金屬基表面復(fù)合材料成型表面氣密檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)研究
——以INVAR合金復(fù)合材料為例

黃晴晴，程?hào)?/p>

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123）

0 引言

復(fù)合材料成型成型模具，不僅要求工裝保證足夠的剛性、氣密性、升降溫速率，而且需要保證零件與工裝的熱匹配性及工裝結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，它們直接影響著零件的精度。目前此類模具存在著型板外形精度差，框架焊接變形及焊接參數(shù)控制、型板漏氣、機(jī)械加工精度不達(dá)標(biāo)等問題。在復(fù)合材料成型模具生產(chǎn)制造或應(yīng)用中，常因模具的辦公環(huán)境變化多端，型面及焊接在交替變化的高燒髙壓自然環(huán)境下非常容易造成透亮裂痕，沙孔等缺點(diǎn)而導(dǎo)致模具損毀，使模具使用量非常大[1]。因?yàn)閺?fù)合材料模具生產(chǎn)制造加工工藝繁雜、生產(chǎn)制造時(shí)間長、生產(chǎn)加工花費(fèi)高，尤其是高精密繁雜模具或大中型模具的生產(chǎn)制造生產(chǎn)加工花費(fèi)達(dá)到數(shù)百萬元甚至數(shù)千萬元，因而應(yīng)用適度的模具修復(fù)技術(shù)性其不但能達(dá)到原工藝技術(shù)規(guī)定，并且還可使制造成本減少。

1 復(fù)合材料成型工藝表面氣密檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前復(fù)合材料成型工裝漏氣檢測(cè)方法均為熱壓罐+假件檢測(cè)法，占用零件生產(chǎn)時(shí)間，檢測(cè)周期長，對(duì)于焊縫漏氣處檢測(cè)的準(zhǔn)確性差，假件上的缺陷無法真實(shí)反映模具的漏氣情況。工裝漏氣處的檢測(cè)方法研究，有利于提高模具的使用壽命、提高模具試模一次合格率[2]。

復(fù)材成型模具，即用于成型復(fù)合材料零件用工裝，隨著使用次數(shù)的增加，工裝型板存在著在交變熱、壓力的共同作用，容易產(chǎn)生焊縫漏氣現(xiàn)象。為了保證氣密性，需要對(duì)復(fù)合材料成形工裝型板進(jìn)行氣密檢測(cè)，確定漏氣點(diǎn)位置，并進(jìn)行后續(xù)修復(fù)。目前普遍采用制作復(fù)合材料零件假件的方法進(jìn)行氣密性的檢測(cè)。采用這種方法，僅能判斷焊縫是否漏氣，無法確定漏氣點(diǎn)位置，不利于后續(xù)焊縫的修復(fù)。同時(shí)制造假件的方法工序復(fù)雜，成本高。根據(jù)生產(chǎn)需求，需要發(fā)明一種用于型板焊縫檢測(cè)的方法，該方法要求能夠清晰的確定焊縫漏氣點(diǎn)、操作簡單、功能可靠。根據(jù)熱壓罐的工作原理，采用簡易的實(shí)驗(yàn)工具，驗(yàn)證氣密實(shí)驗(yàn)方案的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)，研究出了可行、簡易、有效、低成本、可靠的檢驗(yàn)工裝漏氣的方法，現(xiàn)有成熟檢測(cè)方式如下五種滲透檢測(cè)法、煤油檢測(cè)、熒光檢測(cè)、深色染色劑檢測(cè)、真空罩檢測(cè)法、氦氣檢測(cè)法[3]。

氦氣檢測(cè)法可快速確定工裝是否漏氣，漏氣位置點(diǎn)可通過區(qū)域排除法，逐步縮小檢測(cè)區(qū)域以確定具體漏氣點(diǎn)。真空罩檢測(cè)法和滲透檢測(cè)法在氦氣檢測(cè)法判斷此工裝漏氣的基礎(chǔ)上，對(duì)可疑漏氣點(diǎn)的孔位、焊縫處精確查找漏氣點(diǎn)位。五種檢測(cè)漏氣的方式交叉使用大大提高了氣密檢測(cè)的成功率。

2 復(fù)材成型工裝漏氣原因分析

2.1 加工銑缺造成漏氣

銑刀選擇或程序編制缺陷會(huì)引起漏氣問題出現(xiàn)。所以在加工前，需要對(duì)型板加工余量進(jìn)行檢測(cè)，特別是型板轉(zhuǎn)角處，型板凹R處，對(duì)理論模型及實(shí)際模型進(jìn)行分析，避免出現(xiàn)加工型板時(shí)的銑切缺陷造成工裝漏氣。

