CN106283038A - 提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，属于材料加工、表面强化领域。首先通过激光重熔技术实现焊接接头表面改性后，再进行超声表面滚压处理。与单纯的超声表面滚压处理方法相比，不仅能实现焊接接头表面纳米化及超低粗糙度，还能够改善焊接接头组织、消除焊接缺陷，增加表面改性层深度，从而大幅提高焊接接头的疲劳强度。

Description

提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法
技术领域
本发明涉及材料加工、表面强化领域，特别涉及一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法。
背景技术
超声表面滚压作为超声冲击的延续技术是一种简便可靠、极大提高焊接接头疲劳寿命的焊后处理新技术，近年来已经在疲劳延寿、表面改性等热门研究领域得到广泛关注和应用。超声表面滚压技术能够在焊接接头表层制备纳米晶，同时引入残余压缩应力并显著降低表面粗糙度。但是，由于一些材料 (如镁合金、铝合金) 强度相对较低，超声表面滚压通过塑性变形在材质表面形成的残余压缩应力也相对较小，在承受交变载荷时容易释放，疲劳性能的提高效果会显著降低。此外，超声表面滚压技术形成的纳米晶层相对较薄，薄层的纳米晶虽能够抑制疲劳裂纹的萌生，但不能较大幅度改善焊接接头的整体强度。
关专利有超声冲击与电火花复合加工装置和方法(CN103710495A)、超声振动喷汽式电火花复合加工工艺及专用设备(CN101264535A)、超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置及其方法(CN101284341A)和超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺(CN101967536A)等。这些方法所得的强化表面由于涉及表面涂层与基体间的结合强度较低，容易在结合处产生裂纹，因此在提高疲劳性能领域实用性不高。同时，上述部分方法因为经历热循环后并未进行表面塑形变形加工，因此在强化表面并不存在纳米晶和残余压缩应力，这对疲劳性能的提高并未起到根本性作用，还会降低材料的疲劳性能。此外，有些方法在操作安全性方面存在很大隐患。
现有的表面强化技术仅关注于超声表面滚压及激光重熔两种技术单独的加工方式、效果以及性能提高，鲜有二者结合的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，解决了现有技术存在的上述问题。激光重熔后试样的强度提高、组织改善，但激光重熔也带来了表面粗糙度略微降低的缺点，重熔痕迹位置容易形成疲劳裂纹源。而超声表面滚压复合激光重熔处理后，消除了激光重熔带来的表面粗糙度降低的问题，实现了表面纳米化，得到了沿深度方向呈梯度变化的残余压应力层，同时保留了激光重熔带来的深层次的组织改善、强度提高和部分焊接缺陷的消除等优点，因此疲劳性能有望得到进一步的提高。本发明具有操作简单，适应性较好，重复性较强等优点，是一种非常具有实用价值的新方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：
步骤1：将试样固定于激光加工设备工作台上，预设激光加工设备的加工参数；
步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；
步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样夹持于数控机床的卡盘上，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头与试样接触，施加预设的静压力；
步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；
步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；
步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。
将试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的方向进行超声表面滚压处理。
激光加工过程中，不同位置只重熔一遍；在超声表面滚压处理时，采用往复、全覆盖加工方法，在保证表面纳米层最大深度的情况下获得最优的表面粗糙度。
超声表面滚压处理通过高频冲击实现晶粒碎化及细化，细化后晶粒尺寸达到了纳米级别。
所述的超声表面滚压处理的工具头为碳化钨硬质合金球滚压头，通过光滑的碳化钨硬质合金滚压头的滚动降低了工具头与试样的摩擦，实现了焊接接头表层粗糙度的显著降低。
所述的焊接接头为去除余高，不存在应力集中的接头形式。
本发明的有益效果在于：可实现焊接接头疲劳性能的显著提高，并在表面获得单一加工方法不能比拟的组织性能改善及残余压缩应力。本方法加工过程操作简单明了，滚压加工过程即使在普通非数控机床上也可得到很好的加工效果，具有成本低，效率高，效果好等特点。
