CN111349931B

CN111349931B - 一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法

Info

Publication number: CN111349931B
Application number: CN202010238130.4A
Authority: CN
Inventors: 虞文军; 陈志川; 荣鹏; 王东晔; 高川云; 王大为
Original assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: CN111349931A

Abstract

本发明公开了一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，包括以下步骤：1）构建待修复区域；2）通过激光熔覆送粉设备，将具有待修复区域的钛合金构置于氧含量低于50ppm的惰性气体氛围中；3）调节激光器激光头的初始位置；4）调整激光器控制机床的运行参数，设定扫描速度，其中扫描路径设定如下，N+1层的扫描路径相对于第N层的扫描路径旋转了90°；5）设定激光器机床的运行参数、同轴送粉器的送粉数值和送粉量大小；6）先开启同轴送粉器后开启激光器，按照扫描运行轨迹进行激光熔覆修复操作；7）熔覆修复操作完成的后续处理。本发明通过优化激光修复技术的扫描路径可以达到分散、弱化、消除部分应力集中区域，大幅度提升修复成功的概率。

Description

一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法

技术领域

本发明涉及钛合金构建生产工艺技术领域，具体是指一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法。

背景技术

激光送粉修复技术凭借其可控性高、材料利用率高、没有空间结构限制等优点，被广泛应用于金属构件的修复工作。但是随着对激光送粉修复技术的深入研究，这项技术的一些瑕疵也被逐渐发现，其中限制这项技术进一步推广应用最为主要的原因就是当其修复大尺寸缺陷（钛合金金属构件：单层修复尺寸≥50mm×50mm）时，产生的热应力极大，极易引起修复组织与原有基体接触区域的开裂现象，造成修复的失效。

现有中国专利，申请号：201811310202.0，公开了一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，其公开了激光送粉的修复工艺，该工艺在对钛合金大尺寸缺陷进行激光修复过程时，扫描路径的末端往往是热应力集中以后开裂的高危区域，每一道扫描路径的末端都是高危区域，扫描路径越长，热应力集中越多。其扫描路径的第N层和N+1层的轨迹完全一致，采用这种扫面路径的方法在对小尺寸缺陷进行修复时，由于扫描路径较短、叠加层数较少，因此在高危热应力集中区域，热应力较小，不容易在高危区域产生开裂现象。但是当对大尺寸的缺陷进行修复时，如果仍采用原有扫描路径，那么在热应力集中以后，高危区域所聚集的应力会非常大，极易造成开裂现象的发生。因此采用该修方法需要随时准备热处理，这需要在惰性气体舱体内增加高温热处理系统模块，这对设备要求极高，同时也存在一定的安全隐患，不利于大规模推广使用，因此发展一种合理有效的可以对这种应力集中现象进行弱化甚至消除的修复方法变得十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过优化激光修复技术的扫描路径可以达到分散、弱化、消除部分应力集中区域，大幅度提升修复成功的概率的基于原位应力释放模型的修复路径优化方法。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，包括以下步骤：

（1）对于具有大尺寸缺陷的钛合金构件进行局部修正，构建能够被激光光斑安全照射的待修复区域；若缺陷区域较为平整则直接用丙酮或酒精仔细擦洗修复区域，若缺陷区域不平整则先通过机械切除使缺陷区域平整光滑再用丙酮或酒精仔细擦洗待修复区域；

（2）将具有待修复区域的钛合金构件置于激光熔覆送粉设备中，调节激光熔覆送粉设备的操作箱使激光熔覆送粉设备中的待修复的钛合金锻梁构件处于氧含量低于50ppm的惰性气体氛围中；

（3）调节激光熔覆送粉设备中激光器激光头的初始位置，使激光束辐照在待修复区域的指定位置，调节激光束的焦点使其略高于梯形待修复区域的下表面；

（4）调整调节激光熔覆送粉设备中激光器控制机床的运行参数，设定扫描路径以及扫描速度，其中，第N层和N+1层的扫描路径不一致，N+1层的扫描路径相对于第N层的扫描路径旋转了90°；

（5）设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；并向调节激光熔覆送粉设备中同轴送粉器加入修复材料，设置同轴送粉器的送粉数值和送粉量大小，设置激光熔覆送粉设备中激光器的输出功率数值；

