CN105030360A - 可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法 - Google Patents

Abstract

可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法，涉及一种义齿支架修复方法，可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法，其特征在于，所述方法包括修复前对基体的处理、单因素实验参数和正交实验及分析、确定最优参数组合；确定在激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次时得到的焊接试件焊接效果最好。本发明针对利用LS-3000（最大功率为3000瓦）光纤激光设备，再以KUKA机器人作为熔覆加工的执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，对断裂的义齿支架进行激光焊接修复，得到完好无损的合金支架，大大节约了支架的生产和开发成本。

Description

可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法

技术领域

本发明涉及一种义齿支架修复方法，特别是涉及一种可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法。

背景技术

关于破损零件的激光熔覆修复技术尚未达到成熟阶段，目前仍然处在实验室研究阶段，并没有广泛运用于实际工程领域，特别是TC4合金材料零件的激光熔覆修复工艺，应用技术研究较少涉猎。以TC4合金为材料的可摘除局部义齿铸造支架，在很多情况下因零部件受力过大导致整个零件断裂，大大增加了生产成本，进行TC4合金激光焊接时，工艺参数对焊接修复效果影响很大，激光功率偏大和扫描次数较多时，合金基体会产生很大变形，焊接开始出会出现焊穿的情况；激光功率过小、扫描速度过快、扫描次数少时，焊接处的缝隙不能完全熔融，两个独立的基体不能连接在一起，这样焊接件均达不到实际应用的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法，该方法以TC4钛合金为材料的出现断裂和破损的活动义齿钛合金金属支架，利用光纤激光器、6自由度机械手、透射式激光熔覆头等工艺进行激光熔覆焊接修复处理，得到完好的钛合金金属支架。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法，所述方法包括修复前对基体的处理、单因素实验参数和正交实验及分析、确定最优参数组合；其具体修复步骤为：

第一步：修复前处理，首先将钛合金基体表面用砂纸打磨光滑，再用酒精把断面处的脏污擦拭干净，用卡具把两块基体装夹牢固；

第二步：单因素实验参数，采用控制变量法，激光头与基体间的距离：15mm，保护气压（Ar）：0.2MP，光斑直径：2mm；分别控制激光功率、扫描速度和扫描次数，观察和分析它们对焊接效果的影响，得出三个参数的大致范围：激光功率在100W-350W之间，扫描速度在1mm/s-4mm/s之间，扫描次数在1-3次之间；

第三步：正交实验及分析，根据第二步得出的参数范围，进行正交试验，对每组参数进行激光焊接修复实验，焊接方法和第二步相同；焊接实验完成后，观察分析各组试件的焊接情况，筛选出几组较好的；通过分析对比，确定在激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次时得到的焊接试件焊接效果最好。

本发明的优点与效果是：

本发明针对利用LS-3000（最大功率为3000瓦）光纤激光设备，再以KUKA机器人作为熔覆加工的执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，对断裂的义齿支架进行激光焊接修复，得到完好无损的合金支架，大大节约了支架的生产和开发成本。

附图说明

图1为焊接试样的外观形貌照片；

其中：A焊接之前；B最佳焊接效果；C激光功率偏大；D激光功率过小。

图2为焊接试样的金相组织图片；

其中：A焊接结合区（200倍）；B结合区（500倍）。

图3为修复前后钛合金支架的外观形貌照片；

其中：A修复前；B修复完成。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明修复方法包括修复前对基体的处理、单因素实验参数探索和正交实验及分析阶段，最后得出最优的实验参数组合。其修复步骤是：

第一步：修复前的处理

首先将钛合金基体表面用砂纸打磨光滑，再用酒精把断面处的脏污擦拭干净，用卡具把两块基体装夹牢固。

第二步：单因素实验参数探索

该部分采用控制变量法，激光头与基体间的距离：15mm，保护气压（Ar）：0.2MP，光斑直径：2mm。分别控制激光功率、扫描速度和扫描次数，观察和分析它们对焊接效果的影响，得出三个参数的大致范围：激光功率在100W-350W之间，扫描速度在1mm/s-4mm/s之间，扫描次数在1-3次之间。

第三步：正交实验及分析阶段

根据第二步得出的参数范围，做出正交表格，进行正交试验，正交表格如表1所示：

表1正交试验表

编号	激光功率/W	扫描速度/（mm/s）	扫描次数/次
				1	150	3	2
2	150	2	1
				3	150	1	1
4	150	4	2
				5	150	1	3
6	200	3	1
				7	200	4	2
8	200	2	1
				9	200	1	3
10	200	1	2
				11	250	2	3
12	250	1	2
				13	250	3	1
14	250	1	3
				15	250	2	1
16	300	1	2
				17	300	4	1
18	300	1	1
				19	300	2	2
20	300	3	3
				21	350	4	3
22	350	3	2
				23	350	1	1
24	350	2	2
				25	350	2	1

