CN111172529A - 一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法 - Google Patents

一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法 Download PDF

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宋洪武
王志国
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    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
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    • C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only

Abstract

本发明公开了一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，属于高性能激光修复技术领域。本发明在面向铝合金特殊结构件(含薄壁结构件)修复过程，采用表层发黑处理，控制工艺参数控制热输入量、提升高度精确控制、修复区域附近温度的实施监测及外加冷却场、连续修复过程层间停顿等方式，可以避免铝合金结构修复过程易出现的各种缺陷如：成形区域熔塌(修复过程出现)、层间条状缺陷(射线无损检测可见)、内部不致密缺陷(截面断开后肉眼可见)等，可以实现铝合金结构件的无缺陷修复。

Description

一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控 制方法
技术领域
本发明涉及高性能激光修复技术领域，具体涉及一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法。
背景技术
铝合金作为在航天、交通、石油等工业领域中有广泛应用的结构材料，具有优异的性能。铸造铝合金由于其良好的铸造性能，可以实现各种复杂结构件的成形，铝合金铸造件在航空、仪表等领域应用广泛，例如发动机和内燃机的零部件。在实际的使用过程，容易产生疲劳裂纹、腐蚀缺陷、甚至局部区域缺肉等缺陷，造成零件的报废，而通过高效率修复方法可以实现可报废件的再制造。
目前常用的铝合金修复技术主要有电弧堆焊修复、热喷涂技术、电刷镀技术等，其中热喷涂技术和电刷镀技术存在结合强度低的弊端，只适用于零件表面修复；而电弧修复由于能量大导致热输入量大，导致零件修复过程变形程度大，因此无法实现零件薄壁区域高质量修复。
激光同轴送粉技术是采用同步送粉方式在基体修复区表面加入金属粉末，利用高能激光束瞬间将基体表面微熔，同时使其表面的金属粉末(与基体同材质或相近)全部熔化，激光撤去后快速凝固，获得与基体呈现冶金结合的致密熔覆层，使零件表面恢复几何外形尺寸，并使表面熔覆层强化。
基于激光同轴送粉技术的铝合金结构件的修复是在图1所示的激光加工系统上进行的，主要由光纤激光器、6轴机器人、激光熔覆头和同轴送粉器组成。通过PLC系统控制激光发射、机器人运动、送粉和保护气开头等。同轴送粉器将熔覆粉末送入激光束内，粉末被加热至熔化状态，并在基体或前一熔覆层上凝固，与其形成冶金结合。一层熔覆完毕后，激光头上升一定高度(一般对应熔覆层的厚度)，以保持激光光斑大小不变，继续进行后一层的熔覆修复。经过多次循环，即可修复好已磨损的合金结构件。
激光同轴送粉技术可以实现低热输入、低变形量、零件壁厚约束少的高效率修复。但用于铝合金结构件修复时，因铝合金对1064nm波长激光吸收率低以及铝合金熔点低等问题，容易出现各类型的缺陷，如修复过程会造成已成形区域熔塌(修复过程出现)、层间条状缺陷(射线无损检测可见)、内部不致密缺陷(截面断开后肉眼可见)等。
发明内容
针对现有技术中采用激光同轴送粉技术修改铝合金结构件时容易出现的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷调控方法，该方法通过基体快速冷却、成形过程气氛控制、已成形区域温度检测、多层扫描层间停顿、离焦量控制等技术的协同控制，实现了铝合金结构件修复过程缺陷控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，该方法以铸态铝合金结构件为基材，采用激光同轴送粉工艺进行表面修复，修复过程中的缺陷调控方法包括如下步骤：
(1)修复前处理：修复前将基材待修复区域打磨平整，去掉表面氧化层；为了提升铸造态表面的激光吸收率稳定，可对基材进行常规的表面发黑处理，以提升第一熔覆层的激光吸收率，保证层内光斑的均匀性。
(2)采用激光同轴送粉工艺进行表面修复，工艺参数的选择要保证成形过程形成连续的熔池；所采用的工艺参数为：激光功率1780-2100W，扫描速度3-5mm/s，送粉量2.5-3.5g/min；保护气压0.16-0.2MPa；环境气氛为：氧含量＜50ppm，保护气氛为氩气。。成形过程氧含量升高会导致已成形区域表面发生氧化，而激光吸收率陡增而导致能量过大，造成已成形区域出现熔塌现象。工艺参数选择需要保证形成连续稳定的熔池。功率密度小于一定值，会造成粉末熔化不完全，内部由小尺寸缺陷(抛开截面后肉眼可见)。
