封闭工艺范文（精选3篇）
封闭工艺 第1篇
关键词：蜂窝夹层结构,挖补修理,抗弯强度,破坏模式,强度恢复率
复合材料因具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性, 近年来在飞机结构中的用量激增。复合材料结构在制造和使用过程中不可避免会出现损伤, 因此其结构的修理问题越来越受到人们的重视, 复合材料修理效果成为当前复合材料修理方面的热点之一[1]。飞机实际结构中大量使用蜂窝夹层结构, 如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等[2], 对蜂窝夹层结构修理后的力学性能开展研究是有必要的。
夹层结构通常是由比较薄的板材作面板, 比较厚的密度小的材料作芯子胶接而成, 一般面板采用强度和刚度比较高的材料, 而芯子支撑其间, 使面板在承受压力时能够较好地保持弹性稳定性。夹层结构的特点是抗弯刚度较高, 可以在最小质量下达到刚性结构件的要求, 因此在飞机结构中有广泛的应用[3]。
S.Belouettar等[4]研究铝蜂窝夹层结构在四点弯静力和疲劳作用下的破坏模式和破坏载荷;He Li等[5]针对几类芯子的弯曲应力进行精确分析;张广成等[6]研究蜂窝夹层结构的力学性能, 分析了预置缺陷对弯曲性能的影响。R.B.Pipes等[7]针对修理后复合材料结构的承载能力进行了实验验证。国外一些学者对修理后复合材料结构开展了大量的实验研究[8,9,10]。J.S.Tomblin[11,12]等针对修理后的蜂窝夹层结构进行四点弯测试, 分析相关修理参数的影响;汪海等[13]研究轴压蜂窝夹层修理结构的强度及破坏模式。
蜂窝夹层结构的主要损伤包括蒙皮和蜂窝芯的损伤、分层及脱胶。夹层结构承受弯曲载荷下常见的破坏模式:总体失稳, 由夹层结构的弯曲刚度不够导致的;芯子剪切皱折, 是由于芯子剪切模量过小, 胶黏剂剪切强度过低, 产生在挠曲之后的最终破坏;面板起皱, 是由于胶黏剂平面压缩强度不够而产生面板向外凸出, 或者芯子压缩强度不够而产生面板向内凹陷;蜂窝孔间面板失稳 (起波) , 是由于面板太薄, 蜂窝孔太大, 这种现象由于向临近蜂窝孔发展而可能引起破坏, 从而导致面板起波;面板破裂, 由面板强度不够, 厚度不够导致的;芯子剪切破坏, 由芯子剪切强度厚度不够导致的;芯子挠曲压塌, 由芯子平面压缩强度不够导致的;芯子局部压损, 是由芯子压缩强度太小导致的;面板与芯子分离是由面板与芯子胶接强度不够导致的[14]。
蜂窝夹层结构承受较大载荷时可能有以上几种破坏形式同时存在, 设计蜂窝夹层结构时, 需要对可能的破坏模式进行强度计算, 其中弯曲载荷是结构使用过程中比较常见的载荷形式之一, 因此本工作主要关注弯曲载荷作用下蜂窝夹层结构的弯曲性能, 并观察其破坏模式。同时, 针对含不同损伤位置的边缘闭合蜂窝夹层结构在不同的工艺状态下的修理效果对弯曲性能的影响进行分析, 实现对工艺参数和修理方法的分析与设计。
1 实验
1.1 实验条件
使用INSTRON-8803型多功能试验机对实验件进行四点弯曲加载, 测试温度为室温 (23±3) ℃, 相对湿度为 (50±10) %, 加载速率4mm/min。
1.2 实验对象
本次实验主要针对含损伤边缘封闭的蜂窝夹层修理结构的弯曲性能进行测试。为了测试修理效果, 需要分析实验件损伤前、损伤后以及修理后的弯曲性能, 因此将实验件分为3大类:完好实验件, 损伤实验件和修理实验件, 以下简称完好板 (U) , 损伤板 (D) 和修理板 (R) 。蜂窝夹层结构件示意图如图1所示。