按正交表里的每组参数进行激光焊接修复实验，焊接方法和第二步相同。焊接实验完成后，观察分析各组试件的焊接情况，筛选出几组较好的。通过分析对比，发现在激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次时得到的焊接试件焊接效果最好。如图1中A图和B图所示，两个独立的TC4金属片接触部分的裂缝，经过焊接之后，已经完全熔融，合金金属片完全融为一体。经测量，在焊接之前，两金属片的长度之和是42.5mm，焊接之后试件的长度是42.3mm，误差为0.2mm，符合焊接要求。

图1焊接试样的外观形貌照片，图1中C图所示，试件激光功率为300W，功率偏大，焊缝开始部分已经焊穿，焊接完成后试件的总长度误差达到了1.2mm，误差偏大。D图所示试件激光功率为100W，扫描次数为1次，得到的试件裂缝出基体没有完全熔融，两个独立的金属片没有完全连接在一起，试件很轻易就会掰断，不符合标准。

选择激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次得到的焊接试件，用线切割机床切成若干小块，用磨抛机进行精磨，完成后用HCL:HNO3:H2O=1:2:25混合溶液进行化学腐蚀，利用蔡司高级金相显微镜观察试件微观组织形态，进行金相组织分析，分析焊接处的组织形态和性能。试件的金相组织如图2所示。图2中A图是焊接结合区的金相组织，图中中间的黑色区域为焊接结合的区域，两侧白色的区域组织是TC4合金基体。白色区域和黑色区域形成了良好的冶金结合，说明达到了良好的焊接效果。从B图中可以看出，结合区主要是树枝晶和共晶，黑色块状颗粒和白亮细小的球状主要成分是Ti，物相是TiC。结合区周边的热影响区的组织为针状马氏体，主要是因为在激光加热的过程中，温度已经超过了TC4合金的相变点，由α+β双响转变成β相。由于试件在极短的时间内得到：了冷却，发生了非扩散型相变，形成了马氏体。

实施例：

本实例是一个断裂的可摘除局部义齿支钛合金支架的激光焊接修复方案。包括修复前预处理和对义齿支架的装卡固定，对义齿支架就行激光焊接和焊接后处理。

第一步修复前预处理及装卡：

修复前，首先用细砂纸对义齿支架表面进行打磨，对断裂界面用酒精洗涤干净，最后将整合钛合金义齿支架固定在改义齿支架对应的牙模中，断裂处两侧用齿科红蜡片进行固定，这样就会防止支架在焊接过程中由于机体熔融而发生整体的位置变动。

第二步对钛合金义齿支架的激光焊接修复

进行激光焊接实验时，激光头与基体间的距离：15mm，保护气压（Ar）：0.2MP，光斑直径：2mm。工艺参数选择基础探索实验得到的参数组合：激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次。焊接之后的外观形貌如图3中B图所示。我们从图中可以看出，断裂处的缝隙已经完全熔融，两片独立的支架完全焊接在一起，且支架整体结构没有发生变形和尺寸缩短，达到了很好的修复效果。修复前后的情况如图3中的A图所示。

第三步：焊接修复完成后处理轻轻将支架从牙模上取出，用细砂纸把焊接处表面和背面轻轻打磨干净，然后将支架放入酒精溶液中就行轻轻擦，擦拭干净后即可投入使用。

当参数选择激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次，焊接处的基体缝隙完全熔融，合金金属片完全融为一体。经测量，焊接前后基体尺寸误差仅为0.2mm，没有明显的变形，完全符合实际生产应用的要求。断裂的可摘除局部义齿钛合金支架在激光焊接修复时，为防止其在焊接过程中发生位置变动，在焊接之前要采用牙模和齿科红蜡片进行固定。焊接时运用基础实验的得到的参数组合，焊接效果良好，没有出现变形和尺寸改变，完全符合医用要求。

Claims (1)

1.可摘局部义齿铸造钛合金支架激光修复方法，其特征在于，所述方法包括修复前对基体的处理、单因素实验参数和正交实验及分析、确定最优参数组合；其具体修复步骤为：

第一步：修复前处理，首先将钛合金基体表面用砂纸打磨光滑，再用酒精把断面处的脏污擦拭干净，用卡具把两块基体装夹牢固；

第二步：单因素实验参数，采用控制变量法，激光头与基体间的距离：15mm，保护气压（Ar）：0.2MP，光斑直径：2mm；分别控制激光功率、扫描速度和扫描次数，观察和分析它们对焊接效果的影响，得出三个参数的大致范围：激光功率在100W-350W之间，扫描速度在1mm/s-4mm/s之间，扫描次数在1-3次之间；

第三步：正交实验及分析，根据第二步得出的参数范围，进行正交试验，对每组参数进行激光焊接修复实验，焊接方法和第二步相同；焊接实验完成后，观察分析各组试件的焊接情况，筛选出几组较好的；通过分析对比，确定在激光功率200W、扫描速度2mm/s、扫描次数2次时得到的焊接试件焊接效果最好。