CN111850545B - 针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光复合修复再制造领域，具体涉及针对飞机钛合金薄壁构件的磁‑热同步再制造方法和装置。本发明主要通过垂直于激光前进方向的交变磁场与角度可变的旋转磁场定向、定量调控熔池表面张力及熔池冷却速度，改善由于大尺寸垂尾主梁薄壁构件修复过程中温度梯度较大的问题，消除熔池的表面张力，调控熔池形状，消除激光熔凝层表面波纹，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象。

Description

针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法和装置
技术领域
本发明涉及激光复合修复再制造领域，具体涉及针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法和装置，其主要通过垂直于激光前进方向的交变磁场与角度可变的旋转磁场定向、定量调控熔池表面张力及熔池冷却速度，改善由于大尺寸垂尾主梁薄壁构件修复过程中温度梯度较大的问题，消除熔池的表面张力，调控熔池形状，消除激光熔凝层表面波纹，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象。
背景技术
激光增材制造/激光修复是一种新兴的快速成形/修复技术，其具有热影响层浅，增材/修复的构件精度高等特点，同时激光增材/修复无需使用铸造模具，可实现金属构件的快速成形制造，降低了生产成本，提高了增材构件的质量。激光增材制造/激光修复技术与传统的减法制造方法不同，激光增材制造/激光修复是基于逐层递增的制造方法，其采用激光熔化金属粉末并将其快速冷却凝固的方式，可以获得非平衡态过饱和固溶体及均匀细小的金相组织，并且成形材料范围广泛，制造过程不受金属零件复杂结构的限制，无需任何工装模具，工艺简单，可实现金属零件的快速制造，降低成本，还能实现材料组分连续变化的梯度功能材料制造。
激光增材/修复技术被广泛应用于航空航天产业，尤其使大尺寸薄壁构件的增材制造与修复之中，但由于薄壁材料的壁厚较小，在增材制造与修复过程中，极易出现受力、受热、受振动引起的变形，比如端面塌陷等缺陷。
发明内容
为了解决这些问题，针对薄壁构件的修复，本发明提出了一种针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法和装置，其主要是通过垂直于激光前进方向的交变磁场与角度可变的旋转磁场定向、定量调控熔池表面张力及熔池冷却速度，改善由于大尺寸垂尾主梁薄壁构件修复过程中温度梯度较大的问题，消除熔池的表面张力，调控熔池形状，消除激光熔凝层表面波纹，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象，提高了修复质量和效率，减少了经济损失。
本发明提出了一种针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法和装置，其特征在于：通过垂直于激光行进方向的交变磁场定量控制熔池冷却时间，减缓冷却速度；同时，通过高速相机反馈的信号，改变位于熔池上方的旋转磁场角度使之垂直于熔池凸面的切线方向，通过变角度磁场力消除熔池的表面张力，改善熔池形状，消除激光熔凝层表面波纹，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象。
一种针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造装置,其装置主要包括工作台、亥姆霍兹线圈、激光器、旋转磁场装置、高速相机、PLC控制系统；其中，亥姆霍兹线圈是由两个平行线圈构成的，两个平行线圈分别位于工作台的上下两侧面，激光器位于激光热效应导致的熔池的正上方并能够沿着待修复垂尾主梁表面的长边运动，旋转磁场装置与激光器固定在一起并位于垂尾主梁待修复表面的正上方；高速相机位于垂尾主梁待修复表面正前方，激光器、旋转磁场装置和高速相机与PLC控制系统信号连接。
