一种起落架裂纹激光修复方法 |
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| 申请号 | CN202210852347.3 | 申请日 | 2022-07-20 | 公开(公告)号 | CN115070061A | 公开(公告)日 | 2022-09-20 |
| 申请人 | 西安空天机电智能制造有限公司; | 发明人 | 李超龙; 杜鹏程; 曹通; 杨晨光; 王伟; 成星; 李庆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种 起落架 裂纹激光修复方法，包括：a、检测起落架裂纹 位置 及裂纹损伤特征；b、根据裂纹损伤特征对裂纹区域进行坡口加工以去除裂纹，并在坡口加工完成后对形成的坡口进行清洗；c、对坡口待修复区域进行 激光冲击强化 处理，以在坡口待修复区域预制压应 力 ，从而抑制起落架中疲劳 应力 释放；d、采用同轴激光环形送粉的方式由下至上、逐层逐道扫描修复的方式将与起落架基材同材质的熔覆粉末 送达 坡口待修复区域的预设位置，激光光束不断 熔化 熔覆粉末和起落架基材，使熔覆粉末和基体结合在一起；e、对 激光熔覆 修复后的区域进行探伤，若探伤结果良好，则对起落架外形进行修整；f、再次采用激光冲击强化处理方式对修复后的区域进行处理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种起落架裂纹激光修复方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种起落架裂纹激光修复方法技术领域[0001] 本发明涉及激光加工技术领域，更具体地涉及一种起落架裂纹激光修复方法。 背景技术[0002] 飞机起落架是飞机升降过程中的重要部件，起落架的性能稳定直接影响飞机是否可正常使用，甚至可能会给飞机及飞行员的安全带来隐患，因此，起落架的设计与选材既要求高强度、高刚度，同时还要求起落架体积较小，疲劳性能优异等。现阶段起落架材质一般均为抗拉强度在1300MPa以上的高强钢，这些零部件在服役过程中，工作环境十分恶劣，不仅承受弯曲、扭转和挤压等巨大载荷，而且还会受到外界环境的腐蚀，很容易在起落架中出现磨损、裂纹等缺陷，会进一步影响起落架的使用寿命。 [0003] 而在航空航天行业内，使用方往往无法获得零件的设计图纸，因此，若是进行零件更换，存在采购周期长、单件零件制造成本高、资源浪费大等问题。为了保证飞机的正常使用，目前一般采用修复技术修补起落架中的裂纹等缺陷，以避免局部损伤引起的零件报废等重大浪费。而因起落架在服役过程中，长期承受弯曲、扭转及压缩各种外力作用，在起落架中汇集交缠形成复杂疲劳应力，起落架的传统修复方法包括热喷涂、氩弧焊等，存在热影响区大、残余应力大等缺点，且修复过程中，未控制起落架中疲劳应力变化，在热加工过程中，可能造成疲劳应力释放，在起落架中形成新的缺陷，如应力裂纹等，且无论采用何种修复技术修复缺陷，修复区性能往往低于原母材性能，因此，需要对零件件进行热处理以恢复修复区的性能，但某些零件在加工完成后，不可进行热处理，如涡轮叶片，除此外，对零件整体热处理可能会损坏已加工完成的配合面，且资源浪费严重。 发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可避免采用零件热处理而修复裂纹，且可有效防止新裂纹形成与扩展的起落架裂纹激光修复方法。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种起落架裂纹激光修复方法，包括：步骤a、检测起落架裂纹位置及裂纹损伤特征； 步骤b、根据所检测的裂纹损伤特征对裂纹区域进行坡口加工以去除裂纹，并在坡口加工完成后对形成的坡口进行清洗； 步骤c、对坡口待修复区域进行激光冲击强化处理，以在坡口待修复区域预制压应力，从而抑制起落架中疲劳应力释放； 步骤d、采用同轴激光环形送粉的方式由下至上、逐层逐道扫描修复的方式将与起落架基材同材质的熔覆粉末送达坡口待修复区域的预设位置，激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材，使熔覆粉末和基体结合在一起； 步骤e、对激光熔覆修复后的区域进行探伤，若探伤结果良好，则对起落架外形进行修整； 步骤f、再次采用激光冲击强化处理方式对修复后的区域进行处理。 [0007] 其进一步技术方案为：所述步骤c中，激光冲击强化处理之后在坡口待修复区域预制的压应力为‑450 ‑100MPa。