CN108213713B - 一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法 - Google Patents

一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，属于激光增材修复技术领域，包括如下步骤：(1)对破损的薄壁结构进行表面清理；(2)测量破损薄壁结构待修复区的尺寸；(3)根据图纸或进行化学分析确认待修复区的材质；(4)制定修复工艺；(5)脉冲激光修复；(6)连续激光修复；(7)机械加工及质检。本发明采用脉冲Nd:YAG激光为热源成形出过渡层，热输入少，对零件的热影响小；采用连续半导体激光为光源进行剩余缺损区域的修复，修复速度快，效率高。修复过程在氩气气氛下进行，防止了薄壁零部件的氧化；修复后薄壁结构的残余应力小，不破坏零部件基体的组织性能；修复区与基体的界面结合力强，节约原料和能源，创造了经济价值。

Description

一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复 方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光增材修复方法，具体地说是一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，属于薄壁金属构件的修复技术领域。
背景技术
金属零部件在复杂的力热环境中服役时，难免会产生局部破损，直接报废会提高经济成本，有必要对破损的金属零部件进行修复再利用。
传统的修复方法多采用手工电弧焊、气体保护焊等补焊方法。
目前也有一些采用连续激光进行零件修复的研究，李午红等人在发明名称为“一种采用金属粉末的激光修复方法”、公开号为CN104233292A的中国发明专利中，公开了一种采用金属粉末的激光修复方法，但该修复方法会把零部件加热到较高的温度，使修复后的零部件存在较大的应力集中，产生基体变形大的问题，同时修复过程如果暴露在空气中，会使修复件表面发生氧化。尤其对于薄壁金属零部件，上述修复方法由于有较大的热输入，会破坏零部件基体的性能，降低薄壁结构的使用性能而使修复后无法使用。
对于薄壁结构，需要一种热输入少、修复效率高的修复方法，在不破坏薄壁结构基体的基础上，灵活、快速地实现薄壁结构的修复。
卞宏友等人在发明名称为“基于脉冲焊接和激光增材修复的薄壁零部件复合修复方法”、公开号为CN105904151A的中国发明专利中，公开了一种基于脉冲焊接和激光增材修复的薄壁零部件复合修复方法，在该复合修复方法中，将脉冲焊接搭桥和激光增材制造的方法结合，但其缺点在于：该方法主要用于贯通损伤零件的修复，且未考虑修复过程对零件基体的影响。
因此，提供一种修复后薄壁结构的残余应力小、不破坏零部件基体的组织性能、修复区与基体的界面结合力强、节约原料和能源的复合修复方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种修复后薄壁结构的残余应力小、不破坏零部件基体的组织性能、修复区与基体的界面结合力强、节约原料和能源的复合修复方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法；包括如下步骤：
(1)对破损的薄壁结构进行表面清理，待修复区研磨，并将待修复零件清洗，去除待修复区的磨损层、疲劳层、氧化层及其他杂质；
(2)测量破损薄壁结构待修复区的尺寸；
(3)根据图纸或进行化学分析确认待修复区的材质；
(4)制定修复工艺：包括破损件的工装、采用的修复粉末、脉冲激光和连续激光熔化沉积修复工艺；
(5)脉冲激光修复：采用脉冲激光，逐层在薄壁结构的缺损部位进行堆积，制备出过渡层；
(6)连续激光修复：采用连续激光，以过渡层为基体进行逐层堆积，直至制备出完整尺寸的修复区；
(7)机械加工及质检：对修复后的薄壁结构进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求，并对修复件进行超声探伤，检测修复区是否有缺陷。
优选地，所述步骤(1)中，所述研磨用W14号金相砂纸进行。
优选地，所述步骤(1)中，所述清洗的具体步骤为：将将待修复零件放入99％酒精中超声清洗5分钟。
优选地，所述步骤(5)中，所述过渡层厚的度为1mm。
优选地，所述步骤(5)中，所述脉冲激光修复采用的工艺为：将薄壁结构固定到工作台，其待修复面向上，与激光束方向垂直，采用波长为1.06μm的脉冲Nd:YAG激光光源进行修复；采用的修复粉末为与基体成分一致的粉末，粒度为-90～+325目。
优选地，所述步骤(5)中，所述堆积的工艺参数为：电流：200～400A，脉宽：2.0～3.5ms，频率：8Hz，修复速率：3mm/s，层高：0.15mm，光斑大小：2mm，搭接量1.0mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
优选地，所述步骤(6)中，所述连续激光修复的工艺为：采用波长为1.06μm的半导体激光光源进行修复；采用的修复粉末成分与基体成分一致，粒度为-90～+325目。
优选地，所述步骤(6)中，所述逐层堆积的工艺参数为：功率：1000W～2000W，修复速率：3～5mm/s，送粉量3～4g/min，载气流量4～6L/min，层高：0.4～1.0mm，光斑大小：4mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
优选地，所述步骤(7)中所述缺陷包括裂纹或气孔。
优选地，所述步骤(3)中所述材质为GH4169合金。
本发明的优点在于：
本发明的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法综合考虑了减少对待修复零件基体的热影响和提高修复效率。过渡层采用脉冲Nd:YAG激光光源进行修复，热输入少，不破坏待修复基体的组织性能；剩余修复区采用连续半导体激光光源进行修复，修复速度快，效率高；修复过程在氩气气氛中进行，防止了薄壁结构的氧化；修复区与基体的界面为冶金结合，结合力强，使破损薄壁结构得到再利用，节约了原料和能源，创造了较高的经济价值。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中薄壁零部件修复区的结构示意图。
图2为本发明实施例1中基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中脉冲Nd:YAG激光修复区的显微组织照片。
图3为本发明实施例1中基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中连续半导体激光修复区的显微组织照片。
图中主要部件说明
1 待修复零件基体 2 脉冲激光修复过渡层
3 连续激光修复区
具体实施方式
实施例1
采用基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，对薄壁零件进行修复，基体材料为GH4169合金。
本实施例包括如下步骤：
(1)对破损的薄壁结构进行表面清理，待修复区用W14号金相砂纸研磨，并将待修复结构放入99％酒精中超声清洗5分钟，去除待修复区的磨损层、疲劳层、氧化层及其他杂质；
(2)对破损的薄壁结构待修复区的尺寸进行测量，待修复区尺寸为50mm×30mm×3mm；
(3)通过化学分析确认待修复区的材质为GH4169合金；
(4)制定修复工艺：制定修复工艺：包括破损件的工装、采用的修复粉末、脉冲激光和连续激光熔化沉积修复工艺；
(5)脉冲激光修复：采用脉冲激光，逐层在薄壁结构的缺损部位进行堆积，制备出过渡层，具体步骤如下：
