CN113084197A - 基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法 - Google Patents

基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，在进行激光修复时，将待修复薄壁结构零件的修复平面调整至一定的倾斜角度，并采用点动模式，逐点进行修复。本发明的方法通过点动模式对薄壁结构零件进行修复，克服现有激光增材制造技术对薄壁结构零件修复过程易出现激光烧穿、零件变形的问题。

Description

基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言涉及一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法。
背景技术
金属增材制造是利用激光或电子束等作为热源，在基底材料上生成熔池，同时通过送粉系统将粉末材料直接输送到激光熔池中，利用激光能量将金属粉末熔化，随着激光光斑的移动，进入熔池并熔化的粉末凝固后与基底材料形成冶金结合，通过激光熔池斑点的移动形成熔覆道，多道搭接形成熔覆面，面与面的层层堆叠形成三维实体，由点-线-面-体依次成型成三维零件实体。
目前这种金属增材制造技术多用于快速成型制造和大厚度零件的表面熔覆，工艺上也多采用直线扫描的连续打印策略，但这种逐道搭接堆积的增材制造技术，在连续打印加工时，出现热量累积效应，已成型区温度会急剧增加。因此，当进行零件修复，而修复零件厚度较薄时，极易造成零件结构变形、激光烧穿烧漏等问题，会破坏零部件基体的性能，降低薄壁结构的可修复性而使修复后无法使用。
公开号为CN108213713A的中国专利公开了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，其过渡层采用脉冲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。但该种方法在薄壁零件修复时容易出现零件背面焊漏、零件变形等风险，且采用过渡层修复，多次修复增加了热变形风险。
公开号为CN106808121A的中国专利公开了一种用于在薄壁零件补焊修复锅中防止薄壁零件变形的方法，其根据薄壁零件的缺陷部位的位置、形状、缺陷程度和所需要实施的补焊操作的焊接强度确定支撑筋的形状、数量、尺寸和布置位置，再通过焊接将所述支撑筋接合至所述布置位置，从而防止薄壁零件变形。但该种方法具有一定的局限性，其要求修复零件本身具有支撑筋结构，而焊接热源较激光热源热输入大，存在较大的热影响区，无法有效解决修复过程中的应力变形问题，且此方法增加了焊接、热处理等工序，工艺难度复杂，技术难度增加。
公开号为CN108406223A的中国专利公开了一种薄壁类零件的焊接修复方法及装置，包括对薄壁类零件进行预热和防过热处理，在薄壁类零件焊接处的背侧轧制或粘合一层低熔点金属薄片，利用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，实现零件局部的高效冷却，进而防止薄壁类零件在焊接过程中过度受热而出现变形或烧穿现象。但该种方法修复前需要在零件焊接处的背侧轧制或粘合一层低熔点金属薄片，防止零件在焊接过程中过度受热而变形或烧穿，而焊接热源较激光热源热输入大，存在较大的热影响区，无法有效解决修复过程中的应力变形问题，且容易引入杂质金属。
现有技术文献：
专利文献1：CN108213713A
专利文献2：CN106808121A
专利文献3：CN108406223A
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，该方法通过点动模式对薄壁结构零件进行修复，克服现有激光增材制造技术对薄壁结构零件修复过程易出现激光烧穿，零件变形等的问题，且工艺过程简单，修复的零价质量高。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，包括：
装夹待修复的薄壁结构零件；
调整薄壁结构零件的修复平面的倾斜角度，使其与激光熔覆加工头的轴线成设定的角度；
采用与所述待修复薄壁结构零件的基体材质成分一致的修复粉末，按照点动修复路径和激光修复工艺参数，执行激光熔覆加工；
其中，在加工过程中，激光熔覆加工头被设置成以逐点打印的点动方式、并采用逐层打印的方式执行熔覆加工，直到完成打印过程。
优选地，所述薄壁结构零件的壁厚为1-10mm。其中，在激光熔覆加工过程中，逐点打印的修复点与修复点之间的间距控制在1-3mm。
优选地，逐层打印的每层熔覆层的修复厚度为0.5-1mm。
优选地，对于圆盘类薄壁零件，按圆环路径执行激光熔覆加工，采用由外向内的方式均布打点修复。
优选地，对于平面薄壁零件，按直线逐行均布打点修复。
优选地，对于不规则形状薄壁零件，采用随形方式编制打点修复路径。
优选地，如果修复区厚度不均匀，则控制打点修复路径从修复区厚的区域开始，逐步向厚度薄的区域修复。
优选地，如果待修复区等厚度，则打点修复路径从待修复区的一端点开始，逐步向另一端点修复。
优选地，所述倾斜角度的调整包括：
调整修复平面与所述加工头间之间的夹角θ为45°