~ [0008] 其进一步技术方案为：所述步骤d中，激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材，使熔覆粉末和基体结合在一起具体包括：同一熔覆层内，激光沿平行于待修复区域的裂纹法向方向移动，熔化熔覆粉末和起落架基材。 [0009] 其进一步技术方案为：所述步骤d中，激光光束进行熔覆处理时，道间和层间的温度为100～150℃。 [0010] 其进一步技术方案为：所述步骤d中，在激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材之前包括：将待修复区域局部加热至150～200℃。 [0011] 其进一步技术方案为：所述步骤f中，激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度2 为20‑30ns，激光的功率密度为4.5‑9 GW/cm，激光束光斑直径为2‑3 mm，搭接率为60‑70%。 [0012] 其进一步技术方案为：所述步骤f中，激光冲击强化处理后，在修复后的区域预制的压应力为‑650 ‑300MPa，表层维氏硬度大于450 HV。~ [0013] 其进一步技术方案为：所述步骤b中，坡口加工时开口角度为90‑120°，且坡口加工对称中心线方向与裂纹切线方向夹角不大于15°。 [0014] 其进一步技术方案为：所述步骤b中，坡口加工完成后，坡口底部宽度不小于2mm，坡口待修复区域的表面粗糙度不大于Ra3.2。 [0015] 本发明的有益技术效果在于：与现有技术相比，本发明起落架裂纹激光修复方法在熔覆修复前对起落架坡口待修复区域进行激光冲击强化处理，在待修复区域预制一定压应力，抑制起落架中疲劳应力释放，以有效防止新裂纹形成与扩展，且采用激光熔覆技术通过同轴激光环形送粉的方式由下至上、逐层逐道扫描修复的方式对坡口待修复区域进行修复，充分利用沉积方向性能优异这一特点，降低起落架服役过程中修复区再次出现裂纹的风险，最后，在修复区加工完成后，采用激光强化冲击修复区及热影响区，以提高其硬度及耐磨性，避免了零件热处理，适用于修复不可拆卸类组件修复，可知，本发明起落架裂纹激光修复方法可避免采用零件热处理而修复裂纹，简化了修复工序，提高了材料表面硬度，且可有效防止新裂纹形成与扩展。附图说明 [0016] 图1是本发明起落架裂纹激光修复方法的流程示意图。 [0017] 图2是本发明实施例1中激光熔覆处理的激光光束方向示意图。 具体实施方式[0018] 为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。 [0019] 参照图1，图1为本发明起落架裂纹激光修复方法的流程示意图。在附图所示的实施例中，所述起落架裂纹激光修复方法包括：S101、检测起落架裂纹位置及裂纹损伤特征。 [0020] 该步骤中，采用磁粉探伤法快速确定裂纹所处区域，随后采用超声探伤法确定裂纹具体位置以及深度、形状和大小等裂纹损伤特征。 [0021] S102、根据所检测的裂纹损伤特征对裂纹区域进行坡口加工以去除裂纹，并在坡口加工完成后对形成的坡口进行清洗。 [0022] 本发明中，坡口类型可根据裂纹损伤特征分为环形坡口和平面坡口，而坡口加工方式即可是环形坡口及平面坡口单独加工，也可是两者结合。 [0023] 该步骤中，坡口加工时开口角度为90‑120°，且坡口加工对称中心线方向与裂纹切线方向夹角不大于15°，即坡口加工中心对称线几乎平行于裂纹切线方向；坡口加工完成后，形成的坡口为倾斜坡口，从坡口底部至坡口顶部截面尺寸逐渐变大，且坡口底部宽度不小于2mm，坡口待修复区域的表面粗糙度不大于Ra3.2，以保持坡口待修复区域较高的光洁度，从而保证激光熔覆时熔覆粉末与基材结合良好，避免出现气孔、未熔合等缺陷。 [0024] 可理解地，坡口加工过程中还可采用磁粉探伤、超声探伤、X射线探伤等探伤方式进行实时探伤，保证裂纹被完全加工去除；在坡口加工完成后，可采用去离子水和/或丙酮、酒精等清洗坡口，去除坡口内污渍。 [0025] S103、对坡口待修复区域进行激光冲击强化处理，以在坡口待修复区域预制压应力，从而抑制起落架中疲劳应力释放。 [0026] 该步骤中，激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为15‑25ns，激光的功率密2 度为3.5‑6 GW/cm ，激光束光斑直径为4‑5mm，搭接率为50%，激光冲击范围为单边大于坡口 5‑10mm，且激光冲击强化处理之后在坡口待修复区域预制的压应力为‑450 ‑100MPa。 ~ [0027] S104、采用同轴激光环形送粉的方式由下至上、逐层逐道扫描修复的方式将与起落架基材同材质的熔覆粉末送达坡口待修复区域的预设位置，激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材，使熔覆粉末和基体结合在一起。 [0028] 该步骤中，所述激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材，使熔覆粉末和基体结合在一起具体包括：同一熔覆层内，激光沿平行于待修复区域的裂纹法向方向移动，熔化熔覆粉末和起落架基材，而在相邻两熔覆层则改变激光熔覆起始方向。优选地，在修复过程中，将坡口中未熔化粉末即时排除，防止多余粉末对下一道次熔覆产生影响。 [0029] 进一步地，在所述激光光束不断熔化熔覆粉末和起落架基材之前包括：将待修复区域局部加热至150～200℃；且在激光光束进行熔覆处理时，道间和层间的温度为100～150℃。 [0030] 可理解地，激光熔覆以激光为热源，具有热量输入小、冷却速度快等特点，采用合适熔覆工艺完成修复后，修复区晶粒组织细密，且激光熔覆具有增材制造技术的一般特征，即沉积方向与搭接方向的性能各向异性，且沉积方向性能优于搭接方向性能，本发明中，将熔覆层按照特定熔覆方向（平行于待修复区域的裂纹法向方向）填充坡口待修复区域，充分利用了沉积方向性能优异这一特点，可进一步降低起落架服役过程中修复区再次出现裂纹的风险。 [0031] S105、对激光熔覆修复后的区域进行探伤，若探伤结果良好，则对起落架外形进行修整。 [0032] 该步骤中，可采用磁粉探伤、超声探伤、X射线探伤等探伤方式对修复区域进行探伤，若探伤结果良好，即探伤结果显示无裂纹、未熔合等缺陷，即可采用机加工、抛光等方式将起落架外形修整至所需尺寸，同时保证修整后激光熔覆修复后的区域表面粗糙度小于Ra3.2。 [0033] S106、再次采用激光冲击强化处理方式对修复后的区域进行处理。 [0034] 该步骤中，激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为20‑30ns，激光的功率密2 度为4.5‑9 GW/cm ，激光束光斑直径为2‑3 mm，搭接率为60‑70%；而在激光冲击强化处理后，在修复后的区域预制的压应力为‑650 ‑300MPa，表层维氏硬度大于450 HV。 ~ [0035] 可知，本发明在激光熔覆修复前对起落架待修复区域进行激光冲击，在待修复区预制一定压应力，可抑制起落架在服役过程中，承受冲击、振动等外力作用为形成的疲劳应力的释放，从而有效防止新裂纹形成与扩展，且熔覆修复过程中充分利用增材制造各项异性，利用性能更加优异的沉积方向进一步抑制裂纹再次产生，同时还避免了零件热处理，可适用于不可拆卸类组件的修复。 [0036] 下面结合具体实施例对本发明起落架裂纹激光修复方法进行描述。 [0037] 实施例1针对裂纹位置处于飞机前起落架分叉处区域的修复，若该飞机前起落架轮叉材质为30CrMnSiA高强钢，修复时虽然可采用更高强度其他材质粉末进行修复，但在苛刻服役环境下，可能在异质修复接触位置形成原电池，加快起落架轮叉腐蚀、开裂。则本实施例中，采用同种材质粉末进行裂纹缺陷修复，以避免原电池腐蚀开裂等问题，同时采用激光冲击辅助，提高修复区性能，具体修复流程如下： （1）采用磁粉探伤快速确定裂纹所处区域，随后采用超声探伤确定裂纹具体位置及深度，本实例中，裂纹位置处于起落架分叉区域，裂纹长度7 mm，裂纹深度距离所探测表面1‑2mm。 [0038] （2）激光熔覆修复前需要在裂纹区域加工坡口，以去除基材中的裂纹缺陷，本实例中，坡口加工时，因前起落架轮叉焊缝区域为平面，则本实施例中选择的坡口类型为平面型坡口，坡口加工中心对称线平行于裂纹切线方向，坡口的底部宽度为2mm，长度为7.5 mm，以将裂纹完全包裹去除，优选地，加工时坡口开口角度为90°，以使基材与修复区域逐渐过渡，保证修复区域边缘性能，且加工后坡口待修复区域表面粗糙度为Ra3.2。 [0039] 且在加工过程中采用磁粉探伤，实时检测加工坡口区域，以此保证裂纹全部去除，而在坡口加工完成后，采用去离子水清洗坡口内部，去除加工污染，随后立即采用丙酮或酒精清洗坡口，清洗完成后，坡口内无加工切削液等污渍，无加工残留，随后将坡口自然风干。 [0040] （3）对坡口待修复区域进行激光冲击强化处理，本实例中，针对30CrMnSiA钢待修复区域选取的激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为15ns，激光的功率密度为4GW/2 cm ，激光束光斑直径为4mm，搭接率为50%；激光冲击强化完成后，在坡口待修复区域0.5 mm深度内预制的压应力在‑300MPa ‑200MPa之间。 ~ [0041] （4）坡口清洗完成至激光熔覆前间隔不应超过24 h，选取同材质30CrMnSiA钢粉末为原材料，粉末粒度在67 ‑197μm呈正态分布，粉末球形度大于90%，非金属夹杂物小于4粒/100g；且激光熔覆前采用电阻加热将待修复区加热至180℃，随后进行激光熔覆，如附图2所示，其中坐标轴中的X代表裂纹切线方向，Y代表裂纹法向方向，线段a代表裂纹，带箭头的虚线n代表第n层熔覆方向，可知，激光熔覆沿平行裂纹法向法向依次进行，且熔覆过程中相邻道次间将未熔化粉末即时排除，相邻道次熔覆时，待修复区域温度应不低于120℃。 [0042] （5）在采用超声探伤显示探伤结果良好后，按照零件选尺寸要求，采用四轴加工中心将起落架外形修整至所选尺寸，且修整后激光熔覆修复后的区域表面粗糙度小于Ra3.2。 [0043] （6）再次采用激光冲击强化处理方式对修复后的区域进行处理，即针对30CrMnSiA钢修复完成后，激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为15ns，激光的功率密度为4GW/2 cm ，激光束光斑直径为4mm，搭接率为50%；激光冲击强化处理完成后，在坡口待修复区域 0.5mm深度内预制的压应力在‑300MPa。 [0044] 综上，本实施例中，前起落架轮叉经激光激光复合修复后，零件内部疲劳应力被转变为‑300MPa左右残余压应力，可提高制件稳定性。修复过程中充分利用激光熔覆各项异性，利用性能更加优异的沉积方向抑制服役过程中裂纹再次萌生。 [0045] 实施例2针对裂纹位置处于飞机主起落架缓冲器套筒的修复，主起落架缓冲器套筒材质为 30CrMnSiNi2A高强钢，裂纹位置集中处于筒体上环形焊缝区域，缓冲器套筒属于整体不可拆解部件，具体修复流程如下： （1）采用磁粉探伤快速确定裂纹所处区域，随后采用超声探伤确定裂纹具体位置及深度，本实例中，裂纹位置处于焊接区域，裂纹长度14.6 mm，裂纹深度距离所探测表面2‑ 3 mm，裂纹方向平行于原始焊缝，处于套筒环形焊缝内。 [0046] （2）激光熔覆修复前需要在裂纹区域加工坡口，以去除基材中的裂纹缺陷，本实例中，坡口加工时，因主起落架缓冲器套筒焊缝区域为环形焊缝，则本实施例中选择的坡口类型为环型坡口，坡口加工中心对称线平行于裂纹切线方向，坡口的底部宽度为3mm，优选地，加工时坡口开口角度为90°，以使基材与修复区域逐渐过渡，保证修复区域边缘性能，且加工后坡口待修复区域表面粗糙度为Ra3.2。 [0047] 且在加工过程中采用磁粉探伤，实时检测加工坡口区域，以此保证裂纹全部去除，而在坡口加工完成后，采用去离子水清洗坡口内部，去除加工污染，随后立即采用丙酮或酒精清洗坡口，清洗完成后，坡口内无加工切削液等污渍，无加工残留，随后将坡口自然风干。 [0048] （3）对坡口待修复区域进行激光冲击强化处理，本实例中，针对30CrMnSiNi2A钢待修复区域选取的激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为25ns，激光的功率密度为2 5.5GW/cm ，激光束光斑直径为3mm，搭接率为60%；激光冲击强化完成后，在坡口待修复区域 0.5 mm深度内预制的压应力为‑350MPa。 [0049] （4）坡口清洗完成至激光熔覆前间隔不应超过24 h，选取同材质30CrMnSiNi2A钢粉末为原材料，粉末粒度在67 ‑197μm呈正态分布，粉末球形度大于92%，非金属夹杂物小于3粒/100g；且激光熔覆前采用电阻加热将待修复区加热至180℃，随后进行激光熔覆，且熔覆过程中相邻道次间将未熔化粉末即时排除，相邻道次熔覆时，待修复区域温度应不低于 120℃。 [0050] （5）在采用超声探伤显示探伤结果良好后，按照零件选尺寸要求，采用四轴加工中心将起落架外形修整至所选尺寸，且修整后激光熔覆修复后的区域表面粗糙度小于Ra3.2。 [0051] （6）再次采用激光冲击强化处理方式对修复后的区域进行处理，即针对30CrMnSiNi2A钢修复完成后，激光冲击强化处理的参数为：激光脉冲宽度为15ns，激光的功 2 率密度为4GW/cm ，激光束光斑直径为4mm，搭接率为50%；激光冲击强化处理完成后，在坡口待修复区域0.5mm深度内预制的压应力在‑340MPa。 |
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