将薄壁结构固定到工作台，其待修复面向上，与激光束方向垂直，采用的修复粉末为与基体一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目，脉冲激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的脉冲Nd:YAG激光光源进行修复；逐层堆积工艺参数为：电流：350A，脉宽：3.0ms，频率：8Hz，修复速率：3mm/s，层高：0.15mm，光斑大小：2mm，搭接量1.0mm，过渡层高度1mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(6)连续激光修复：采用连续激光，以过渡层为基体进行逐层堆积，直至制备出完整尺寸的修复区，具体步骤如下：
连续激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的半导体激光光源进行修复；采用的修复粉末成分与基体成分一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目；逐层堆积工艺参数为：功率：1500W，修复速率：4mm/s，送粉量3.4g/min，载气流量5L/min，层高：0.4mm，光斑大小：4mm，单道往复无搭接，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(7)机械加工及质检：根据要求，对修复后的薄壁结构进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求，并对修复件进行超声探伤，检测修复区是否有缺陷，包括裂纹、气孔等。
如图1所示，为本发明基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中薄壁零部件修复区的结构示意图。其中，1为待修复零件基体，2为脉冲激光修复过渡层，3为连续激光修复区。
检测结果：修复后的薄壁结构外形完好，达到技术要求；修复区与基体界面为冶金结合，界面及修复区无裂纹、气孔等缺陷，如图2、3所示。
如图2所示，为本发明实施例1中基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中脉冲Nd:YAG激光修复区的显微组织照片。该照片是用JSM-6510扫描电子显微镜(SEM)在1000倍数下拍照获得。
如图3所示，为本发明实施例1中基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法中连续半导体激光修复区的显微组织照片。该照片是用JSM-6510扫描电子显微镜(SEM)在500倍数下拍照获得。
实施例2
采用基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，对薄壁零件进行修复，基体材料为GH4169合金。
本实施例包括如下步骤：
(1)对破损的薄壁结构进行表面清理，待修复区用W14号金相砂纸研磨，并将待修复结构放入99％酒精中超声清洗5分钟，去除待修复区的磨损层、疲劳层、氧化层及其他杂质；
(2)对破损的薄壁结构待修复区的尺寸进行测量，待修复区尺寸为50mm×30mm×3mm；
(3)通过化学分析确认待修复区的材质为GH4169合金；
(4)制定修复工艺：制定修复工艺：包括破损件的工装、采用的修复粉末、脉冲激光和连续激光熔化沉积修复工艺；
(5)脉冲激光修复：采用脉冲激光，逐层在薄壁结构的缺损部位进行堆积，制备出过渡层，具体步骤如下：
将薄壁结构固定到工作台，其待修复面向上，与激光束方向垂直，采用的修复粉末为与基体一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目，脉冲激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的脉冲Nd:YAG激光光源进行修复；逐层堆积工艺参数为：电流：400A，脉宽：2.0ms，频率：8Hz，修复速率：3mm/s，层高：0.15mm，光斑大小：2mm，搭接量1.0mm，过渡层高度1mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(6)连续激光修复：采用连续激光，以过渡层为基体进行逐层堆积，直至制备出完整尺寸的修复区，具体步骤如下：
连续激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的半导体激光光源进行修复；采用的修复粉末成分与基体成分一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目；逐层堆积工艺参数为：功率：2000W，修复速率：5mm/s，送粉量3.0g/min，载气流量4L/min，层高：0.5mm，光斑大小：4mm，单道往复无搭接，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(7)机械加工及质检：根据要求，对修复后的薄壁结构进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求，并对修复件进行超声探伤，检测修复区是否有缺陷，包括裂纹、气孔等。
实施例3
采用基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，对薄壁零件进行修复，基体材料为GH4169合金。
本实施例包括如下步骤：
(1)对破损的薄壁结构进行表面清理，待修复区用W14号金相砂纸研磨，并将待修复结构放入99％酒精中超声清洗5分钟，去除待修复区的磨损层、疲劳层、氧化层及其他杂质；
(2)对破损的薄壁结构待修复区的尺寸进行测量，待修复区尺寸为50mm×30mm×3mm；
(3)通过化学分析确认待修复区的材质为GH4169合金；
(4)制定修复工艺：制定修复工艺：包括破损件的工装、采用的修复粉末、脉冲激光和连续激光熔化沉积修复工艺；
(5)脉冲激光修复：采用脉冲激光，逐层在薄壁结构的缺损部位进行堆积，制备出过渡层，具体步骤如下：
将薄壁结构固定到工作台，其待修复面向上，与激光束方向垂直，采用的修复粉末为与基体一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目，脉冲激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的脉冲Nd:YAG激光光源进行修复；逐层堆积工艺参数为：电流：200A，脉宽：3.5ms，频率：8Hz，修复速率：3mm/s，层高：0.15mm，光斑大小：2mm，搭接量1.0mm，过渡层高度1mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(6)连续激光修复：采用连续激光，以过渡层为基体进行逐层堆积，直至制备出完整尺寸的修复区，具体步骤如下：
连续激光修复工艺为：采用波长为1.06μm的半导体激光光源进行修复；采用的修复粉末成分与基体成分一致的GH4169合金，粒度为-90～+325目；逐层堆积工艺参数为：功率：1000W，修复速率：3mm/s，送粉量4g/min，载气流量6L/min，层高：0.4mm，光斑大小：4mm，单道往复无搭接，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
(7)机械加工及质检：根据要求，对修复后的薄壁结构进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求，并对修复件进行超声探伤，检测修复区是否有缺陷，包括裂纹、气孔等。