结构件表面修复过程中，激光头倾斜一定角度，即激光头轴向与基材修复面的夹角为82-88°。
结构件表面修复过程中，送粉头与已成形区域上表面的距离变化值应小于5mm。提升量过高会，导致粉末汇聚点逐步偏离熔池，导致成形零件表面质量光泽，但是内部容易出现离散分布的孔状缺陷。由于铝合金的熔点低，成形过程会出现较其他合金更加明显的后续层的宽度大于初始几层的宽度。
结构件表面修复过程中，对基材待修复面进行冷却处理，，将热电偶固定于熔覆区域附近位置来监测温度。如铝合金结构件为规则形结构，将待修复零件与通有循环冷却水的冷却基板接触，以实现待修改复零件温度的控制，为保证导热性能良好，基体和冷却基板之间设置传导介质(如导热膏等)；如铝合金结构件为非规则形结构，则采用气体对基材表面吹扫的方式对基材进行冷却。
结构件表面修复过程中，随着熔覆层数量的增加，沉积高度逐步提高，已成形区域的导热方式变差，后续的熔覆层需要通过控制层间停顿时间来保证成形过程工艺稳定性；层间停顿时间间隔，依据基体温度测量点的监测温度测量值来确定，即熔覆一层后，待该最上层的温度达到设定值时，再熔覆下一层。
采用该方法对结构件修复后，修复零件的组织无缺陷；零件下部组织为常规的凝固组织，上部组织为与生长方向平行的强制生长枝晶，枝晶尺寸远小于常规凝固枝晶；界面位置无条状缺陷存在。
本发明的优点及有益效果是：
1.利用本发明方法的修复过程温度场控制技术，可以显著提升修复零件的致密度，抑制缺陷。
2.本发明利用外加冷却方式，实现已修复区域快速冷却，可以提升修复效率。
3.本发明采用激光同轴送粉修复方式，可以实现壁厚2mm以上薄壁构件的精确修复，界面结合良好、无缺陷出现。
附图说明
图1为激光同轴送粉工艺所用装置结构示意图。
图2为本发明中结构件修复过程中的基板冷却方式示意图；其中：(a)冷却水冷却；(b)气体吹扫冷却。
图3为较低热输入条件下组织图；
图4为高热输入条件下外加冷却方式组织图。
图中：1-修复零件；2-传导介质；3-冷却基板；4-气体吹扫；5-热电偶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明是采用激光同轴送粉技术对铸态铝合金结构件进行表面修复过程中，通过采用表层发黑处理、控制工艺参数控制热输入量、提升高度精确控制、修复区域附近温度的实施监测及外加冷却场、连续修复过程层间停顿等方式，避免了铝合金结构修复过程易出现的各种缺陷，如：成形区域熔塌(修复过程出现)、层间条状缺陷(射线无损检测可见)、内部不致密缺陷(截面断开后肉眼可见)等，可以实现铝合金结构件的无缺陷修复。
修复过程温度检测和控制为：成形过程基板温度变化控制在小于一定量值，成形过程将热电偶5固定于接近熔覆区域位置，如图2所示。如修复零件1为规则形结构，将待修复零件与通有循环冷却水的冷却基板3接触，为保证导热性能良好，基体和冷却水板之间需要有传导介质2。对于修复零件1为非规则形结构时，采用气体吹扫4冷却方式对基材表面进行冷却。
实施例1：
1、基板处理，实验前要采用150#砂纸将修复区域表面打磨平整，表面氧化层去掉，后采用表面发黑及干燥处理。
2、粉末材料：牌号AlSi10Mg，粉末粒度100-200目，粉末干燥处理。化学成分：Si 8～10.5％，Cu≤0.3％，Mg 0.17～0.30％，Zn≤0.3％，Mn 0.2～0.5％，Sn≤0.01％，Pb≤0.05％，Fe 0.000～1.000％，Al为余量。基体为同材质铸铝板材。粉末流动性：58.16S/50g。松装密度：1.29g/cm3。粉末在100℃条件下干燥2h后使用。
3、工艺实验参数组如下：
激光功率：1800W、2000W；扫描速度：3mm/s、4mm/s，送粉速率：4.5g/min，送粉气流量：3.3L/min，保护气压0.18MPa。参数控制的规则：较高的热输出提交，送粉和保护器量在保证粉末流通顺畅的基础上尽量减少，避免出现卷入性气孔出现。在本实施例中单层熔覆的厚度初始为0.4-0.5mm/层，后续厚度为0.25-0.3mm/层。
4、冷却过程，为提升冷却效果，对于底部规则形状，将修复面与通有循环冷却水的基板接触，为防止修复过程接触不良，中间采用导热膏等介质，对于非规则形状，采用了氩气吹扫工作面附件，吹扫过程要保证气流场不能影响粉末和熔池。
5、层间停顿，激光连续作业不停顿，会导致已成形区域的温度场迅速升高，当热影响区的温度接近熔化温度，会导致已成形区域出现坍塌，导致形状变宽，而层间的停顿时间要依据具体的成形面积、热积累引起的温度场变化等综合确定，对于本实施例成形尺寸50m×5mm(单层的界面尺寸)，连续成形8层以内，开始工作的温度测量值为小于50℃。
无损检测、组织、性能分析，采用金相分析方式对界面组织金相分析，其中图3为热输入较低，未加冷却条件下，凝固层组织形貌，熔覆层缺陷分布于层内和层间。而在提升热输入量和增加外加冷却场组织照片如图4所示，组织无缺陷。下部组织为常规的凝固组织，上部组织为与生长方向平行的强制生长枝晶，枝晶尺寸远小于常规凝固枝晶。界面位置为微观缺陷产生。经过射线无损检测发现，无条状缺陷存在。修复后修复后在未作热处理状态下屈服强度能到达82MPa，抗拉强度163MPa。