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用高能量密度的激光作为热源，激光光斑小，能量更集中的优势，从热源上有效的控制了修复过程的热输入，有效减少了热影响区，有利于薄壁件的变形控制；
2、结合激光打点的修复方式，逐点修复，变传统的线加热为点加热，且打点修复激光加热时间短，修复点与点之间采用停留散热，避免了连续加热带来的热积累效应，减小了工件热积累变形风险；同时，采用修复基体与加工光斑倾斜的方式，增加了热源作用方向截面厚度，避免了薄壁焊漏变形等风险，从而在不破损基材的前提下增加了修复点基材厚度，克服了薄壁影响；
3、本发明的点动修复方式修复薄壁结构零件，修复工艺简单，修复快捷，过程方便可靠，且修复过程中无需添加额外工装，不会引入异质金属，并通过控制修复点与点之间的间距，合理的控制搭接量，从而获得平整、致密的修复表面，修复的零件质量更好。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1、图2为本发明的点动修复示意图。
图3a为修复前的圆环形状工件的示意图。
图3b具体实施例修复过程中的工件形貌照片。
图3c为具体实施例修复后的工件形貌照片。
图4a和4b为对实施例的工件修复后的微观组织金相图，其中图4a为1：500倍率下的组织图，图4b为1：1000倍率下的组织图。
图中主要部件说明：
1、转台工作平面；2、待修复工件；3、完成的修复点；4、输送的粉末材料；5、激光光源光束；6、激光加工头。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。
结合图1、图2所示，本发明提出一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，在进行激光修复时，将待修复薄壁结构零件的修复平面调整至一定的倾斜角度θ，并采用点动模式，逐点进行修复，一方面使用点加热，避免加工过程中热源对薄壁零件的变形影响，另一方面，将修复表面与加工头倾斜，可增加热源作用方向截面厚度，避免了加工过程中可能的薄壁焊漏和变形风险。
具体的，将待修复工件2以一定的倾斜角度θ固定在转台工作平面1上，采用送粉打印的方式，边送粉，边进行打点修复。
作为本发明实施例性实施，前述具体的实施过程包括如下步骤：
装夹固定待修复零件，并调整修复平面的倾斜角度小于90°；
根据编制打点修复工艺路径以及激光修复工艺参数，采用与修复基体材质成分一致的修复粉末，按照点动修复路径和激光修复工艺参数，执行激光熔覆加工；
其中，在加工过程中，激光熔覆加工头被设置成以逐点打印的点动方式、并采用逐层打印的方式执行熔覆加工，直到完成打印过程。
在修复完成后，我们还对修复后零件的修复区域表面进行机加工，并检测修复件是否合格。
在优选的实施例中，以待修复薄壁结构零件的修复表面为加工面。在执行修复工艺前，还包括对待修复的薄壁结构零件的表面处理。
尤其是，对待修复的薄壁结构零件表面打磨去除氧化皮，并用丙酮对修复表面进行清洗，去除表面油污。待干燥后可进行点动修复工艺。
在具体的实施例中，编制的修复工艺路径为点动模式，且修复点与修复点之间的间距控制在1-3mm之间，从而合理的控制搭接量，以获得较为平整、致密的修复表面。尤其在打印过程中，控制修复点与修复点之间的间隔一定的时间间隔，以使零件在下一个点修复前，获得充足的冷却时间，减少小热积累变形倾向。尤其优选的，打印时间间隔为3-5s。
在更具体的实施例中，根据修复区几何特征，打点路径选择采用直线打点、环形打点或者随形打点。例如，圆盘类薄壁零件，可按圆环路径由外向内均布打点；若为平面薄壁零件，可按直线逐行均布打点；若为不规则薄壁零件，需随形编制打点路径。
在另一具体的实施例中，当修复区厚度不均匀时，打点路径从修复区厚的区域开始，逐步向厚度薄弱区修复，避免变形的风险。
当修复区等厚度时，从修复区的一端点开始，逐步向另一端点修复，避免从中心区域开始修复导致应力不均匀，从而造成变形的风险。
在根据待修复零部件进行激光工艺编制时，激光修复工艺参数应根据修复所用材料进行工艺测试，测试原则为：在保证修复效果的前提下，热输入尽量小，以控制零件热应力不变形。
优选地，激光修复工艺参数为：激光打点功率为300-2000W，激光打点时间为0.2-1s，激光打点光斑尺寸为0.5-6mm，较小的光斑，能有效控制修复过程的热输入，搭接量为10％-50％，送粉量为5-10g/min，位移速度为10mm/s。
激光修复工艺中，采用波长为1.064μm的光纤激光器或波长为970μm的半导体激光器为热源。
在其中一个实施例中，调整修复平面的倾斜角度的具体方法为：调整修复面与加工头间的夹角θ为45°，以确保激光熔深方向的薄壁截面最厚。
在具体修复过程中，往往希望逐层打印的每个修复层的厚度足够大，以期望能够减少修复次数，有效控制零件热应力变形，但如果层厚过大，则需要较大的热输入以保证结合效果，而大的热输入容易烧穿零件引起结构变形，且厚度过大容易带来相邻点间的搭接问题，造成修复区不平整，在本发明的实施例中，每层修复的熔覆层的修复厚度为0.5-1mm，以提高修复效率，并保证结合效果。
在具体的实施例中，装夹待修复薄壁结构零件的工作台为双轴转台，旋转轴能实现360°旋转，摆动轴可±90°翻转。