为了进行弯曲性能测试, 设计实验件为440mm×160mm的矩形板, 面板材料为4层单向MTM44-1预浸料, 面板中间为10mm高的蜂窝芯子, 材料为HRH-10-1/8-3, 铺设方式为[45°/0°/-45°/90°]/C/[90°/-45°/0°/45°];面板和芯子胶接的胶黏剂采用PL7000, 发泡胶是FM490A。由于损伤可能出现在蜂窝夹层结构的不同位置, 特考虑结构中央和结构边缘两种实验件的损伤和修理, 边缘带长30mm, 如图2所示。为了测得修理区域在弯曲载荷状态下的效果, 将四点弯曲实验件的非实验段添加灌封料, 加强承载能力, 采用的材料是Epocost-1619A/B。实验主要针对修理结构与完好结构的弯曲性能差异性进行分析, 差异性主要体现在中间修理区域, 因此选择四点弯曲加载方式, 本工作选择l=4a的四点弯曲加载方式, l为绞支点跨距;a为加载点到绞支点的跨距。
为了模拟蜂窝夹层结构常见损伤, 考虑以下几种严重影响结构承载能力的损伤类型:对于结构中央实验件母板, 经机械加工得到直径分别为25mm和50mm的面板芯子损伤 (FC) 和穿透损伤 (FCF) 两种情况, 相应的修理方法分别为单侧面板和芯子损伤挖补修理 (R-FC) , 穿透损伤双面挖补修理 (R-FCF) , 如图3 (a) , (b) 所示;对于结构边缘实验件母板的中央经机械加工得到尺寸为25mm×80mm的单侧面板以及穿透损伤两种情况, 相应的修理方法分别为单侧面板损伤挖补修理 (ER-F) , 穿透损伤双面挖补修理 (ER-FCF) , 如图3 (c) , (d) 所示。本工作同时还考虑了不同修理设备 (热压罐和热补仪) 的影响。采用热压罐固化单向MTM44-1预浸料需要在180℃保温2h, 压力为0.59MPa;而热补仪固化只能实现在固化温度180℃下保温2h, 压力为0.101MPa。
四点弯载荷作用下的最大弯矩M
面板弯曲正应力[15]
式中:P为集中载荷;a为加载点到绞支点的跨距;σf为面板最大弯曲正应力;tf为面板厚度;d为夹层结构厚度;b为夹层结构宽度。
夹层结构在四点弯载荷作用下, 上面板会发生破坏。
2 结果分析
2.1 破坏模式
采用四点弯曲实验方法测试实验件的弯曲性能, 中间区域为实验段, 上面板承压, 下面板承拉, 由于层压板抗拉强度通常比抗压强度高, 所以通常的破坏模式是上面板发生压缩失效, 褶皱或者劈裂。
图4给出夹层结构的四点弯典型破坏模式, 可以看出, 蜂窝板的完好板在四点弯曲实验中上面板受压破坏, 出现褶皱导致芯子压溃。损伤板的损伤区域是薄弱区域, 通常会由孔边开始破坏, 损伤扩展到自由边, 面板沿中面折断, 整个结构失去承载能力。然而对于修理结构, 破坏模式是随着修理效果的好坏而变化的, 可以发现修理后结构的破坏模式大致分为3类:胶层破坏、补片撕裂、中面折断破坏;补片中面折断, 补片与母板没有发生脱胶;补片边缘面板折断, 蜂窝压溃。在弯曲加载作用下, 蜂窝夹层结构的下面板没有明显损伤[16]。
表1给出实验件的破坏强度、强度恢复率以及破坏模式列表。表1中, 实验件参数标有 (H) 的实验件是属于热补仪修补, 标有 (A) 的实验件是热压罐修补;标有25和50的实验件是损伤直径分别为25mm和50mm的损伤件或者修理件。
图5为实验件的破坏强度与破坏模式的对比分析。按照破坏模式进行分类, 发现损伤板的破坏强度最低;修理板的相同破坏模式的破坏载荷相近, 其中补片边缘折断修理板和补片中面折断修理板的破坏强度较高, 与完好板相当;胶层破坏修理板的破坏强度相对较低。由此说明, 不同破坏模式修理板的修理效果是不同的, 而修理效果是随着损伤直径, 损伤类型和修理设备等参数的变化而变化。
2.2 固化设备影响