（6）先开启同轴送粉器后开启激光器，按照设定的扫描运行轨迹进行激光熔覆修复操作，同轴送粉器喷头跟随激光器激光头进行同步移动，每层修复完毕以后，关闭激光器，根据设定的移动轨迹，当激光头移动到指定位置时，再次开启激光器，进行下一层的熔覆修复操作，以此类推，直到设定的运行轨迹全部运行结束以后，关闭激光器，终止熔覆修复操作；

（7）熔覆修复操作完成的后续处理。

本技术方案基于原位应力释放理念，对原有修复方法进行改进，优化修复扫描路径，实现了弱化应力集中现象的目的，有效的减低了钛合金构件大尺寸缺陷修复过程中的开裂风险，确保了修复工作的有效性。

现有的扫描路径，第N层和N+1层的轨迹完全一致，采用这种扫面路径的方法在对小尺寸缺陷进行修复时，由于扫描路径较短、叠加层数较少，因此在高危热应力集中区域，热应力较小，不容易在高危区域产生开裂现象。优化后的扫描路径分散了每一道扫描路径的应力集中区域，对首层填充扫描轨迹也进行了优化，避开了每层在轮廓扫描时，应力集中的高危区域，使得第N层和N+1层中热应力较大的局部区域无法在相同的位置进行重复叠加，大大减弱了热应力集中情况，减低了修复过程中的组织开裂风险。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中构建的待修复区域为上宽下窄的均匀梯形凹槽，其尺寸长度为下长50mm、宽度40mm，上长70mm、宽度60mm，深度为20mm。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）中的惰性气体氛围为氩气氛围。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中，调整调节激光熔覆送粉设备中激光器激光头的初始位置时，将激光束的焦点高于梯形待修复区域的下表面2mm~3mm，此时同轴送粉器的粉末汇聚位置与激光束焦点重合。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（5）中，加入的修复材料为TC4钛合金构件材料。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（5）中，所述同轴送粉器的送粉量需要在激光器出光前进行设置。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（5）中，所述激光器输入功率与机床的运行参数包括外轮廓扫描模式和内轮廓扫描模式；

外轮廓扫描模式下，激光器的输出功率为2500W，机床扫描速度为18 mm/s；

内轮廓扫描模式下，激光器的输出功率为2800W，机床扫描速度为14mm/s；

其中，其外轮廓与内部组织的位移偏移量为600μm，内部轮廓每道修复组织的偏移量为750μm，每层修复完毕以后，z轴的提升位移为800μm。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（7）中，对熔覆修复操作完成的后续处理具体包括，对熔覆修复组织的多余部分需要进行一个切除工作，把不符合尺寸精度要求的顶端多余部分切除，进而得到一个性能优异的修复组织，修复工作结束。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明基于原位应力释放理念，对原有修复方法进行改进，优化修复扫描路径，实现了弱化应力集中现象的目的，有效的减低了钛合金构件大尺寸缺陷修复过程中的开裂风险，确保了修复工作的有效性；

（2）本发明对首层填充扫描轨迹也进行了优化，避开了每层在轮廓扫描时，应力集中的高危区域，因此优化后的扫描路径分散了每一道扫描路径的应力集中区域，使得第N层和N+1层中热应力较大的局部区域无法在相同的位置进行重复叠加，大大减弱了热应力集中情况，减低了修复过程中的组织开裂风险。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明中钛合金构件大尺寸缺陷示意图（包括侧视图和俯视图）；

图2为本发明中激光修复过程扫描轨迹示意图；

图3为本发明中激光熔覆修复过程应力集中区域仿真模拟图；

图4为本发明中优化扫描路径以后得到的修复区域金相组织图。

具体实施方式

为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供了一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，包括以下步骤：

（5）设定激光器的输出功率，以及机床的运行参数；并向调节激光熔覆送粉设备中同轴送粉器加入修复材料，设置同轴送粉器的送粉数值和送粉量大小；

（7）熔覆修复操作完成的后续处理。

其中，本技术方案的核心技术内容在于，改进了激光送粉修复工艺中的扫描路径，可以在不增加设备投入成本的情况下，有效的分散、弱化打印过程中的应力集中区域，减少修复区域组织开裂风险，提升修复成功率。

