂紋愈合的エ藝。這種エ藝不但需要使用高脈沖電流，而且對大型金屬件的適用性差，操作也比較復(fù)雜。此外，考慮到導(dǎo)電性問題，這種脈沖電流裂紋修復(fù)法對被修復(fù)的金屬件表面有一定要求，而且只是單純的能量修復(fù)法，修復(fù)效果不很理想。此外，還有應(yīng)用超聲沖擊進行裂紋修復(fù)的方法。例如，文獻5 (A. Abdullah, Μ.Malaki, A. Eskandari. Strength enhancement of the welded structures by ultrasonicpeening. Materials and Design, 2012 (38) : 7-18)中介紹了應(yīng)用超聲沖擊處理技術(shù)提高焊接結(jié)構(gòu)強度。其中提到在未經(jīng)超聲沖擊處理的區(qū)域仍然存在有長度為21 μ m的微裂紋，在超聲沖擊處理的區(qū)域則沒有發(fā)現(xiàn)類似裂紋。說明超聲沖擊處理對裂紋的愈合有積極作用。文獻6 (嚴鏗，聶潔，于懷東，徐律.超聲沖擊處理對灰鑄鐵焊接冷裂紋影響.焊接學報，2007，28(11) :78-84)中介紹了對灰鑄鐵焊縫進行超聲沖擊處理后的效果超聲沖擊處理后焊縫顯微組織發(fā)生突變膨脹，對裂紋愈合有一定的促進作用。但這些應(yīng)用超聲沖擊進行裂紋修復(fù)的方法其修復(fù)效果仍有待于進ー步提高。隨著現(xiàn)代裝備制造能力的提高，機械設(shè)備的大型化、重載荷化將是未來制造與加エ的發(fā)展趨勢，研發(fā)修復(fù)效果好、操作方便、經(jīng)濟成本低、適用范圍廣的金屬件裂紋修復(fù)方法具有重大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。到目前為止，還沒有能夠同時滿足上述各要求的金屬件裂紋修復(fù)方法的問世。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種修復(fù)金屬件表面或內(nèi)部微小裂紋的新方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的修復(fù)效果不理想、操作繁瑣、經(jīng)濟成本高以及適用性差等問題。本發(fā)明的方法是ー種采用加熱與超聲振動相結(jié)合的裂紋修復(fù)技術(shù)，具體而言，包括如下步驟(I)使用加熱裝置對金屬件的裂紋處進行加熱的步驟；
(2)在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動的步驟。其中，優(yōu)選將金屬件的裂紋處加熱到150° C以上后，再在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動。所述加熱裝置優(yōu)選為火焰加熱裝置，關(guān)于形狀，例如可以列舉環(huán)形火焰加熱圈、方形火焰加熱框或其他任意形狀的火焰加熱裝置。所述火焰加熱裝置具備火焰噴孔，火焰噴孔優(yōu)選在火焰加熱裝置上均勻分布，其數(shù)目優(yōu)選為4、個。另外，所述超聲振動的頻率優(yōu)選為2(Tl00kHz，處理時間優(yōu)選為2(Tl80秒。本發(fā)明的方法采用加熱與超聲振動相結(jié)合的方式修復(fù)金屬件裂紋，不僅對裂紋的修復(fù)效果比較明顯、操作簡單方便，而且設(shè)備造價較低、適用范圍廣，具有重大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。


圖I是本發(fā)明金屬件裂紋修復(fù)方法的工作原理圖(立體圖)。圖2是圖I所示工作原理圖的主視圖。圖3是沿圖I中A-A線的剖視圖。圖4是圖I所示工作原理圖的俯視圖。圖廣4中，I :超聲振動發(fā)生器；2 :環(huán)形火焰加熱圈；3 :燃料輸入口 ；4 :火焰；5 :金屬件；6 :裂紋。
具體實施例方式本發(fā)明的方法突破了傳統(tǒng)的僅通過加熱或者僅通過超聲振動的單一能量補充方式，通過同時導(dǎo)入熱能和由超聲振動產(chǎn)生的機械能作為裂紋修復(fù)的能量來源，利用加熱和超聲振動的聯(lián)合作用來加速金屬件中裂紋的愈合。具體而言，本發(fā)明的方法是ー種金屬件裂紋的修復(fù)方法，其特征在于，包括如下步驟(I)使用加熱裝置對金屬件的裂紋處進行加熱的步驟；(2)在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動的步驟。