本发明基于超声表面滚压纳米强化的特点，创新性的将当前表面改性领域应用较为广泛的激光重熔技术与超声表面滚压技术复合。激光重熔是用激光束将表面熔化而不加任何金属元素，以达到表面组织改善和强度提高的目的。激光重熔焊接接头表层可以将受焊接热循环影响产生的氧化物、硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺陷释放出来，同时，由于迅速冷却而使晶粒得到细化。因此，在激光重熔的基础上进行超声表面滚压加工，除了能够降低焊接接头表面粗糙度和实现表面纳米化外，还具有如下重要的特点：(1) 材质表面改性层的深度增加、组织改善效果增强、接头强度提高；(2) 接头强度的提高伴随着表面滚压加工时引入的压缩应力也将提高；(3) 能够抑制一些析出相(如镁合金焊接接头的Mg17Al12)在近熔合线的热影响区中沿晶界析出所形成的微裂纹，从而大幅度提高焊接接头的疲劳强度。此方法将对焊接接头的广泛应用，降低疲劳失效风险具有重要的作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的加工步骤流程图；
图2为本发明的激光重熔加工时熔敷焊道的排布方式，重熔焊道沿试样轴线直线排布，d为重熔焊道间距；
图3为本发明的激光重熔加工示意图；
图4为本发明的超声滚压加工示意图；
图5、图6为本发明的超声滚压加工激光重熔后的试样原理图（试样已加工和未加工部分的对比如图所示）；
图7为本发明在用激光重熔与超声滚压复合的加工方法加工AZ31B镁合金时，所用镁合金试样的尺寸；
图8为通过本发明加工方法处理前后镁合金试样表面形貌图；
图9为通过本发明加工方法加工的试样金相组织图；
图10为通过本发明加工过程加工后的镁合金的疲劳S-N曲线。
图中：1、激光束；2、保护气；3、工作台；4、卡盘；5、卡爪；6、重熔焊道；7、冷却液喷嘴；8、冷却液；9、滚压头；10、超声滚压装置；11、光纤；12、激光器；13、激光加工机器人；14、激光枪；15、试样。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1，本发明的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：
步骤1：将焊接接头疲劳试样固定于激光加工设备工作台3上，预设激光加工设备的加工参数；
步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；
步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样15夹持于数控机床的卡盘4上，并通过卡爪5固定，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头9与试样15接触，施加预设的静压力；箭头方向为滚压装置静压力施加方向；
步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；箭头所指的方向为滚压加工装置的移动方向；
步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；
步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。
将焊接接头疲劳试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，重熔道次之间的距离由材料的性能而定，然后在垂直于重熔的方向进行超声表面滚压处理。
激光加工过程中，不同位置只重熔一遍；在超声表面滚压处理时，采用往复、全覆盖加工方法，在保证表面纳米层最大深度的情况下获得最优的表面粗糙度。
激光重熔实现了焊接接头组织改善并消除了焊接缺陷。超声滚压通过预设静压力实现了接头表层由残余拉应力向残余压应力的转变。
超声表面滚压处理通过高频冲击实现晶粒碎化及细化，细化后晶粒尺寸达到了纳米级别。
所述的超声表面滚压处理的工具头为碳化钨硬质合金球滚压头，通过光滑的碳化钨硬质合金滚压头的滚动降低了工具头与试样的摩擦，实现了焊接接头表层粗糙度的显著降低。
所述的焊接接头为去除余高，不存在应力集中的接头形式。
参见图1至图10所示，本发明通过激光重熔与超声表面滚压复合，能够得到深层次的组织改善。首先通过激光重熔的办法，实现了焊接接头组织改善并消除焊接缺陷，提高接头强度。激光重熔时，将疲劳试样15沿着受载方向进行多道非搭接激光重熔，重熔道次之间的距离根据材料的性能而定，激光重熔加工后的试样如图2所示，图中，d为激光熔敷焊道间的间距，上述激光重熔加工过程如图3所示。经激光重熔后的试样，夹持到机床上面进行超声表面滚压加工，超声表面滚压加工装置通过一组换能器，将工频交流电电能转换成机械振动能量，再经变幅杆变幅后，由滚压头9将超声振动能量传递到试样表面，上述超声滚压加工过程如图4所示。
在上述加工过程中，试样首先进行激光重熔加工，在该加工过程中，试样固定于工作台上，选择合适的加工参数、如激光器12功率、激光束1与试样间距离、激光束行走速率及熔敷焊道间距d等。
