金属基表面复合材料成型表面气密检测与修复技术研究——以INVAR合金复合材料为例

黄晴晴，程枏

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123）

0 引言

复合材料成型成型模具，不仅要求工装保证足够的刚性、气密性、升降温速率，而且需要保证零件与工装的热匹配性及工装结构的热稳定性，它们直接影响着零件的精度。目前此类模具存在着型板外形精度差，框架焊接变形及焊接参数控制、型板漏气、机械加工精度不达标等问题。在复合材料成型模具生产制造或应用中，常因模具的办公环境变化多端，型面及焊接在交替变化的高烧髙压自然环境下非常容易造成透亮裂痕，沙孔等缺点而导致模具损毁，使模具使用量非常大[1]。因为复合材料模具生产制造加工工艺繁杂、生产制造时间长、生产加工花费高，尤其是高精密繁杂模具或大中型模具的生产制造生产加工花费达到数百万元甚至数千万元，因而应用适度的模具修复技术性其不但能达到原工艺技术规定，并且还可使制造成本减少。

1 复合材料成型工艺表面气密检测技术现状

目前复合材料成型工装漏气检测方法均为热压罐+假件检测法，占用零件生产时间，检测周期长，对于焊缝漏气处检测的准确性差，假件上的缺陷无法真实反映模具的漏气情况。工装漏气处的检测方法研究，有利于提高模具的使用寿命、提高模具试模一次合格率[2]。

复材成型模具，即用于成型复合材料零件用工装，随着使用次数的增加，工装型板存在着在交变热、压力的共同作用，容易产生焊缝漏气现象。为了保证气密性，需要对复合材料成形工装型板进行气密检测，确定漏气点位置，并进行后续修复。目前普遍采用制作复合材料零件假件的方法进行气密性的检测。采用这种方法，仅能判断焊缝是否漏气，无法确定漏气点位置，不利于后续焊缝的修复。同时制造假件的方法工序复杂，成本高。根据生产需求，需要发明一种用于型板焊缝检测的方法，该方法要求能够清晰的确定焊缝漏气点、操作简单、功能可靠。根据热压罐的工作原理，采用简易的实验工具，验证气密实验方案的可行性，并通过实验，研究出了可行、简易、有效、低成本、可靠的检验工装漏气的方法，现有成熟检测方式如下五种渗透检测法、煤油检测、荧光检测、深色染色剂检测、真空罩检测法、氦气检测法[3]。

氦气检测法可快速确定工装是否漏气，漏气位置点可通过区域排除法，逐步缩小检测区域以确定具体漏气点。真空罩检测法和渗透检测法在氦气检测法判断此工装漏气的基础上，对可疑漏气点的孔位、焊缝处精确查找漏气点位。五种检测漏气的方式交叉使用大大提高了气密检测的成功率。

2 复材成型工装漏气原因分析

2.1 加工铣缺造成漏气

铣刀选择或程序编制缺陷会引起漏气问题出现。所以在加工前，需要对型板加工余量进行检测，特别是型板转角处，型板凹R处，对理论模型及实际模型进行分析，避免出现加工型板时的铣切缺陷造成工装漏气。

2.2 管路安装造成漏气

管路安装是成型模制造中重要的一个环节，如果管路安装不合格，肯定会造成工装漏气，不合格，所以在管路安装时需要对各个管路接口严格按照《真空管路安装规范》安装。

2.3 制孔太深造成漏气

复合材料成型模除对型板精度有要求外，还有很多孔需要加工，如果孔深超过型板厚度，检测工装是否漏气时，将孔位放在了制带区内，试模肯定漏气，所以如果孔位在制带区域内，就应保证孔为盲孔[4]。

2.4 焊接过程中，焊缝质量造成漏气

复合材料成型模型板如果过大，均需要焊接，先对型板进行焊接，再将焊接后的型板进行数控加工，在进行数控加工型板时肯定会加工部分焊缝，如果焊缝质量不高，焊缝有缺陷，加工完型板，焊缝缺陷处就易引起漏气，造成工装不合格。

3 气密检测方法与对比

3.1 真空罩检测

3.1.1 前期实验准备

模具水平放置，拆开各件并妥善保存底板及可卸件保留并清点数量，防止碰伤型面，型面清理干净，其上应标记出检测范围。

设备：简易气密检测设备（自备）

所需材料：密封胶带、打磨垫，丙酮（用于清洁密封胶带粘接区域）

3.1.2 检查过程

在工装上标记可疑漏气的地方，采用密封胶带粘接在简易抽真空装置上。采用平面实验，测定真空时间，利用平板，测量出保压时间，一般不低于5min，在漏气区，按上述方法，对可疑漏气区进行实验，如漏气，密封装置无法吸附在密封胶带上、放气阀漏气，5分钟内不漏气为工装检测合格标志。