根据上述基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，该方法可用于修复壁厚为1-10mm的薄壁结构零件。
为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，但制备工艺不限于此，且本发明内容不限于此。
【实施例1】
结合图3a，本实施例的待修复的薄壁结构零件的基础材质为TC4钛合金，零件为圆环结构，沿直径方向中心厚，边缘薄，最薄处2mm，中心区域5mm厚，表面因机加过量而造成尺寸缺失。
通过本发明的工艺，采用增材的方式在零件表面再生长2mm厚度的修复层，恢复零件的装配尺寸。
具体步骤如下：
(1)根据零件修复区几何特征，编制修复工艺路径：
基于圆环结构的零件尺寸，修复路径沿中心5mm处开始向边缘薄弱区逐层过渡修复的路径策略，避免了直接从薄弱区修复焊漏的风险。
(2)根据零件材质特征，选用同材质的TC4钛合金粉末，粉末粒径75-153微米，制定激光修复工艺：打点功率为800W，打点时间控制为1s，打点间距为2mm，搭接率为40％，送粉量为6g/min。
(3)打印开始前，对前述TC4圆环零件进行表面打磨去除氧化皮，并用丙酮对修复表面进行清洗，去除表面油污；对处理好的零件进行装夹固定，并调整修复平面倾斜角度为45°，确保了激光熔深方向的薄壁截面厚度最大。
(4)按制定的工艺路径，由圆环中心向外侧逐圈修复，每圈打点修复，打点时间间隔5秒，使零件在下一个点修复前，获得充足的冷却时间，减少小热积累变形倾向。打点间距为2mm，获得较为平整的修复表面，打完一点，变位机C轴旋转当前圆环2mm弦长角度，进行下一点修复；修复完一圈后，加工头沿直径方向移动2mm，进行下一圈修复。
完成一层修复后，加工头抬升0.5mm，回到初始位置继续进行第二层修复，依次逐层完成零件激光增材制造修复，每层修复厚度为0.5mm，共修复了8层。
修复完成后，我们对修复后零件修复区域表面进行机加工，并尺寸检测和无损检测，检测修复件是否合格。
修复零件要求：最薄处厚度不低于4mm，变形量不超过0.2mm，对修复后的圆环结构零件进行厚度测试，经测量，修复层厚度为4mm，满足该零件后续机加余量2mm厚度的要求。
结合图3b、3c所示，对修复后工件变形量检查，修复后的工件无鼓包、焊漏等宏观缺陷，对修复后工件进行变形量检测，背部变形量在0.1mm以内，尺寸精度满足装配精度0.2mm以内变形要求。由此，通过本发明的方法进行零件表面修复，克服现有激光增材制造技术对薄壁结构零件修复过程易出现激光烧穿、零件变形的问题。
结合图4a和4b的TC4钛合金修复后样件的微观组织测试图，可见在发明的点动修复工艺下，形成非常典型的网篮组织，且组织较为致密，组织中未发现有空隙、未熔合等组织缺陷，成形质量较好。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，包括：
装夹待修复的薄壁结构零件；
调整薄壁结构零件的修复平面的倾斜角度，使其与激光熔覆加工头的轴线成设定的角度；
采用与所述待修复薄壁结构零件的基体材质成分一致的修复粉末，按照点动修复路径和激光修复工艺参数，执行激光熔覆加工；
其中，在加工过程中，激光熔覆加工头被设置成以逐点打印的点动方式、并采用逐层打印的方式执行熔覆加工，直到完成打印过程。
2.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，所述薄壁结构零件的壁厚为1-10mm。
3.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，在激光熔覆加工过程中，逐点打印的修复点与修复点之间的间距控制在1-3mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，逐层打印的每层熔覆层的修复厚度为0.5-1mm。
5.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，对于圆盘类薄壁零件，按圆环路径执行激光熔覆加工，采用由外向内的方式均布打点修复。
6.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，对于平面薄壁零件，按直线逐行均布打点修复。
7.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，对于不规则形状薄壁零件，采用随形方式编制打点修复路径。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，如果修复区厚度不均匀，则控制打点修复路径从修复区厚的区域开始，逐步向厚度薄的区域修复。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，如果待修复区等厚度，则打点修复路径从待修复区的一端点开始，逐步向另一端点修复。
10.根据权利要求1-7中任意一下所述的基于激光增材制造的薄壁结构零件点动修复方法，其特征在于，所述倾斜角度的调整包括：
调整修复平面与所述加工头间之间的夹角为45°。
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