在金屬件外表面施加超聲振動沖擊處理，不僅可以減少金屬件在加工之后的殘余應(yīng)力，降低金屬件在服役過程中出現(xiàn)開裂的可能性；同吋，由于超聲振動產(chǎn)生的機械能會使金屬件裂紋處的表面溫度迅速升高，因此不必對金屬件進行長時間高溫保溫就可在裂紋尖端產(chǎn)生局部重熔，從而容易實現(xiàn)裂紋愈合。由此可避免因長時間高溫保溫而導(dǎo)致的金屬件原有機械性能改變、經(jīng)濟成本提高以及不得不使用大型保溫設(shè)備等缺陷。此外，超聲振動可在金屬件上產(chǎn)生壓應(yīng)力，并將振動產(chǎn)生的機械能傳遞到裂紋處。由于加熱環(huán)節(jié)的存在，裂紋處局部重熔容易發(fā)生，超聲振動產(chǎn)生的壓應(yīng)カ和機械能則更容易加速裂紋處原子的擴散，從而促進裂紋閉合。由此可以克服單純使用超聲振動進行裂紋修復(fù)時效果不佳的缺陷。本發(fā)明的方法在加熱和超聲振動的聯(lián)合作用下，金屬件表面顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，顯微組織結(jié)構(gòu)的突變伴隨體積突變和膨脹，從而實現(xiàn)金屬件內(nèi)部或表面裂紋的修復(fù)。本發(fā)明的方法不需要對金屬件整體進行長時間的高溫保溫，避免使用特定的脈沖電源，降低了裂紋修復(fù)的操作難度和經(jīng)濟成本，提高了修復(fù)效果。 下面結(jié)合附圖廣4詳細敘述本發(fā)明。在附圖f 4，使用如下方法修復(fù)金屬件裂紋將含有微小裂紋6的金屬件5放置于環(huán)形火焰加熱圈2下，使裂紋6處于環(huán)形火焰加熱圈2的正下方。通過燃料輸入口 3輸入燃料，啟動打火裝置(未圖示)使火焰4從火焰噴孔處噴出。當金屬件5的裂紋6處被加熱到一定溫度(例如至少150°C)后，開啟放置于裂紋6處的超聲振動發(fā)生器1，在裂紋6處的金屬件外表面施加超聲振動沖擊處理。在附圖廣4中采用火焰加熱，但本發(fā)明不限定于此，還可使用電加熱等方式，但優(yōu)選火焰加熱?；鹧婕訜岬难b置及操作均比較簡單，容易適用于大尺寸金屬件，易解決大尺寸金屬件裂紋修復(fù)的難題。當采用火焰加熱時，所使用的燃料可以列舉こ炔、丙烷、丙烯、液化石油氣和天然氣等可燃燃氣，使用氧氣作為助燃氣體。對加熱裝置的形狀沒有特別限制，只要能夠起到加熱金屬件裂紋處的目的即可。例如，除了可以采用附圖Γ4中所示的環(huán)形火焰加熱圈以外，還可采用方形火焰加熱框或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任意形狀。優(yōu)選火焰加熱裝置上的火焰噴孔在火焰加熱裝置上均勻分布，其數(shù)目可依據(jù)裂紋大小及金屬件材質(zhì)等具體設(shè)定，一般為41個。另外，火焰加熱裝置的材料優(yōu)選由導(dǎo)熱性較好的紫銅管制成。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選將金屬件的裂紋處加熱到一定溫度后，再在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動。所述加熱溫度優(yōu)選為150°C以上，更優(yōu)選為200°C以上。另外，優(yōu)選為550°C以下，更優(yōu)選為350°C以下。通過采用上述范圍的加熱溫度，不僅可以有效進行金屬件裂紋修復(fù)，還可避免因長時間高溫保溫而導(dǎo)致的各種缺陷。其中，加熱溫度可以通過溫度監(jiān)測儀進行監(jiān)控。此外，在本發(fā)明的方法中施加的超聲振動的頻率優(yōu)選為2(Tl00kHz。處理時間優(yōu)選為2(Γ180秒，更優(yōu)選為2(Γ120秒。通過采用上述范圍的頻率和處理時間，可以有效實現(xiàn)裂
紋愈合。本發(fā)明不但結(jié)合了加熱和超聲振動的各自優(yōu)勢，而且加熱和超聲振動在功能上相互支持，獲得了非常滿意的修復(fù)效果。同時，本發(fā)明有效降低了因金屬件開裂失效而需換件所產(chǎn)生的成本，而且所用設(shè)備簡単，操作方便，適合于大小尺寸不同的金屬件，對尺寸較大的金屬件尤為適用，可以應(yīng)用于需要更換含裂紋零部件且造價昂貴的大型エ礦設(shè)備等，市場前景非常廣闊。實施例下面結(jié)合實施例具體說明本發(fā)明，但本發(fā)明不受下述實施例的限制，在符合本發(fā)明前后宗g的范圍內(nèi)，可作各種變更，這些都包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。實施例I采用本發(fā)明附圖f 4所示的火焰加熱裝置，對含有長度約2mm裂紋的KMN鋼エ件的裂紋處進行加熱，待エ件溫度上升到約350°C時，使用頻率為20kHz的超聲振動沖擊處理エ件裂紋處，處理時間為120秒。