其中，第N层和N+1层的扫描路径不一致，如图2所示，N+1层的扫描路径相对于第N层的扫描路径旋转了90°，该扫面路径的优化后，实现了弱化应力集中现象的目的，有效的减低了钛合金构件大尺寸缺陷修复过程中的开裂风险，确保了修复工作的有效性。对首层填充扫描轨迹也进行了优化，避开了每层在轮廓扫描时，应力集中的高危区域，因此优化后的扫描路径分散了每一道扫描路径的应力集中区域，使得第N层和N+1层中热应力较大的局部区域无法在相同的位置进行重复叠加，大大减弱了热应力集中情况，减低了修复过程中的组织开裂风险。

本实施例，针对一具体钛合金结构产生的大尺寸缺陷进行修复过程，该钛合金（TC4）板材表面存在大尺寸缺陷，缺陷最大尺寸长度为70mm，最大尺寸宽度为60mm，对缺陷进行机械修正，得到一个上宽下窄的缺陷，其尺寸长度为下长50mm、宽度40mm，上长70mm、宽度60mm，深度为20mm。如图1所示。修复过程，具体如下：

1、利用丙酮或者酒精对修正后的近梯形缺陷进行擦洗，清除表面污垢，避免对后面修复工作造成影响。

2、调整激光器控制机床的运行参数：设定最优的扫描轨迹(区别于传统修复路径)以及扫描速度具体参见图3。每层扫描修复时，先对修复组织的最外层轮廓进行扫描，然后再对内部的修复组织进行扫描，内部组织的扫描路径区别于传统修复方法。激光参数和机床运行参数设定，为了确保修复组织与原有基体组织结合处的组织致密性，对于激光参数的设定采取两种数值，外轮廓扫描激光功率P=2500W，机床扫描速度V=18mm/s，内部扫描，激光功率P=2800W，机床扫描速度V=14mm/s。机床运行轨迹如图2所示，每层组织进行修复时，先进行外轮廓修复，当外轮廓修复完毕以后，在进行内部组织修复，其外轮廓与内部组织的位移偏移量为600μm。内部轮廓扫描时，每道修复组织的偏移量为750μm。每层修复完毕以后，z轴的提升位移为800μm。

3、针对钛合金(TC4)板材表面的凹槽缺陷修复，采用的是TC4钛合金粉末，送粉量数值为45g/min，最终获得了有效的修复层组织，凹槽内部原有基体与修复组织结合处组织致密，复合修复标准。具体实际修复效果如图4所示。

通过X射线法，对传统轨迹和优化轨迹，修复后参与应力对比，如下表所示：

根据上表内容可知，本发明优化扫面轨迹后，能够有效降低热应力，减低了修复过程中的组织开裂风险。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对于具有大尺寸缺陷的钛合金构件进行局部修正，构建能够被激光光斑安全照射的待修复区域；若缺陷区域较为平整则直接用丙酮或酒精仔细擦洗修复区域，若缺陷区域不平整则先通过机械切除使缺陷区域平整光滑再用丙酮或酒精仔细擦洗待修复区域；所述步骤（1）中构建的待修复区域为上宽下窄的均匀梯形凹槽，其尺寸长度为下长50mm、宽度40mm，上长70mm、宽度60mm，深度为20mm；

（7）熔覆修复操作完成的后续处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中的惰性气体氛围为氩气氛围。

3.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（3）中，调整调节激光熔覆送粉设备中激光器激光头的初始位置时，将激光束的焦点高于梯形待修复区域的下表面2mm~3mm，此时同轴送粉器的粉末汇聚位置与激光束焦点重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中，加入的修复材料为TC4钛合金构件材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中，所述同轴送粉器的送粉量需要在激光器出光前进行设置。

6.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中，所述激光器输入功率与机床的运行参数包括外轮廓扫描模式和内轮廓扫描模式；

7.根据权利要求1所述的一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法，其特征在于，所述步骤（7）中，对熔覆修复操作完成的后续处理具体包括，对熔覆修复组织的多余部分需要进行一个切除工作，把不符合尺寸精度要求的顶端多余部分切除，进而得到一个性能优异的修复组织，修复工作结束。