基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法技术

本发明专利技术属于材料加工制造领域，涉及一种基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法。针对无损检测所确定的缺陷在板材中的空间位置与尺寸，首先利用仿真技术，控制热源再制造热源加工行走路径、运行速度以及热输入，结合高斯热源模型有效加热直径，实现热源运行路径上的材料周期性熔化，而待修复缺陷处的熔池持续保持熔化状态，且控制其持续熔化时间，通过对再制造熔池热量的管量，调控熔池状态与行为，保证缺陷可修复完成的同时液态熔池保持整体受力平衡，不引进由于修复焊接而引进二次缺陷，从而优化并确定缺陷修复焊接的工艺参数。最后依据所确定的工艺参数完成对缺陷零件部位的微创原位再制造。位的微创原位再制造。位的微创原位再制造。

【技术实现步骤摘要】
基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法


[0001]本专利技术属于材料加工制造领域，涉及基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法。

技术介绍

[0002]随着大型航空复杂构件制造所采用的焊接技术逐渐升级换代，高能束热源在热加工领域得到了广泛的应用，使得焊接缺陷由大尺寸的贯穿性缺陷向局部的微小缺陷发展，残存有微小缺陷的产品，会面临着该处作为缺陷源受周期性载荷作用，最终形成裂纹引起焊接头疲劳失效，降低产品使用的安全性。目前，针对完成制造的构件中残存的微小缺陷，主要采用的修复再制造技术为机加去除缺陷处材料，之后利用氩弧焊填丝工艺，将由于先期材料去除留在构件上的小坑进行熔化填充，最终完成构件的修复再制造。而采用此方法对微小缺陷进行修复再制造存在两方面的不足：首先由于电弧焊接的热源能量密度较低，相对于原有的高能束热源焊道尺寸明显增大，导致大面积的二次重熔，引起修复再制造区域组织性能恶化、力学性能下降，难以满足现代飞机零件高质量制造的要求；其次，所填充材料的成分难以保证与原状态母材一致性，存在材料成分不同引起的修复处组织比原有组织性能下降的风险，难以满足现代飞机零件高质量制造的要求。若采用与原连接工艺相同的高能束热源直接进行定点修复，虽然可以避免不同热源作用导致的修复组织与原组织难以兼容的风险，但由于高能束热源的热量的穿透力极强，对薄壁产品微小缺陷的定点修复时，修复熔池形成后，熔池底部的表面张力明显降低，不能满足对整个熔池的支撑，熔池受力失衡塌陷导致修复处产生下陷，严重的可能会出现烧穿风险。因此迫切需要研发一种方便、有效、精准、低成本的微小缺陷修复技术，为精准修复再制造技术提供了新的思路和技术基础。