2.2 管路安裝造成漏氣

管路安裝是成型模制造中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果管路安裝不合格，肯定會(huì)造成工裝漏氣，不合格，所以在管路安裝時(shí)需要對(duì)各個(gè)管路接口嚴(yán)格按照《真空管路安裝規(guī)范》安裝。

2.3 制孔太深造成漏氣

復(fù)合材料成型模除對(duì)型板精度有要求外，還有很多孔需要加工，如果孔深超過型板厚度，檢測(cè)工裝是否漏氣時(shí)，將孔位放在了制帶區(qū)內(nèi)，試模肯定漏氣，所以如果孔位在制帶區(qū)域內(nèi)，就應(yīng)保證孔為盲孔[4]。

2.4 焊接過程中，焊縫質(zhì)量造成漏氣

復(fù)合材料成型模型板如果過大，均需要焊接，先對(duì)型板進(jìn)行焊接，再將焊接后的型板進(jìn)行數(shù)控加工，在進(jìn)行數(shù)控加工型板時(shí)肯定會(huì)加工部分焊縫，如果焊縫質(zhì)量不高，焊縫有缺陷，加工完型板，焊縫缺陷處就易引起漏氣，造成工裝不合格。

3 氣密檢測(cè)方法與對(duì)比

3.1 真空罩檢測(cè)

3.1.1 前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

模具水平放置，拆開各件并妥善保存底板及可卸件保留并清點(diǎn)數(shù)量，防止碰傷型面，型面清理干凈，其上應(yīng)標(biāo)記出檢測(cè)范圍。

設(shè)備：簡易氣密檢測(cè)設(shè)備（自備）

所需材料：密封膠帶、打磨墊，丙酮（用于清潔密封膠帶粘接區(qū)域）

3.1.2 檢查過程

在工裝上標(biāo)記可疑漏氣的地方，采用密封膠帶粘接在簡易抽真空裝置上。采用平面實(shí)驗(yàn)，測(cè)定真空時(shí)間，利用平板，測(cè)量出保壓時(shí)間，一般不低于5min，在漏氣區(qū)，按上述方法，對(duì)可疑漏氣區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如漏氣，密封裝置無法吸附在密封膠帶上、放氣閥漏氣，5分鐘內(nèi)不漏氣為工裝檢測(cè)合格標(biāo)志。

3.2 煤油檢測(cè)

3.2.1 前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

模具水平放置，拆開各件并妥善保存底板及可卸件保留并清點(diǎn)數(shù)量，防止碰傷型面，型面清理干凈，其上應(yīng)標(biāo)記出檢測(cè)范圍。

設(shè)備：簡易氣密檢測(cè)設(shè)備（自備），所需材料：石灰粉漿、純煤油，丙酮（用于清潔測(cè)試區(qū)域）

3.2.2 檢查過程

在工裝上標(biāo)記可疑漏氣的地方，型面背面刷石灰漿待石灰漿完全干燥，正面刷煤油，因煤油有極強(qiáng)的滲透性可通過氣孔、裂紋、砂眼等貫穿性滲透到背面。煤油浸染以后12小時(shí)，檢查背面是否出現(xiàn)油漬，并使用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)注，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)禁煙火。

通過實(shí)驗(yàn)，在試板上驗(yàn)證，取得明顯效果，檢測(cè)出試板的漏氣點(diǎn)、此方法在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需注意安全，易引起火災(zāi)。

3.3 深色染色劑檢測(cè)及氦氣質(zhì)譜儀檢測(cè)

3.3.1 前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

模具側(cè)立放置，拆開各件并妥善保存底板及可卸件保留并清點(diǎn)數(shù)量，防止碰傷型面，型面清理干凈，其上應(yīng)標(biāo)記出檢測(cè)范圍。