3.2 煤油检测

3.2.1 前期实验准备

模具水平放置，拆开各件并妥善保存底板及可卸件保留并清点数量，防止碰伤型面，型面清理干净，其上应标记出检测范围。

设备：简易气密检测设备（自备），所需材料：石灰粉浆、纯煤油，丙酮（用于清洁测试区域）

3.2.2 检查过程

在工装上标记可疑漏气的地方，型面背面刷石灰浆待石灰浆完全干燥，正面刷煤油，因煤油有极强的渗透性可通过气孔、裂纹、砂眼等贯穿性渗透到背面。煤油浸染以后12小时，检查背面是否出现油渍，并使用记号笔进行标注，整个实验过程中严禁烟火。

通过实验，在试板上验证，取得明显效果，检测出试板的漏气点、此方法在进行检测时，需注意安全，易引起火灾。

3.3 深色染色剂检测及氦气质谱仪检测

3.3.1 前期实验准备

模具侧立放置，拆开各件并妥善保存底板及可卸件保留并清点数量，防止碰伤型面，型面清理干净，其上应标记出检测范围。

设备：氦气检测仪，真空泵

所需材料：深色染色剂（如墨汁），s密封胶带、打磨垫，丙酮（用于清洁密封胶带粘接区域）

3.3.2 检查过程

在工装表面上待制带处，采用清洗剂（丙酮）清理，局部胶处清理干净。多人配合对待检测工装的型面制带，在工装上标记可疑漏气的地方，采用密封胶带粘接在型面上制带。制带完成后，打开真空泵进行冷抽30分钟后，待仪器表显袋内压力为0.000MP，停止冷抽，观察表显若5min内气压下降不超过0.002MP则冷抽合格。若5min内气压下降超过0.002MP则冷抽不合格。启动氦气检测仪在工件可疑漏气打氦气，使用仪器对型面进行检漏时，如果被测处泄露超出规定漏率，氦气检漏仪应会自动声光报警，漏气位置可确定。如果漏气范围较大，这时可通过深色染料在工装背面涂，此时工装表面氦气检测仪继续工作状态，在漏气位置将会看到有染料从工装背面渗透到工装正面，印在恩石上，从而确定工装漏气位置。

4 复合材料成形表层漏汽修复技术

4.1 冷焊修复加工工艺试验方案

冷焊修复技术性是一种新式金属材料零件表层修复技术性，具备高精密、经济发展、方便快捷等优势，已运用在模具修复、汽车发动机再生产等行业。Invar铝合金复合材料成形模具一般应用于在航天航空繁杂的复材类零部件和构造外观设计的零件生产制造。冷焊加工工艺可适用不一样部位的焊补，平面图部位的凹痕、孔、洞；缝隙、管沟；边角、凸线、顶峰部位电焊焊接；相对性于一般氩弧焊机其热危害很小，工作中电流量（30～200A）、起弧時间（1～600ms）操作工人可精确控制，在实际操作中，职工可精准操纵，设置标值可使键入的动能仅够用以焊丝与工件直间的融合，非常少动能功效于工件，进而使工件表层遇热危害降至最少。根据操作过程发觉InvarM93焊丝喷焊后与模貝基材具备非常高的融合度，焊后的位置可开展各种各样机械加工制造，不容易发生其他类型悍机焊后融合不坚固，掉下来等状况[5]。

4.2 修复工艺关键点

复材成形模貝焊补前开展提前准备清除工作中，应用磨光机和打磨砂纸清除焊接件短焊缝和焊缝两边的空气氧化层与残渣，若缺点为砂眼应用麻花钻钻开砂眼孔直徑3～5倍的凹窝，并应用甲苯水溶液擦洗，常温状态干躁就可以。

针对Invar铝合金高分子材料成形实体模型面缺点的焊补，仅应用1毫米的InvarM93焊丝。冷焊对Invar铝合金高分子材料成形模貝修复加工工艺计划方案，历经很多工程项目实践活动和试验科研成果，可证实其修复实际效果优质，修复通过率为100%。根据基材和修复层以喷焊焊接线为界，页面融合优良，无孔隙度、参杂和裂痕。对焊接区修复层一侧开展EDS能谱分析。剖析发觉有原素扩散现象，在修复层一侧存有铜元素，表明修复层与基材间是微区冶金工业融合优良。

5 结语

运用各种各样检测修复技术性修复无效的模具，使其修复使用性能再次交付使用，能够做到增加模具使用期限、控制成本、提升经济收益的目地。Invar铝合金模具关键解决了模具原材料与复合材料线膨胀系数不一致的难题，故在航天航空行业被很多做为复合材料成型模具的生产制造原材料在应用。