专利名称：一种含微小裂纹的金属结构件激光冲击再制造方法
技术领域：
本发明涉及机械制造与激光加工应用技术领域，尤其涉及一种激光冲击再 制造处理含微小裂纹金属结构件的方法。
背景技术：
金属结构件耐久性及其含微小裂纹材料修补问题已越来越成为当今国际机 械、材料、结构与力学领域十分关注并迅速发展的课题。金属结构件在疲劳和 腐蚀环境下运行，经过一定的使用周期后，不可避免地出现微小裂纹而需要再 制造修复。微小裂纹一旦产生就会顺势延伸，所以有必要在裂纹产生的初期就 加以修复，在现有技术中常用的方法是采用焊接修补的方法，利用焊接时对裂 纹周围的金属表面进行高温加热，使之熔化为一体，消除裂纹。由于这种消除 裂纹方法只对金属表面起修补作用，对裂纹两侧壁体产生的牵引力很小，对引 发裂纹后的内部应力变化无改善作用，所以虽然修复初期有一定修复效果，但 有效时间很短，之后仍然会发生裂纹进一步加剧或重新产生新裂纹的情况。复 合材料贴片修补损伤金属结构件是一种可靠的低成本高效益结构补强方法，该 技术比传统的机械联接(铆，焊)修补具有明显的优越性，如复合材料补片的可 设计性，无应力集中引入，密封联接，增强抗腐蚀能力，修补时间短，成本低等。 但是其作用过程中需要进行高温固化处理，且处理时间较长，工艺烦琐，不利 于现场实时操作。由于金属结构件工艺非常注重可靠性，所以到目前为止大规 模实际用于金属结构件维修再制造的技术很少，急需要发展新的理论、工艺和 技术，丰富金属结构件维修再制造技术，为人们制定最佳的维修方案提供更多 的选择范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种含微小裂纹的金属结构件激光冲击再制造方法， 能够有效修复裂纹并提升含微小裂纹的金属结构件的机械力学性能。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的它包括以下步骤: (1)无损检测确定含微小裂纹的金属结构件损伤部位及裂纹走向，进行表面检 查或磁粉探伤金属结构件的裂纹缺陷及暗伤，无损检测传感器通过误差分离的
方法检测金属结构件表面信号；(2)预除锈处理，包括去除油污及表层氧化皮， 并在含微小裂纹部分贴覆高聚物材料补丁； (3)激光冲击再制造修复，在金属 结构件含微小裂纹部分的表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对金属结构件含 裂纹区域选择激光工艺参数进行激光冲击处理，对于金属结构件表面裂纹较长 时，可以分层分批激光冲击再制造修复；(4)精加工，通过清理刷清理激光冲 击再制造修复后表面，直至处理表面平滑干净；(5)在修复部位进行表面无损 检测，确认微小裂纹再制造修复完成，检验后入库。
本发明所述的激光工艺参数为激光输出波长为1054mn，激光脉宽为20-30 ns，冲击功率选择2.8 3.6 GW/cm2,激光光斑选择4-lOiran。
本发明的有益效果如下
(1) 激光冲击再制造修复形成的残余应力层深度比机械喷丸深约IO倍左右，
金属结构件的疲劳寿命大大提高。
(2) 激光冲击再制造修复前后在修补部位都进行表面无损检测，能精确定 位损伤部位，有效节约资源和能源，显著降低生产成本。
(3) 通过激光冲击能量和光斑大小的精确控制，能够快速将高聚物材料补 '丁通过激光冲击作用修补到金属结构件的裂纹或裂缝中，很好的起到修复裂纹的作用。
(4)激光冲击再制造修复无需对修补部位进行长时间高温固化，不仅使用 方便，效率高，而且没有任何污染，是绿色的再制造方法。
下面结合附图对本发明作进一步的说明 图1所示为本发明激光冲击再制造修复装置方框图 图2所示为本发明激光冲击再制造方法原理示意图 图3所示为本发明激光冲击再制造方法修复示意图
具体实施例方式
如图l、图3所示，激光冲击再制造修复装置包括激光冲击装置l，光路
导出装置2，定位装夹机械手4，清理装置5以及无损检测传感器6。定位装夹 机械手4将金属结构件3定位，无损检测传感器6检测金属结构件3表面信号， 高聚物材料补丁 8贴覆在金属结构件3含微小裂纹部分的表面，再涂覆黑漆涂 层7，激光冲击装置1发出的激光输出光束9经过光路导出装置2聚焦后，光斑 汇聚在含微小裂纹部分进行激光冲击再制造修复，由清理装置5清理修复后的 表面。