設(shè)備：氦氣檢測(cè)儀，真空泵

所需材料：深色染色劑（如墨汁），s密封膠帶、打磨墊，丙酮（用于清潔密封膠帶粘接區(qū)域）

3.3.2 檢查過程

在工裝表面上待制帶處，采用清洗劑（丙酮）清理，局部膠處清理干凈。多人配合對(duì)待檢測(cè)工裝的型面制帶，在工裝上標(biāo)記可疑漏氣的地方，采用密封膠帶粘接在型面上制帶。制帶完成后，打開真空泵進(jìn)行冷抽30分鐘后，待儀器表顯袋內(nèi)壓力為0.000MP，停止冷抽，觀察表顯若5min內(nèi)氣壓下降不超過0.002MP則冷抽合格。若5min內(nèi)氣壓下降超過0.002MP則冷抽不合格。啟動(dòng)氦氣檢測(cè)儀在工件可疑漏氣打氦氣，使用儀器對(duì)型面進(jìn)行檢漏時(shí)，如果被測(cè)處泄露超出規(guī)定漏率，氦氣檢漏儀應(yīng)會(huì)自動(dòng)聲光報(bào)警，漏氣位置可確定。如果漏氣范圍較大，這時(shí)可通過深色染料在工裝背面涂，此時(shí)工裝表面氦氣檢測(cè)儀繼續(xù)工作狀態(tài)，在漏氣位置將會(huì)看到有染料從工裝背面滲透到工裝正面，印在恩石上，從而確定工裝漏氣位置。

4 復(fù)合材料成形表層漏汽修復(fù)技術(shù)

4.1 冷焊修復(fù)加工工藝試驗(yàn)方案

冷焊修復(fù)技術(shù)性是一種新式金屬材料零件表層修復(fù)技術(shù)性，具備高精密、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、方便快捷等優(yōu)勢(shì)，已運(yùn)用在模具修復(fù)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再生產(chǎn)等行業(yè)。Invar鋁合金復(fù)合材料成形模具一般應(yīng)用于在航天航空繁雜的復(fù)材類零部件和構(gòu)造外觀設(shè)計(jì)的零件生產(chǎn)制造。冷焊加工工藝可適用不一樣部位的焊補(bǔ)，平面圖部位的凹痕、孔、洞；縫隙、管溝；邊角、凸線、頂峰部位電焊焊接；相對(duì)性于一般氬弧焊機(jī)其熱危害很小，工作中電流量（30～200A）、起弧時(shí)間（1～600ms）操作工人可精確控制，在實(shí)際操作中，職工可精準(zhǔn)操縱，設(shè)置標(biāo)值可使鍵入的動(dòng)能僅夠用以焊絲與工件直間的融合，非常少動(dòng)能功效于工件，進(jìn)而使工件表層遇熱危害降至最少。根據(jù)操作過程發(fā)覺InvarM93焊絲噴焊后與模貝基材具備非常高的融合度，焊后的位置可開展各種各樣機(jī)械加工制造，不容易發(fā)生其他類型悍機(jī)焊后融合不堅(jiān)固，掉下來等狀況[5]。

4.2 修復(fù)工藝關(guān)鍵點(diǎn)

復(fù)材成形模貝焊補(bǔ)前開展提前準(zhǔn)備清除工作中，應(yīng)用磨光機(jī)和打磨砂紙清除焊接件短焊縫和焊縫兩邊的空氣氧化層與殘?jiān)羧秉c(diǎn)為砂眼應(yīng)用麻花鉆鉆開砂眼孔直徑3～5倍的凹窩，并應(yīng)用甲苯水溶液擦洗，常溫狀態(tài)干躁就可以。

針對(duì)Invar鋁合金高分子材料成形實(shí)體模型面缺點(diǎn)的焊補(bǔ)，僅應(yīng)用1毫米的InvarM93焊絲。冷焊對(duì)Invar鋁合金高分子材料成形模貝修復(fù)加工工藝計(jì)劃方案，歷經(jīng)很多工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)和試驗(yàn)科研成果，可證實(shí)其修復(fù)實(shí)際效果優(yōu)質(zhì)，修復(fù)通過率為100%。根據(jù)基材和修復(fù)層以噴焊焊接線為界，頁面融合優(yōu)良，無孔隙度、參雜和裂痕。對(duì)焊接區(qū)修復(fù)層一側(cè)開展EDS能譜分析。剖析發(fā)覺有原素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，在修復(fù)層一側(cè)存有銅元素，表明修復(fù)層與基材間是微區(qū)冶金工業(yè)融合優(yōu)良。

5 結(jié)語

運(yùn)用各種各樣檢測(cè)修復(fù)技術(shù)性修復(fù)無效的模具，使其修復(fù)使用性能再次交付使用，能夠做到增加模具使用期限、控制成本、提升經(jīng)濟(jì)收益的目地。Invar鋁合金模具關(guān)鍵解決了模具原材料與復(fù)合材料線膨脹系數(shù)不一致的難題，故在航天航空行業(yè)被很多做為復(fù)合材料成型模具的生產(chǎn)制造原材料在應(yīng)用。