使用两种固化设备固化修理结构, 分别是热压罐和热补仪。热压罐的工艺原理是利用热压罐内部的高温气体产生压力对复合材料胚料 (预浸料) 进行加热、加压以完成固化成型的方法, 使用起来投资大, 成型过程中耗费能源多, 操作过程比较复杂。热补仪是通过将加热毯覆盖在固化区域上, 使用热电偶监控温度, 采用真空袋装置施加一个大气压的压力, 进行固化成型, 使用方便简捷。
图6为固化设备对强度恢复率的影响。可以看出, 对于面板边缘和面板中央两类损伤状态的修理实验件, 热压罐修理效果比热补仪修理效果均略好一些。这是由于热压罐成型压力大, 温度均匀, 修理层和胶层之间的孔隙减少, 固化效果好, 而热补仪成型压力仅为一个大气压, 通过加热毯加热保持温度, 可能出现传热不均匀现象。但是热补仪修补之后, 抗弯强度恢复率比热压罐减少约8.53%。由此可以说明, 在外场使用或者考虑成本时, 可以采用热补仪替代热压罐进行修理。
2.3 损伤直径影响
采用热补仪固化方法来分析不同损伤直径的修理效果。宽度相同、损伤直径不同的损伤结构破坏模式相似, 但是破坏强度随着损伤直径的增大而降低。对于损伤后修理板, 修理效果会对破坏载荷产生较大的影响, 图7给出损伤直径不同的修理板示意图。
由图7可知, 修理前需要将母板打磨成凹面, 修理过程中的大损伤相对母板去除结构会比小损伤多, 在修补前, 母板本身的承载能力会随着打磨去除的增多而降低。如果胶接质量较高, 胶接面的破坏强度相似, 那么修补大损伤和小损伤的修理效果应该是一样的, 但是如果胶接质量不好, 那么胶层提前破坏, 两种母板本身的承载能力不同, 修理效果也会不同。
图8为损伤直径对强度恢复率的影响。结合图8和图5可以看出, 直径为50mm实验件的破坏强度较低, 其破坏模式为胶层破坏和补片撕裂。而直径为25mm实验件, 补片没有撕裂, 只是补片中间折断。两者的破坏模式主要差异是50mm损伤直径实验件的胶层发生破坏, 说明该类实验件的胶接质量较差。而对于R-FCF型损伤直径为25mm和50mm的破坏模式相同, 参考表1可以看出破坏强度相近, 说明损伤直径不影响修补效果, 由破坏模式相同说明两者的胶接质量相近。由R-FC型和R-FCF型的不同损伤直径实验件对比可以看出, 在胶接质量较好的前提下, 大损伤与小损伤修补后的强度相差不多。
2.4损伤类型影响
采用相同的修理参数和热补仪固化方法, 来分析不同损伤类型的修理效果。损伤情况分为结构中央单侧面板和芯子损伤、结构中央穿透损伤、结构边缘面板损伤以及结构边缘穿透损伤 (图3) 。
图9为损伤类型对修理后夹层结构强度恢复率的影响。可以看出, 损伤结构的抗弯强度占完好板抗弯强度的40%~60%, 而修理之后的强度恢复率达到90%以上, 说明修理效果很好, 各类损伤类型修理后结构中央的修理效果比结构边缘修理效果好, 这是由于结构边缘的结构形式和修理过程中胶接面都比较复杂, 影响胶接质量。
3结论
(1) 修理之后的抗弯强度恢复率基本处于90%以上, 说明修理效果良好, 但是工艺参数的变化影响修理后的弯曲性能。
(2) 相同破坏模式实验件的抗弯强度相近, 其中补片边缘折断修理板和补片中面折断修理板的抗弯强度较高, 与完好板相当;胶层破坏修理板的抗弯强度相对较低。
(3) 在选用的结构和材料体系下, 采用热压罐固化修理效果比热补仪修理效果好, 在外场使用时, 可以用热补仪修补替代热压罐修补。
封闭工艺 第2篇
沙陀电站转轮上冠采用ZG0Cr13Ni5Mo, 在加工过程中, 因图纸改版, 误将24个分布圆孔加工为20个孔, 需要采用补焊的方式修复错位孔后重新加工。转轮上冠连轴孔为转轮与主轴连接部位, 承受非常大的扭矩, 且由于焊接量大, 结构拘束度大, 对补焊工艺提出了更大的要求。
2 修复结构与母材焊接性分析
2.1 错位孔结构分析