Claims (8)

1.一种铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：该方法以铸态铝合金结构件为基材，采用激光同轴送粉工艺进行表面修复，修复过程中的缺陷控制方法包括如下步骤：
(1)修复前处理：对基材待修复区域打磨平整，去掉表面氧化层；
(2)采用激光同轴送粉工艺进行表面修复，工艺参数的选择要保证成形过程形成连续的熔池；所采用的工艺参数为：激光功率1780-2100W，扫描速度3-5mm/s，送粉量2.5-3.5g/min；保护气压0.16-0.2MPa；环境气氛为：氧含量＜50ppm，保护气氛为氩气。
2.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：步骤(1)中，对基材打磨后可进行发黑处理，以提升熔覆层的激光吸收率，保证层内光斑的均匀性；发黑处理后进行步骤(2)。
3.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：步骤(2)中，表面修复过程中，激光头倾斜一定角度，即激光头轴向与基材修复面的夹角为82-88°。
4.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：表面修复过程中，送粉头与已成形区域上表面的距离变化值应小于5mm。
5.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：表面修复过程中，对基材待修复面进行冷却处理，将热电偶固定于熔覆区域附近位置来监测温度。
6.根据权利要求5所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：如铝合金结构件为规则形结构，将待修复零件与通有循环冷却水的冷却基板接触，以实现对待修复零件温度的冷却，为保证导热性能良好，基体和冷却基板之间设置传导介质；如铝合金结构件为非规则形结构，则采用气体对基材表面吹扫的方式对基材进行冷却。
7.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：表面修复过程中，随着熔覆层数量的增加，沉积高度逐步提高，已成形区域的导热方式变差，后续的熔覆层需要通过控制层间停顿时间来保证成形过程工艺稳定性；层间停顿时间间隔，依据基体温度测量点的监测温度测量值来确定，即熔覆一层后，待该最上层的温度达到设定值时，再熔覆下一层。
8.根据权利要求1所述的铸造铝合金结构件在激光同轴送粉修复过程中的缺陷控制方法，其特征在于：采用该方法后，修复零件的组织无缺陷；零件下部组织为常规的凝固组织，上部组织为与生长方向平行的强制生长枝晶，枝晶尺寸远小于常规凝固枝晶；界面位置无条状缺陷存在。
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