其具体步骤如下：
(1)将待修复垂尾主梁置于工作台上，并使用400目水砂纸对待修复的表面进行表面打磨处理，使其表面粗糙度大于5μm。
(2)将由两个平行线圈构成的亥姆霍兹线圈分别置于工作台和待修复试样的上下两侧，使磁场方向垂直于待修复垂尾主梁表面的长边，其中构成亥姆赫兹线圈的两线圈之间的距离h满足h＝R，其中R为线圈半径；亥姆霍兹线圈所通的电流大小与磁场强度满足：
Figure BDA0002557876510000021
其中n为线圈匝数，I为所通电流大小，μ0为磁常数。
(3)打开激光器，使激光器以速度10mm/s沿着待修复垂尾主梁表面的长边运动，同时旋转磁场装置以相同的速度与激光器沿同一方向运动，激光修复的参数为：激光功率280-320W，送粉速度为100-1000mm/min，光斑直径为0.12-0.14mm，每层厚度为0.05mm。
(4)当激光热效应作用于修复表面并形成熔池时，高速相机跟随熔池，并采集熔池信息，得到其凸面曲率为θ，熔池与待修复垂尾主梁的固液接触角为α，所采用的高速相机参数为分辨率为456×608，采集频率为每秒25帧，窄带滤光片中心波长为600～650nm。
(5)将高速相机采集的信息反馈于控制系统，调节旋转磁场的方向，使旋转磁场方向为β，磁场的旋转角度β和凸面曲率θ以及熔池与待修复垂尾主梁的固液接触角α，满足：θ＝2α＝180°-2β。
(6)旋转磁场方向随激光前进方向及采集的熔池形状改变，并作用于熔池，旋转磁场装置的磁场力F满足F＝(M+G)sinθ/2，其中G为熔池的重力，M为气固两相流的影响力。
(7)重复步骤(1)-(6)，完成整个垂尾主梁薄壁构件的修复。
与现有技术相比，本发明通过垂直于激光前进方向的交变磁场与角度可变的旋转磁场定向、定量调控熔池表面张力及熔池冷却速度，改善由于大尺寸垂尾主梁薄壁构件修复过程中温度梯度较大的问题，调控熔池形状，消除激光熔凝层表面波纹，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象，减少垂尾主梁大尺寸薄壁结构在增材过程中的塌陷变形。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为亥姆霍兹线圈磁场分布曲线
图2为本方法涉及的装置示意图
图3为熔池受力分析示意图
图4为固液接触角示意图
图5为实施例1修复的钛合金组织微观图
图6为实施例2修复的钛合金组织微观图
图2中工作台1,亥姆霍兹线圈2,激光器3,旋转磁场装置4,高速相机5,PLC控制系统6。亥姆霍兹线圈2位于工作台1的上下两侧面，旋转磁场装置4与激光器3运动方向相同，位于激光热效应导致的熔池的正上方。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例1修复的金属粉末为T6Al4V粉末，粉末的粒径为10μm，其中为熔池的重力G为2×10-3N，气固两相流的影响力M为1×10-3N。
其具体步骤如下：
(1)将待修复垂尾主梁置于工作台1上，并使用400目水砂纸对待修复的表面进行表面打磨处理，使其粗糙度大于5μm。
(2)将由两个平行线圈构成的亥姆霍兹线圈2分别置于工作台1和待修复试样的上下两侧，使磁场方向垂直于待修复表面的长边，其中构成亥姆赫兹线圈的两线圈之间的距离h＝1000mm，线圈半径R＝1000mm。
(3)打开激光器3，使激光器3以速度10mm/s沿着待修复表面的长边运动，同时旋转磁场装置5以相同的速度与激光器3沿同一方向运动，激光修复的参数为：激光功率280-320W，送粉速度为100-1000mm/min，光斑直径为0.12-0.14mm，每层厚度为0.05mm。
(4)当激光热效应作用于修复表面并形成熔池时，高速相机5跟随熔池，并采集熔池信息，得到其凸面曲率为120°，熔池与修复垂尾主梁的固液接触角为60°，所采用的高速相机参数为分辨率为456×608，采集频率为每秒25帧，窄带滤光片中心波长为600～650nm。
(5)将高速相机采集的信息反馈于控制系统，调节旋转磁场的方向，使旋转磁场方向为30°。