重熔加工过程应不断提供保护气2，以防止重熔加工刚完毕，未完全凝固的重熔焊道6遇到空气发生氧化。具体方式为：先开启保护气，待3~5s后再开启激光器12，激光器12通过光纤11控制激光加工机器人的激光枪14工作，加工完毕后应首先关闭激光器12，待20~30s后再关闭保护气。
激光重熔后进行超声表面滚压加工，滚压加工时，选择将滚压加工头固定于机床转塔上代替车刀的位置，将试样夹持于数控机床的卡盘，先将滚压头顶靠于试样待加工部位并确定所要施加的静压力，接着设置滚压头的加工轨迹，进给速度，卡盘4的转速，冷却液喷嘴7喷出的冷却液8的流量，最后开机进行加工。
当进行超声滚压加工时，选择试样绕其轴线以一定速度进行旋转。而滚压头沿试样轴线方向并以所选定的进给速度水平运动。
经超声滚压加工后的试样，其表面粗糙度得到显著降低，表面形成一层纳米晶层，且晶粒尺寸由表层向内部沿梯度从小到大分布，该加工过程改善了激光重熔过程中产生的残余拉应力，并形成一定大小的残余压应力。
在进行表面滚压加工时，所选用的滚压头采用的是碳化钨硬质合金球，所选用的冷却液为线切割冷却乳。
所述的焊接接头为去除余高，不存在应力集中的圆棒形试样。
选择的加工顺序为：先进行激光重熔加工，再进行超声表面滚压加工。先进行激光重熔加工，是为了获得焊接接头试样组织改善，激光重熔完毕后再进行超声表面滚压加工，采用往复、全覆盖加工方法，可以消除激光重熔产生的残余拉应力，获得更深的残余压缩应力层，消除组织缺陷，实现晶粒碎化及细化，获得沿深度方向梯度分布的纳米层，同时，表面的粗糙度也有了很大的改善。
实施例1
基于AZ31B镁合金进行了超声滚压复合激光重熔处理。AZ31B镁合金尺寸形式见图5，该复合法处理前后镁合金试样形貌如图6所示。其中，激光加工所用参数为：功率：1.1KW；扫描速度：600mm/min；光斑直径：3mm；氩气保护；保护气流量：15L/min。超声滚压加工参数为：冲击球采用Cr15钢球，直径15mm；加工时，将镁合金试样夹持于数控机床的卡盘4上，将超声滚压装置10固定于机床的刀塔代替车刀位置，具体加工参数为：转速：250r/min；进给速度：10mm/min；静压力：200N；频率：20KHz；加工次数：往复三次；冷却液：线切割冷却乳。针对采用该复合法加工的试样进行了横截面金相组织观察，如图7所示。明显看出，该复合法加工处理后形成了表层晶粒细化及一定厚度的梯度材料。
实施例2
将上述实施例1强化前后的试样进行疲劳试验，疲劳S-N曲线如图8所示。可以看出复合法强化后镁合金的疲劳寿命有了大幅度提高，对应107循环周次下，疲劳性能提高了20%以上。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：
步骤1：将试样固定于激光加工设备工作台上，预设激光加工设备的加工参数；
步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；
步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样夹持于数控机床的卡盘上，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头与试样接触，施加预设的静压力；
步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；
步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；
步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。
2.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：将试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的方向进行超声表面滚压处理。
3.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：激光加工过程中，不同位置只重熔一遍；在超声表面滚压处理时，采用往复、全覆盖加工方法，在保证表面纳米层最大深度的情况下获得最优的表面粗糙度。
4.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：超声表面滚压处理通过高频冲击实现晶粒碎化及细化，细化后晶粒尺寸达到了纳米级别。
5.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：所述的超声表面滚压处理的工具头为碳化钨硬质合金球滚压头，通过光滑的碳化钨硬质合金滚压头的滚动降低了工具头与试样的摩擦，实现了焊接接头表层粗糙度的显著降低。
6.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：所述的焊接接头为去除余高，不存在应力集中的接头形式。
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