CN113245744A - 一种铝铜系合金铸件修复材料及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝铜系合金铸件修复材料及修复方法，其中修复材料的化学成分重量百分比为：铜3.5%~4.5%，硅2%~4%，锰0.3%~0.5%，钛0.15%~0.35%，锆0.15%~0.35%，镧0.15%~0.35%，余量为铝和不可避免的杂质；修复方法包括如下步骤：将上述的铝铜系合金铸件修复材料制成专用焊丝；将铝铜系合金铸件缺陷部位清理后形成V形凹坑；采用三维激光扫描仪扫描V形凹坑，并在软件中生成V形凹坑的3D打印路径；根据预设的3D打印路径，采用专用焊丝进行缺陷部位的3D打印激光修复。本发明中焊补材料通过降低合金中的铜含量从而降低合金本征的缺陷趋向，降低了焊接修复过程中的热裂、缩松、偏析等缺陷，克服了手工焊修复中的不可控因素。

Description

一种铝铜系合金铸件修复材料及修复方法

技术领域

本发明属于铝铜系合金铸件修复技术领域，尤其涉及一种铝铜系合金铸件修复材料及修复方法。

背景技术

铝铜系合金属于可热处理强化的高强度铝合金，常用的铝铜系铸造铝合金包括ZL201、ZL205、ZL210等已广泛应用于航空、航天、兵器等领域。然而，铝铜系合金由于铜含量较高，结晶温度区间较宽，合金的流动性能差，浇注的铸件极易出现浇不足、缩松、裂纹等缺陷，缺陷发生率较高，也在一定程度上限制了该合金的进一步广泛应用。

生产过程中铸件产生的大部分缺陷面积都比较小，可以通过焊补的方法进行修复，从而提高产品合格率，降低各种原材料消耗及生产成本。然而，铝铜系合金本身容易出现缺陷，焊补过程中在快速凝固的条件下更容易出现焊接裂纹、气孔等缺陷。焊补热裂纹等缺陷与焊接方法、焊接工艺等因素相关，但更重要的是焊补用材料。传统的修复方式是采用同牌号合金焊丝通过钨极氩弧焊的方法进行手工焊补，焊丝本身没有采取抗热裂的措施，同时由于手工焊接，补焊过程不易控制，工艺一致性差，补焊部位反复出现裂纹等缺陷，补焊修复的合格率极低，造成大量的人、财、物浪费。现有技术中对于铝铜合金铸件或其他零件的补焊问题还没有有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种铝铜系合金铸件修复材料及修复方法，其包含铝铜系焊接修补专用材料焊丝制备、三维扫描缺陷部位、生成3D打印路径及3D打印修复等步骤，从而解决了现有补焊过程不易控制，工艺一致性差，补焊部位反复出现裂纹等问题。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

本发明第一方面提供一种铝铜系合金铸件修复材料，所述铝铜系合金铸件修复材料的化学成分重量百分比为：铜3.5%~4.5%，硅2%~4%，锰0.3%~0.5%，钛0.15%~0.35%，锆0.15%~0.35%，镧0.15%~0.35%，余量为铝和不可避免的杂质。

作为本发明的进一步说明，所述铝铜系合金铸件修复材料包含Al-12Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5La、Al-5Ti、Al-5Zr中间合金及99.95%纯铝锭。

作为本发明的进一步说明，所述杂质的重量百分比为：铁≤0.1％，镁≤0.05％，锡≤0.05％。

本发明第二方面提供一种铝铜系合金铸件修复方法，包括如下步骤：

将上述任一项所述的铝铜系合金铸件修复材料制成专用焊丝备用；

将铝铜系合金铸件缺陷部位清理后形成V形凹坑；

采用三维激光扫描仪扫描所述V形凹坑，并在软件中生成所述V形凹坑的3D打印路径；

根据预设的所述3D打印路径，采用所述专用焊丝进行所述缺陷部位的3D打印激光修复。

作为本发明的进一步说明，上述的将铝铜系合金铸件修复材料制成专用焊丝备用，具体包括：

按照上述任一项所述的铝铜系合金铸件修复材料的化学成分配比配制铝铜系合金焊接修补专用材料；

将所述修补专用材料熔炼后浇注成铸锭；

浇注的所述铸锭经开坯、挤压、拉拔、光亮化处理形成专用焊丝待用。

作为本发明的进一步说明，所述专用焊丝的直径为Φ1mm~Φ2mm。

作为本发明的进一步说明，所述V形凹坑的V形角度控制在120度至150度之间。

作为本发明的进一步说明，所述在软件中生成所述V形凹坑的3D打印路径具体包括：

在软件中与所述铝铜系合金铸件原始三维模型进行布尔求差运算，得到所述V形凹坑的三维模型；

对所述V形凹坑进行剖分，最终生成所述V形凹坑的3D打印路径。

作为本发明的进一步说明，所述3D打印激光修复过程中的工艺参数设置为：激光功率2500W~3500W，光斑直径0.3mm，焊接速度1500mm/min~2500mm/min。