Claims (6)

1.一种基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法；包括如下步骤：
(1)对破损的薄壁结构进行表面清理，待修复区研磨，并将待修复零件清洗，去除待修复区的磨损层、疲劳层、氧化层及其他杂质；
(2)测量破损薄壁结构待修复区的尺寸；
(3)根据图纸或进行化学分析确认待修复区的材质；
(4)制定修复工艺：包括破损件的工装、采用的修复粉末、脉冲激光和连续激光熔化沉积修复工艺；
(5)脉冲激光修复：将薄壁结构固定到工作台，其待修复面向上，与激光束方向垂直，采用波长为1.06μm的脉冲Nd:YAG激光光源进行修复；采用的修复粉末为与基体成分一致的粉末，粒度为-90～+325目，逐层在薄壁结构的缺损部位进行堆积，制备出过渡层；
(6)连续激光修复：采用波长为1.06μm的半导体激光光源进行修复，采用的修复粉末成分与基体成分一致，粒度为-90～+325目，以过渡层为基体进行逐层堆积，直至制备出完整尺寸的修复区；
(7)机械加工及质检：对修复后的薄壁结构进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求，并对修复件进行超声探伤，检测修复区是否有缺陷；
所述步骤(5)中，所述堆积的工艺参数为：电流：200～400A，脉宽：2.0～3.5ms，频率：8Hz，修复速率：3mm/s，层高：0.15mm，光斑大小：2mm，搭接量1.0mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化；
所述步骤(6)中，所述逐层堆积的工艺参数为：功率：1000W～2000W，修复速率：3～5mm/s，送粉量3～4g/min，载气流量4～6L/min，层高：0.4～1.0mm，光斑大小：4mm，修复过程在氩气环境下进行，防止基体氧化。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述研磨用W14号金相砂纸进行。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述清洗的具体步骤为：将待修复零件放入99％酒精中超声清洗5分钟。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述过渡层的厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，其特征在于：所述步骤(7)中，所述缺陷包括裂纹或气孔。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲激光和连续激光增材的薄壁零部件复合修复方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述材质为GH4169合金。
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