图2所示为金属结构件激光再制造修复原理示意图，A、无损检测确定含微 小裂纹7的金属结构件3损伤部位及裂纹走向，进行表面检查或磁粉探伤金属结 构件的裂纹缺陷及暗伤，无损检测传感器通过误差分离的方法检测金属结构件3 表面信号；B、预除锈处理，包括去除油污及表层氧化皮，并在含微小裂纹部分 贴覆高聚物材料补丁8; C、在金属结构件含微小裂纹部分的表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，选用激光输出参数为输出波长为1054nm ，激光脉宽为20-30 ns， 冲击功率选择2. 8 3. 6 GW/cm2，激光光斑选择4-10mm进行激光冲击再制造修复； D、通过清理刷清理激光冲击再制造修复后表面，直至处理表面平滑干净；E、 在修复部位进行表面无损检测，确认微小裂纹再制造修复完成，检验后入库。 实施例
激光冲击修复损伤的发动机曲轴，发动机曲轴材料为QT700-2球墨铸铁， 曲轴的大部分疲劳断裂都发生在曲轴和连杆轴重叠的连接部分，所以裂纹的长 度随着循环的次数增加呈指数关系急剧变长，曲轴很快就断裂。因此采用激光 对曲轴轴颈圆角进行周向扫描冲击，首先无损探伤仪在曲轴轴颈圆角部位检测 损伤部位，在激光冲击修复过程中，当激光输出波长为1054rnn，输出激光的脉 冲宽度(FWHM)为22. lns，激光脉冲能量约为35J时，激光输出光束经过光路 导出装置聚焦后，光斑汇聚在受损叶片曲轴轴颈圆角部位修复部位处，修复装 置根据修复要求指令定位机械手将修复曲轴轴颈圆角部位与光斑精确定位后， 储装头将高聚物材料补丁 (硅酸乙脂-(C2H50)4Si聚合物)贴覆于待修补部位， 经过激光冲击修复后，清理刷将曲轴轴颈圆角部位修补部位的残余补丁清扫去 除，再用无损探伤仪检测激光冲击修复是否己经结束；发现激光冲击修复后， 曲轴轴颈表面残余压应力平均值达到380MPa左右，最大达495MPa;曲轴材料 的表层硬度得到了明显的提高，表面硬化层的显微硬度可高达590HV，硬化层 深度1.0mm以上；曲轴弯曲疲劳强度达2531N，m，与未圆角激光冲击强化(只 进行轴颈调质+表面淬火)曲轴相比，弯曲疲劳极限提高65%以上。损伤曲轴裂 纹部位激光冲击修复后，裂纹长度几乎不随循环次数的增加而增加，从而极大 地延长了疲劳寿命。
权利要求
1、一种含微小裂纹的金属结构件激光冲击再制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)无损检测确定含微小裂纹的金属结构件损伤部位及裂纹走向，进行表面检查或磁粉探伤金属结构件的裂纹缺陷及暗伤，无损检测传感器通过误差分离的方法检测金属结构件表面信号；(2)预除锈处理，包括去除油污及表层氧化皮，并在含微小裂纹部分贴覆高聚物材料补丁；(3)激光冲击再制造修复，在金属结构件含微小裂纹部分的表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对金属结构件含裂纹区域选择激光工艺参数进行激光冲击处理，对于金属结构件表面裂纹较长时，可以分层分批激光冲击再制造修复；(4)精加工，通过清理刷清理激光冲击再制造修复后表面，直至处理表面平滑干净；(5)在修复部位进行表面无损检测，确认微小裂纹再制造修复完成，检验后入库。
2、 根据权利要求1所述的一种含微小裂纹的金属结构件激光冲击再制造方法， 其特征在于所述的激光工艺参数为激光输出波长为1054rnn，激光脉宽为 20-30 ns,冲击功率选择2. 8 3. 6 GW/cm2，激光光斑选择4-10,。
全文摘要
本发明公开了含微小裂纹的金属结构件激光冲击再制造方法。它包括以下步骤(1)无损检测确定含微小裂纹的金属结构件损伤部位及裂纹走向；(2)预除锈处理，并在含微小裂纹部分贴覆高聚物材料补丁；(3)激光冲击再制造修复；(4)精加工；(5)在修复部位进行表面无损检测，确认修复完成，检验后入库。采用上述方法的发明，能精确定位损伤部位，有效节约资源和能源，显著降低生产成本；修复形成的残余应力层深度比机械喷丸深约10倍左右，金属结构件的疲劳寿命大大提高；无需对修补部位进行长时间高温固化，不仅使用方便，效率高，而且没有任何污染，是绿色的再制造方法。
文档编号B23P6/00GK101412176SQ20081023628
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者任旭东, 冯爱新, 周建忠, 周立春, 张永康 申请人:江苏大学