作为本发明的进一步说明，所述3D打印激光修复过程中以高纯氩气为保护气体，流量为 15L/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

根据铝铜二元相图可知，铝合金铜含量在5.6%附近结晶温度区间最大，随着铜含量减少结晶温度区间逐渐减小，形成裂纹、偏析的趋向性越小。目前商业广泛应用的铝铜系合金其铜含量均在4.5%~6.5%之间，因此，商业牌号的铝铜系合金具有本征的强烈的热裂、缩松、偏析等缺陷趋向。本发明中焊补材料通过降低合金中的铜含量从而降低合金本征的缺陷趋向，由铜含量降低引起的强度损失由添加的硅元素及钛、锆、镧元素补齐，同时，由于Si元素的加入，合金的流动能力增强，合金本征的补缩能力增强，钛、锆、镧元素的同时加入，起到了细化组织及增强最后凝固部位液膜厚度，降低热裂敏感性的作用，采用本材料制成的焊丝从根本上降低了焊接修复过程中的热裂、缩松、偏析等缺陷趋向而不降低焊接部位的力学性能。

其次，本发明中的基于激光3D打印技术的修复方法，克服了传统手工焊修复过程中的不可控因素，配合专用焊丝，工艺简单、操作方便，可靠性高，一次修复成功，从铸件及零部件的挽救角度及补焊过程不发生反复的角度均实现了降耗节约的目的，提高了铸件的交付周期准确度，极大的降低了生产成本。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

提供一种铝铜系合金铸件修复方法，包括如下步骤：

步骤1：采用Al-12Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5La、Al-5Ti、Al-5Zr中间合金及99.95%纯铝锭，按照：铜3.5%，硅4%，锰0.5%，钛0.35%，锆0.35%，镧0.35%，余量为铝和不可避免的杂质（杂质的重量百分比为：铁≤0.1％，镁≤0.05％，锡≤0.05％）的化学成分配制铝铜合金焊接修补专用材料，在电阻炉中进行熔炼均匀化后浇注成铸锭；浇注的铸锭经开坯、挤压、拉拔、光亮化处理形成Φ1mm的专用焊丝待用；

步骤2：采用砂轮、旋转锉等工具将铝铜合金铸件缺陷部位清理干净，形成V形凹坑，V形角度控制在120度左右；

步骤3：采用三维激光扫描仪扫描V形凹坑，在软件中与铸件原始三维模型进行布尔求差运算，得到V形凹坑的三维模型；对V形凹坑进行剖分，生成V形凹坑的3D打印路径；

步骤4：采用上述专用焊丝进行激光补焊，3D打印机根据预设轨迹，以高纯氩气为保护气体，流量为 15L/min，激光功率2500W，光斑直径0.3mm，焊接速度1500mm/min进行3D打印修复缺陷部位；

步骤5：修补后的铸件经打磨精抛、X光及荧光检验，修补部位无裂纹、缩松、气孔等缺陷。

实施例2：

提供一种铝铜系合金铸件修复方法，包括如下步骤：

步骤1：采用Al-12Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5La、Al-5Ti、Al-5Zr中间合金及99.95%纯铝锭，按照：铜4%，硅3%，锰0.4%，钛0.25%，锆0.25%，镧0.25%，余量为铝和不可避免的杂质（杂质的重量百分比为：铁≤0.1％，镁≤0.05％，锡≤0.05％）的化学成分配制铝铜合金焊接修补专用材料，在电阻炉中进行熔炼均匀化后浇注成铸锭；浇注的铸锭经开坯、挤压、拉拔、光亮化处理形成Φ1.5mm的专用焊丝待用；