超聲振動沖擊處理之后，待エ件自然冷卻至室溫。使用線切割方法在エ件裂紋處切取試樣，并使用砂紙打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋 愈合現(xiàn)象明顯，裂紋尖端及エ件表面裂紋開ロ處均有良好的愈合效果，未愈合裂紋面之間寬度顯著變小。說明對金屬件裂紋進行加熱與超聲振動沖擊共同作用，可以有效實現(xiàn)裂紋修復(fù)。比較例I對含有長度約2mm裂紋的KMN鋼エ件進行保溫爐中加熱，待爐溫上升到約350°C后，保溫120秒，之后將エ件自然冷卻至室溫。使用線切割方法在エ件裂紋處切取試樣，并使用砂紙打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋只有尖端發(fā)生部分愈合，其它位置并未產(chǎn)生較明顯的愈合現(xiàn)象。說明在非高溫的加熱條件下，達不到理想的修復(fù)效果。比較例2對含有長度約2mm裂紋的KMN鋼エ件進行保溫爐中加熱，待爐溫上升到約850°C后，保溫I小時，之后將エ件自然冷卻至室溫。使用線切割方法在エ件裂紋處切取試樣，并使用砂紙打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在裂紋尖端有很明顯的裂紋愈合現(xiàn)象；在裂紋中央部位發(fā)生孔洞化，原來的連續(xù)裂紋變?yōu)椴贿B續(xù)的孔洞，這是由于裂紋局部發(fā)生先熔化再凝固而導(dǎo)致的；裂紋內(nèi)壁兩側(cè)組織變得粗大，未愈合裂紋面之間寬度有所減小。這說明雖然高溫保溫對裂紋愈合具有一定的效果，但有可能改變エ件的顯微組織乃至性能。比較例3對含有長度約2mm裂紋的KMN鋼エ件使用頻率為20kHz的超聲振動沖擊處理，沖擊位置為エ件裂紋處，處理時間為120秒。超聲振動沖擊處理之后，待エ件自然冷卻至室溫。使用線切割方法在エ件裂紋處切取試樣，并使用砂紙打磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察。由于超聲振動沖擊對エ件的能量輸入和壓應(yīng)力作用，發(fā)現(xiàn)在エ件表層即裂紋的外部有一定的裂紋愈合現(xiàn)象，但在裂紋內(nèi)部以及裂紋尖端，愈合現(xiàn)象并不明顯。說明單純的超聲振動處理達不到理想的修復(fù)效果。
權(quán)利要求
1.ー種金屬件裂紋的修復(fù)方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)使用加熱裝置對金屬件的裂紋處進行加熱的步驟； (2)在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的修復(fù)方法，其特征在于，將金屬件的裂紋處加熱到150°C以上后，再在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的修復(fù)方法，其特征在于，所述加熱裝置為火焰加熱裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的修復(fù)方法，其特征在于，所述火焰加熱裝置為環(huán)形火焰加熱圈、方形火焰加熱框或其他任意形狀的火焰加熱裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的修復(fù)方法，其特征在于，所述火焰加熱裝置具備火焰噴孔，火焰噴孔在火焰加熱裝置上均勻分布，其數(shù)目為Γ8個。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的修復(fù)方法，其特征在于，所述超聲振動的頻率為2(Tl00kHZ，處理時間為20 180秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬件裂紋的修復(fù)方法，屬于材料加工及制造工程領(lǐng)域，該方法包括如下步驟(1)使用加熱裝置對金屬件的裂紋處進行加熱的步驟；和(2)在裂紋處的金屬件外表面施加超聲振動的步驟。本發(fā)明的方法不僅對裂紋的修復(fù)效果比較明顯、操作簡單方便，而且設(shè)備造價較低、適用范圍廣，具有重大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。
文檔編號B23P6/04GK102689131SQ20121018943
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者董紅剛, 鄧德偉, 郝曉虎 申請人:大連理工大學