航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司 西安 710089
摘要：由于Invar 钢热膨胀系数与树脂基碳纤维复合材料相接近，使用Invar合金钢代替传统的模具材料生产大型复合材料制件，可以大大降低模具因素导致的复合材料应力不均匀分布引起的固化变形。本文对于模具在零件制造中，常因模具使用不当或使用环境剧烈变化而引起表面产生众多缺陷，从而致使整套模具的报废，使模具消耗量巨大。为减少模具的制造数量，节约Invar合金的消耗量，可采用冷焊技术进行修复，从根本上恢复或者提高了原模具的结构和使用性能。
关键词：Invar合金钢、漏气、修复技术、冷焊
1引言
在复合材料成型模具生产或使用中，常因模具的工作环境多变，型面及焊缝在交变的高热高压环境下容易产生通透裂纹，砂眼等缺陷而致使模具报废，使模具消耗量很大[1]。由于复合材料模具制造工艺复杂、生产周期长、加工费用高，尤其是精密复杂模具或大型模具的制造加工费用高达数百万元乃至数千万元，因此使用适当的模具修复技术其不仅能满足原工艺设计要求，而且还可使制造成本降低。因此，应用各种修复技术修复失效的模具，使其恢复使用性能重新投入使用，可以达到延长模具使用寿命、降低成本、提高经济效益的目的。Invar合金模具重点解决了模具材料与复合材料热膨胀系数不一致的问题，故在航空航天领域被大量作为复合材料成型模具的制造材料在使用。通常各类复合材料成型模具的主要失效形式有表面擦伤、表面裂纹、表面气孔等缺陷，大多数非Invar合金类模具失效，可应用合适的维修技术进行修复，使其恢复使用性能。目前模具的主流修复技术主要有热喷涂、电刷镀、堆焊、激光修复等技术[2]。但对于于Invar合金复合材料成型模具的修补技术尚属空白，本文将会论述一种关于Invar合金复合材料成型模具修补技术。
2总体要求
满足升温速率均匀要求。复合材料成型模具在使用的过程中不可避免会出现工作型板漏气的情况，修复是对模具可持续性利用的最快捷方式，这就要求模具在保证刚性不变形的情况下减少对原有结构的破坏, 尽可能回复原有状态，保证修复后可以再次生产出合格的复合材料零部件。
3 本论
通常，复合材料成型模具修复的工艺过程如下：分析修复原因→制订修复方案和方法→进行修复→试模和验证。传统模具常用返修通常采用热喷涂技术、火焰喷涂技术、等离子喷涂技术等[2]，但由于Invar合金的化学组分中高达36%的名义镍含量以及极低的碳含量赋与Invar合金良好的物理性能以及无碳化物沉淀的稳定奥氏体结构，其机械加工性能及焊机性能与常见钢材差异很大，常用的这几种修复方式已经无法满足Invar合金复合材料成型模具修复。根据材料性能及模具制造经验，尝试使用冷焊工艺对受损区域进行修复。
4 具体方法
4.1冷焊修复工艺试验方案
冷焊修复技术是一种新型金属零件表面修复技术，具有精密、经济、便捷等优点，已应用在模具修复、发动机再制造等领域。Invar合金复合材料成型模具通常使用于在航空航天复杂的复材类结构件和结构外形的零件生产。冷焊工艺可适用于不同部位的补焊，平面部位的凹陷、孔、洞；细缝、沟槽；棱角、棱线、尖峰部位焊接；相对于普通氩弧焊其热影响极小，工作电流（30-200A）、起弧时间（1-600ms）操作工人可精确控制，设定数值可使输入的能量仅够用于焊丝与工件直间的溶合，极少能量作用于工件，从而使工件表面受热影响降至最低。通过实际操作发现InvarM93焊丝冷焊后与模具基体具有极高的结合度，焊后的部位可进行各种机械加工，不会出现其他类型焊机焊后结合不牢固，脱落等现象[4]。
4.2 工艺要点
复材成型模具补焊前进行准备清理工作，使用角磨机和砂纸清理焊件短焊道和坡口两侧的氧化层与杂质，若缺陷为砂眼使用钻头钻开砂眼孔直径3~5倍的凹窝，并使用丙酮溶液擦拭，常温下干燥即可。
对于Invar合金复合材料成型模型面缺陷的补焊，仅使用1mm的InvarM93焊丝。根据短焊道的最大宽度设置不同的焊接电流和电压，最大宽度在1mm以下，使用焊接电流60-80A，最大宽度在1mm以下，使用焊接电流80-90A；同样，根据砂眼的直径设置不同的焊接电流和电压，孔洞在φ1以下，使用焊接电流90-100A,φ1~φ2使用焊接电流110A，大于φ2的砂眼使用电流110-120A。
4.3 试验结果与分析
4.3.1对冷焊区域微观结构及元素扩散分析
从图1可以看出，基体和修复层以冷焊熔合线为界，界面结合良好，无孔隙、夹杂和裂纹。如图2所示，对熔合区修复层一侧进行EDS能谱分析。分析发现有元素扩散现象，在修复层一侧存在铁元素，说明修复层与基体间是微区冶金结合良好。
图2.修复层与体熔合区
4.3.2显微维氏硬度测试分析
由于冷焊技术在修复区域不会形成热积聚，因而与电弧焊相比热影响区范围窄小，宽度为200～400 μm[3]。白口组织的存在，导致了热影响区硬质相的产生，出现了硬度峰值，同时白口组织的不均匀分布使热影响区硬度值不稳定，具有一定跳动。修复层硬度值低于基体硬度值，有利于修复层的后续加工处理。
5结论
冷焊对Invar合金复合材料成型模具修复工艺方案，经过大量工程实践和实验研究成果，可证明其修复效果优良，修复成功率为100%。该技术在操作性、快速性、可靠性等方面完全符合模具快速的要求, 达到了最初模具的设计目的和使用方的技术要求。
参考文献：
[1]刘招娣 .大型薄壁Invar 钢复合材料模具制造技术[D]. ( 昌河飞机工业( 集团) 有限责任公司, 江西景德镇333002 )
[2]李晓延，武传松，李午申. 中国焊接制造领域学科发展研究[J]. 机械工程学报，2012，48(6)：19-31.
[3]周漪清，林放，薛家祥. 低热输入焊接技术的应用前景[J]. 电焊机，2011，41(7)：38-42.
论文作者:段睿征,李巍,潘超,朱永苗,李世新
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/11
标签：模具论文; 复合材料论文; 冷焊论文; 合金论文; 技术论文; 砂眼论文; 电流论文; 《防护工程》2018年第36期论文;