沙陀上冠直径为Φ5530mm、高1588mm, 腔内深1288mm, 联轴孔为通孔, 直径为Φ150mm, 深330mm, 均匀分布20个, 连轴孔及补焊位置见图1。孔的位置及相对封闭的结构造成补焊时拘束度比较大, 加上铸钢件的低塑韧特性, 在焊接过程中极易出现裂纹。
2.2 母材焊接性分析
0Cr13Ni5Mo这种Cr-Ni系马氏体不锈钢是通过添加奥氏体形成元素Ni来取代部分C以改善马氏体不锈钢的组织和性能, 并加入元素Mo提高其强度和耐腐蚀性。虽然韧性、焊接性优于Fe-Cr-C系马氏体, 但其淬硬倾向也很大, 在扩散氢及残余应力的作用下, 连续冷却到120℃以下时, 冷裂倾向更为严重。其次, 这种钢的热导率低, 易过热, 焊接时温度超过1150℃以上的热影响区内, 产生粗大的马氏体组织, 引起脆性提高。
3 修复、补焊工艺方案
3.1 补焊方法的选择
目前, 常用的手工焊接方法有焊条电弧焊SMAW、钨极氩弧焊GTAW和熔化极气体保护焊GMAW。SMAW效率适中, 电弧相对分散, 且其热影响区较大;GTAW电弧较集中, 焊缝成型号, 但其工作效率较低;考虑到补焊量较大, 选择了焊接效率较高, 且应用广泛的GMAW焊接方法。以95%Ar+5%CO2作为保护气体, 能降低液体金属表面张力, 从而能降低射流过度临界电流, 提高熔滴过渡稳定性。
3.2 焊接材料的选择
选择直径为Φ1.2mm的HS367M焊丝作为补焊材料, HS367M的合金成份为0Cr17Ni6MnMo, 位于舍夫勒相图中的三相区A+M+F。相对于与母材同材质的焊接材料HS13/5L, 淬硬倾向小, 冷裂敏感性降低, 且具有良好的塑性、韧性;相对于奥氏体材质的焊接材料ER316L、ER309L, 具有较高的强度, 且易于焊后超声波探伤UT对其质量进行检查。
3.3 焊接结构设计
设计一个衬垫块置于每个通孔的中间位置, 点焊固定, 如图2所示。厚110mm的衬垫块加工K型坡口, 这种结构型式可以减小补焊的填充量, 且空间更易于焊工进行施焊。为保证在衬垫块坡口处不产生未焊透现象, 在衬垫块的一侧坡口焊接3层后, 在背面清根, 并进行着色渗透PT探伤检查, 确认合格后, 交替对称施焊修复通孔。
3.4 其它防止冷裂纹的工艺措施
a.焊前预热和层间温度控制在100℃~150℃。预热能减缓焊缝的冷却速率, 从而降低补焊区域的拘束度, 并且较高的温度有助于扩散氢的溢出。保持层间温度可以防止过热在热影响区形成粗大的马氏体组织。
b.采用多层多道焊的方法, 严格控制线热输入量, 焊接工艺规范见表1。焊接过程中, 配合捶击消除焊接残余应力的方式, 要求达到表面均匀塑性变形。
c.焊后进行消氢处理, 在温度未小于100℃前, 将补焊区域加热至250℃, 保温4小时, 然后以30℃/h的冷却速度降到室温。
4 补焊、修复结果
4.1 按照上述工艺措施补焊后, 对补焊区域进行着色渗透PT、超声波UT探伤检查, 没有发现超标缺陷。
4.2 此上冠与下环组合焊接后, 进行了整体退火处理, 退火后探伤也无超标缺陷。并且, 机组已运行了两年时间, 电站无任何不良反馈。
5 结论
5.1 对于ZG0Cr13Ni5Mo的补焊修复过程中, 控制焊接残余应力与扩散氢的含量是防止冷裂纹的主要工艺因素。
5.2 采用GMAW焊接方法、HS367焊接材料补焊ZG0Cr13Ni5Mo母材, 可以有效地防止冷裂纹的发生, 证明上述补焊工艺是可靠的。
摘要：沙陀水电站转轮上冠的连轴孔加工错位, 采用气体保护焊的方法对错位孔进行补焊, 获得了良好的效果。本文对其补焊工艺措施进行了论述。
关键词：ZG0Cr13Ni5Mo,HS367M,冷裂纹,补焊工艺
参考文献
[1]邢丽娜.水电行业用超级马氏体不锈钢合金化特点[J].山西冶金, 2009 (4) :1～3.