(6)旋转磁场方向随激光前进方向及采集的熔池形状改变，并作用于熔池，旋转磁场装置的磁场力F满足
Figure BDA0002557876510000041
重复步骤(1)-(5)，完成整个垂尾主梁薄壁构件的修复。
(7)在不使用亥姆霍兹线圈激发的磁场和旋转磁场的作用下，对垂危主梁进行修复，作为实施例2。
(8)对两种工艺的微观组织进行观测，得到其OM图像分别如图5和图6所示，并且测量两种方式下，修复部分中间部位与边缘的高度差。所得数据如表一所示。
实施例1得到钛合金微观组织与实施例2相比，柱状晶减少，β相等轴化增强，同时实施例1中的修复部分中间部位与边缘的高度差较小，塌陷变形减小。
表1
Figure BDA0002557876510000042

Claims (5)

1.针对飞机钛合金薄壁构件的磁-热同步再制造方法，采用如下装置实施，所述装置包括工作台、亥姆霍兹线圈、激光器、旋转磁场装置、高速相机、PLC控制系统；其中，亥姆霍兹线圈是由两个平行线圈构成的，两个平行线圈分别位于工作台的上下两侧面，激光器位于激光热效应导致的熔池的正上方并能够沿着待修复垂尾主梁表面的长边运动，旋转磁场装置与激光器固定在一起并位于垂尾主梁待修复表面的正上方；高速相机位于垂尾主梁待修复表面正前方，激光器、旋转磁场装置和高速相机与PLC控制系统信号连接，其特征在于：通过垂直于激光行进方向的匀强磁场定量控制熔池冷却时间，减缓冷却速度；同时，通过高速相机反馈的信号，改变位于熔池上方的旋转磁场角度使之始终垂直于熔池凸面的切线方向，通过变角度磁场力消除熔池自身重力的分力，减缓熔池流动，改善激光修复过程中凝固层变薄的现象，从而改善垂尾主梁薄壁构件修复过程中的端面塌陷现象，具体步骤如下：
(1)将待修复垂尾主梁置于工作台上，并对待修复的表面进行表面处理；
(2)将由两个平行线圈构成的亥姆霍兹线圈分别置于工作台和待修复试样的上下两侧，使磁场方向垂直于待修复垂尾主梁表面的长边；
(3)打开激光器，使激光器沿着待修复垂尾主梁表面的长边运动，同时旋转磁场装置以相同的速度与激光器沿同一方向运动进行激光修复；
(4)当激光热效应作用于修复表面并形成熔池时，高速相机跟随熔池，并采集熔池信息，得到其凸面曲率为θ，熔池与待修复垂尾主梁的固液接触角为α；
(5)将高速相机采集的信息反馈于控制系统，调节旋转磁场的方向，使旋转磁场方向为β，磁场的旋转角度β和凸面曲率θ以及熔池与待修复垂尾主梁的固液接触角α，满足：θ＝2α＝180°-2β；
(6)旋转磁场方向随激光前进方向及采集的熔池形状改变，并作用于熔池，旋转磁场装置的磁场力F满足F＝(M+G)sinθ/2，其中θ为凸面曲率，G为熔池的重力，M为气固两相流的影响力；
(7)重复步骤(1)-(6)，完成整个垂尾主梁薄壁构件的修复。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的对待修复的表面进行表面处理指：使用400目水砂纸对待修复的表面进行表面打磨处理，使其表面粗糙度大于5μm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，构成亥姆赫兹线圈的两线圈之间的距离h满足h＝R，其中R为线圈半径；亥姆霍兹线圈所通的电流大小与磁场强度满足：
Figure FDA0003493507190000021
其中n为线圈匝数，I为所通电流大小，μ0为磁常数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，激光器的运动速度为10mm/s；激光修复的参数为：激光功率280-320W，送粉速度为100-1000mm/min，光斑直径为0.12-0.14mm，每层厚度为0.05mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，所采用的高速相机参数为分辨率为456×608，采集频率为每秒25帧，窄带滤光片中心波长为600～650nm。
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