技术实现思路

[0003]针对上述提出的微小缺陷修复需求，提出一种基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法。本专利技术所述微创原位再制造技术的全流程操作包括五个步骤，依次为缺陷空间位置检测与确定、原位再制造路径的确定、原位再制造参数仿真验证与迭代优化、缺陷部位再制造。通过上述再制造技术的操作，可以管理再制造熔池热量状态，控制再制造熔池的空间尺寸，调节熔池的高温停留时长，实现缺陷处金属熔化的同时再制造熔池受力达到平衡，缺陷气泡的快速溢出以及空腔的稳定回填，最终完成对缺陷位置的可靠稳定再制造。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法，步骤如下：
[0006]1、缺陷空间位置检测与确定
[0007]所述的缺陷空间位置检测与确定主要涉及缺陷在构件中的空间位置确定、缺陷尺寸确定以及再制造加工区域的确定；
[0008]进一步地，缺陷在构件中的空间位置确定方法为对有缺陷的构件采用表面与侧面
两次X光透射对焊道进行检测，从X光底片上测量缺陷距构件上下表面的距离S1、S2以及两侧面的距离S3、S4，确定焊接缺陷在焊道中的空间位置；
[0009]进一步地，缺陷尺寸确定方法为将缺陷理想化为球形缺陷，采用表面与侧面两次X光透射对焊道进行检测，从X光底片上测量缺陷在两个方向的高度与宽度尺寸，对比四个测得值，选取其中最大值φ1，并将所选的最大值设为理想化球形缺陷的直径，则球形缺陷为以最大值为直径的球形空腔；
[0010]进一步地，再制造加工区域的确定方法为分别对比S1与S2的大小，取距离最小值所对应的面作为修复加工面，缺陷再制造加工区域应以能包含的缺陷所确定的最大尺寸为直径的圆形为基准向外侧平移不小于15mm，得到修复焊接前需要打磨的区域φ2；
[0011]2、缺陷再制造路径的确定
[0012]依据缺陷在焊道中的位置与尺寸，在仿真软件中建立带缺陷的焊道三维实体模型，选取具有高能束热源特征的高斯热源模型，拟合焊接缺陷高能束修复时所采用的圆波扫描模式为修复为圆形路径，圆形路径尺寸φ3与选定高能束热源的有效加热直径φ4，以及能包含的缺陷所确定的最大尺寸为直径的圆形直径φ1，三者之间的关系应满足公式(1)，
[0013][0014]同时以能包含的缺陷所确定的最大尺寸为直径的圆形为基准向外侧平移不小于10mm但不大于15mm的区域内确定出圆形修复焊接时热源行走的路径；
[0015]3、再制造参数仿真确定与迭代优化
[0016]结合适当的热源运行速度与再制造热输入两个参数，在仿真软件中对再制造过程进行计算迭代优化，实现所确定的圆形路径应可以满足使沿路径上的材料随热源运动间歇性熔化，而圆形路径中心缺陷处材料始终保持熔化，通过控制热源在修复焊接时热源的适时作用区域，管理修复焊接时熔池中热量的分布，提升熔池整体的受力稳定性，避免局部大面积持续受热，引起熔池体积增加受力失稳，导致最终出现烧穿缺陷，同时，熔池的存在时间应满足缺陷修复熔池气泡顺利溢出以及空腔回填过程稳定；
[0017]4、再制造参数试验验证
[0018]取与缺陷处状态一致的板材作为原料，在其表面划与圆O2尺寸一致的圆O3，以仿真得到的工艺参数为基础，在各参数偏差
±
10％的范围内进行微调，进行模拟修复焊接试验，利用X光与金相观察验证参数的可性行，并最终迭代确定修复焊接高能束热源参数；
[0019]5、缺陷部位再制造
[0020]打磨清理缺陷所处位置对应的修复焊接面周围不小于15mm内的区域，确保修复熔池范围内区域得到全面清理，避免修复焊接时原有焊道表面的氧化物与油污进入修复焊接熔池，导致修复处再次出现气孔、夹渣或裂纹等缺陷，将确定的高能束热源修复焊接参数，输入修复焊接设备中，启动设备并最终完成缺陷的修复焊接，焊接完成后送X光进行检测，合格后方可交付。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术引入仿真分析技术，通过调整缺陷范围直径、高斯热源的作用范围直径以及热源的圆波扫描路径直径，控制热源的热输入，实现缺陷周边周期性间歇熔化，而缺陷范围始终处于熔化，管理再制造加工熔池的热量状态，平衡熔池的受力行为，在熔池气泡缺陷
溢出、空腔缺陷回填的同时避免熔池过热尺寸增加导致的最终再制造区域坍塌或烧穿等新缺陷的产生，最终完成焊道缺陷的优质再制造加工工艺。
附图说明
[0023]图1为缺陷部位再制造步骤
[0024]图2为缺陷空间位置示意图
[0025]图3为热源管理控制示意图
[0026]图中：1为缺陷；2为圆O1；3为圆O2；4为圆O3；5为圆O4。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0028]基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法，步骤如下：
[0029]1、缺陷空间位置检测与确定
[0030]将有缺陷1的构件置于X光射线检测工位，分别从构件缺陷部位的表面与侧面两次X光透射对焊道进行检测，而后从X光底片上测量缺陷距构件上下表面的距离S1、S2以及两侧面的距离S3、S4，确定焊接缺陷在焊道中的空间位置，对比四个数值，选取距离最小值定为S；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于熔池热量管理的高能束微创原位再制造方法，其特征在于，步骤如下：第一步：缺陷空间位置检测与确定缺陷空间位置检测与确定涉及缺陷在构件中的空间位置确定、缺陷尺寸确定以及再制造加工区域的确定；第二步：缺陷再制造路径的确定依据缺陷在焊道中的位置与尺寸，在仿真软件中建立带缺陷的焊道三维实体模型，选取具有高能束热源特征的高斯热源模型，拟合焊接缺陷高能束修复时所采用的圆波扫描模式为修复为圆形路径，圆形路径尺寸φ3与选定高能束热源的有效加热直径φ4，以及能包含的缺陷所确定的最大尺寸为直径的圆形直径φ1，三者之间的关系应满足公式(1)，同时，以能包含的缺陷所确定的最大尺寸为直径的圆形为基准向外侧平移不小于10mm但不大于15mm的区域内确定出圆形修复焊接时热源行走的路径；第三步：再制造参数仿真确定与迭代优化结合适当的热源运行速度与再制造热输入两个参数，在仿真软件中对再制造过程进行计算迭代优化，实现所确定的圆形路径应可以满足使沿路径上的材料随热源运动间歇性熔化，而圆形路径中心缺陷处材料始终保持熔化，通过控制热源在修复焊接时热源的适时作用区域，管理修复焊接时熔池中热量的分布，提升熔池整体的受力稳定性，避免局部大面积持续受热，引起熔池体积增加受力失稳，导致最终出现烧穿缺陷，同时，熔池的存在时间应满足缺陷修复熔池气泡顺利溢出以及空腔回填过程稳定；第四步：再制造参数试验验证取与缺陷处状态一致的板材作为原料，在其表面划与圆O2尺寸一致的圆O3，以仿真得到的工艺参数为基础，在各参数偏差
±
10％的范围内进行微调，进行模拟修复焊接试验，利用X光与金相观察验证参数的可性行，并最终迭代确定修复焊接高能束热源参数；第五步：缺陷部位再制造打磨清理缺陷所处位置对应的修复焊接面周围不小于15mm内的区域，确保修复熔池范围内区...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳梅，史吉鹏，关峰，高峰，赵兴旺，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：