封闭工艺 第3篇
振动时效技术是采用机械振动方式, 消除或均化金属工件内部的加工残余应力, 从而达到防止工件变形、开裂、稳定工件尺寸、精度和位置精度的目的, 是实现精益化生产的一项实用性技术, 可用于铸件、锻件、焊接件等, 它是以激振的形式将机械能加到含有大量内应力的工件内, 引起工件内部晶格位错蠕变、转变, 使金属的结构状态稳定, 减少和消除工件的内应力, 振动时效是使工件内部产生动应力, 动应力和工件残余应力叠加超过微观屈服极限从而导致微小塑性变形, 随之引起残余应力降低并重新分布。将粗车和半精车后产生的加工应力进行均化、释放, 从而达到稳定工件尺寸的目的。
2 零件加工工艺分析
薄壁筒类零件加工变形比较大, 加工精度不容易保证。但是, 对于不封闭半圆弧薄壁筒形零件加工更是困难, 加工变形比圆筒更为严重。图1所示为一个焊接结构件, 其主要作用是在运动中保护设备、仪器和乘员的安全, 起保护功能的作用, 它的外形尺寸为R750mm的大半圆弧形。零件为焊接结构件, 是不封闭薄壁筒形零件, 其设计结构决定其焊接存在变形。焊接后需机械加工外径尺寸R750±1mm, 因其是大半圆弧薄壁工件, 壁厚仅30mm, 而且工件高度1070mm, 即加工表面范围大, 工件易变形, 即容易产生局部壁厚不均匀等, 影响工件本身的强度及后续加工余量问题, 从而影响工件的装配使用。
这种结构的工件加工难度极大, 如果外圆是一次性车削尺寸, 容易导致加工应力过大, 从而产生工件变形。内应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。具有内应力的工件, 处于一种不稳定状态中, 其内部组织也在不断地进行着变化, 直到内应力消失为止。在内应力变化过程中, 零件原有的加工精度也会逐渐地丧失。切削时, 工件表面层在切削力和切削热作用下, 由于工件各部分产生不同程度的塑性变形, 金属组织等变化的影响也会产生内应力, 这种内应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。通过实际生产了解, 即使分成几次切削工件, 因加工面都在工件的外表面, 所以加工量都在工件的一侧, 使加工受力不均匀, 必然产生向内弯、扭曲变形, 其残留部分还会在今后一段时间内继续产生变形, 从而破坏了最后工序所得到的精度。因此, 对零件在粗加工后, 还需进行时效处理。由于该结构件是焊接装配后形成的部件, 加工后变形有时大于8mm, 若用手工砂轮打磨R750±1mm尺寸, 不但费时, 而且还很难保证尺寸精度, 影响产品使用性能。
为了解决上述工件加工变形的问题, 对工件的加工工艺进行了大量的改进。该工件先由两种单件焊接成一个小装配件后, 再进行加工该工件, 为防止工件加工变形, 加工前需在工件内圆弧处焊上工艺拉筋, 因同时在立式车床加工2个工件, 也需要在2个工件间焊接工艺拉筋, 并在半精车削后, 工件单边留量3mm, 转至振动时效机上进行振动时效。
将工件刚性压在平台上, 采用新购进北京翔搏公司生产的振动消除应力专家系统, 由计算机自动制定工艺, 对激振点、拾振点位置无特殊要求, 系统自动优化选取5个以上振动频率, 对工件进行多维消除、均化残余应力。振动消除应力专家系统实现了对任何不同结构的焊接结构件, 都能准确地选择到共振峰, 不会出现使用旧时效设备工件找不到共振峰的现象, 解决了旧设备必须完全依靠人工操作技能的问题。新设备使这项技术减少了人为因素影响, 可以真正地取代热时效。
由于工件整体刚性差, 当热时效时, 工件的变形量比较大, 有时留有的加工余量不够下道工序加工。而且热时效时间长, 使得该件的生产周期影响了工厂生产进度。
通过新的加工工艺的安排, 并在半精车时增加了一道振动时效后, 使该工件在精车前内部没有半精车加工后的残余应力, 所以在精车后工件产生加工后的变形很小, 不用校正就能达到产品图纸的要求, 解决了不封闭半圆弧薄壁筒型零件加工变形的问题, 从而为下道装配工序带来保障, 现已将新工艺完全固化到工艺文件中。
3 结语