步骤2：采用砂轮、旋转锉等工具将铝铜合金铸件缺陷部位清理干净，形成V形凹坑，V形角度控制在135度左右；

步骤3：采用三维激光扫描仪扫描V形凹坑，在软件中与铸件原始三维模型进行布尔求差运算，得到V形凹坑的三维模型；对V形凹坑进行剖分，生成V形凹坑的3D打印路径；

步骤4：采用上述专用焊丝进行激光补焊，3D打印机根据预设轨迹，以高纯氩气为保护气体，流量为 15L/min，激光功率3000W，光斑直径0.3mm，焊接速度2000mm/min进行3D打印修复缺陷部位；

步骤5：修补后的铸件经打磨精抛、X光及荧光检验修补部位无裂纹、缩松、气孔等缺陷。

实施例3：

提供一种铝铜系合金铸件修复方法，包括如下步骤：

步骤1：采用Al-12Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5La、Al-5Ti、Al-5Zr中间合金及99.95%纯铝锭，按照：铜4.5%，硅2%，锰0.3%，钛0.15%，锆0.15%，镧0.15%，余量为铝和不可避免的杂质（杂质的重量百分比为：铁≤0.1％，镁≤0.05％，锡≤0.05％）的化学成分配制铝铜合金焊接修补专用材料，在电阻炉中进行熔炼均匀化后浇注成铸锭；浇注的铸锭经开坯、挤压、拉拔、光亮化处理形成Φ2mm的专用焊丝待用；

步骤2：采用砂轮、旋转锉等工具将铝铜合金铸件缺陷部位清理干净，形成V形凹坑，V形角度控制在150度左右；

步骤3：采用三维激光扫描仪扫描V形凹坑，在软件中与铸件原始三维模型进行布尔求差运算，得到V形凹坑的三维模型；对V形凹坑进行剖分，生成V形凹坑的3D打印路径；

步骤4：采用上述专用焊丝进行激光补焊，3D打印机根据预设轨迹，以高纯氩气为保护气体，流量为 15L/min，激光功率3500W，光斑直径0.3mm，焊接速度2500mm/min进行3D打印修复缺陷部位；

步骤5：修补后的铸件经打磨精抛、X光及荧光检验修补部位无裂纹、缩松、气孔等缺陷。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铝铜系合金铸件修复材料，其特征在于，所述铝铜系合金铸件修复材料的化学成分重量百分比为：铜3.5%~4.5%，硅2%~4%，锰0.3%~0.5%，钛0.15%~0.35%，锆0.15%~0.35%，镧0.15%~0.35%，余量为铝和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝铜系合金铸件修复材料，其特征在于，所述铝铜系合金铸件修复材料包含Al-12Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5La、Al-5Ti、Al-5Zr中间合金及99.95%纯铝锭。

3.根据权利要求1所述的铝铜系合金铸件修复材料，其特征在于，所述杂质的重量百分比为：铁≤0.1％，镁≤0.05％，锡≤0.05％。

4.一种铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

将权利要求1-3中任一项所述的铝铜系合金铸件修复材料制成专用焊丝备用；

将铝铜系合金铸件缺陷部位清理后形成V形凹坑；

采用三维激光扫描仪扫描所述V形凹坑，并在软件中生成所述V形凹坑的3D打印路径；

根据预设的所述3D打印路径，采用所述专用焊丝进行所述缺陷部位的3D打印激光修复。

5.根据权利要求4所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述将权利要求1-3中任一项所述的铝铜系合金铸件修复材料制成专用焊丝备用，具体包括：

按照权利要求1-3中任一项所述的铝铜系合金铸件修复材料的化学成分配比配制铝铜系合金焊接修补专用材料；

将所述修补专用材料熔炼后浇注成铸锭；

浇注的所述铸锭经开坯、挤压、拉拔、光亮化处理形成专用焊丝待用。

6.根据权利要求5所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述专用焊丝的直径为Φ1mm~Φ2mm。

7.根据权利要求4所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述V形凹坑的V形角度控制在120度至150度之间。

8.根据权利要求4所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述在软件中生成所述V形凹坑的3D打印路径具体包括：

在软件中与所述铝铜系合金铸件原始三维模型进行布尔求差运算，得到所述V形凹坑的三维模型；

对所述V形凹坑进行剖分，最终生成所述V形凹坑的3D打印路径。

9.根据权利要求4所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述3D打印激光修复过程中的工艺参数设置为：激光功率2500W~3500W，光斑直径0.3mm，焊接速度1500mm/min~2500mm/min。

10.根据权利要求4所述的铝铜系合金铸件修复方法，其特征在于，所述3D打印激光修复过程中以高纯氩气为保护气体，流量为 15L/min。