CN113967793A - 一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，属于铝合金修复的成形控制技术领域。在激光修复过程中，通过循环水冷却系统控制成形，冷却系统由不锈钢循环水冷却板、K型热电偶、零件夹具、温度监控仪和水冷机等关键部件构成。该冷却系统可以通过对基板温度的实时监控，使基板温度均匀降低。通过设置正确的循环水冷却温度与冷却时间，使修复过程中的热积累有效减少，从而细化组织，减少孔隙率，提高合金性能，改善成形质量。该冷却方法及冷却装置在铝合金基材冷却方面有具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金修复的成形控制技术领域，具体涉及一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法。
背景技术
随着轻量化的提出，铝合金低密度的物理特性在航空航天、交通运输等方面有着越加广泛的应用。其中就包括2A50锻铝合金，旧称LD5锻铝合金，属于形变铝合金的一种，主要元素有Al、Mg、Si、Cu。具有良好的热塑性，可通过固溶处理和时效来提高力学性能。同时2A50铝合金由于具有低密度、高强度、热加工性能好等优点，受到航空航天方面的很大青睐，广泛应用于制造形状复杂、比强度高的受力结构件，如：各类民用飞机或歼击机的接头、机身框架、翼梁、大梁、离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等部位。
随着20世纪60年代激光概念的引入，激光技术与自动化生产紧密的结合在一起，激光增材技术也随之产生。增材制造技术作为一种新型的高柔性技术在航空航天以及国防军工领域展现出广泛的应用前景，增材制造技术在修复应用方面的优势也日渐显著。激光增材修复技术较传统修复方式的优势在于激光源为高能量密度光源，热输入量小，修复后零件内应力及变形量小，修复件基体与修复区域冶金结合界面良好，不会发生脱落、剥离等问题；同时在修复过程中，温度梯度高及快速冷却的加工特点使其组织易形成均匀细小的优良组织，力学性能不低于或者高于零件本身的力学性能。但是2A50锻铝合金在激光加工方面由于其物理原因有着技术难点，如：对激光具有较高的反射率、能量吸收率低、导热率高、熔点低，这些都会导致成形过程中热积累愈加严重，微观组织上出现气孔、疏松及氧化物夹杂等缺陷，宏观上出现坍塌、开裂、尺寸精度不易控制的现象。因此，必须解决在激光加工过程中的热量积累问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，该方法是在对2A50锻铝合金修复过程中，通过循环水冷却系统控制成形，可以显著的降低铝合金激光修复过程中的热积累问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，该方法是采用激光增材制造工艺对2A50锻铝合金进行修复过程中，采用循环水冷却系统控制成形，从而提高成型质量。
所述循环水冷却系统包括循环水冷却板和水冷机，其中：所述循环水冷却板内具有通入循环冷却水的空腔，空腔与所述循环水冷却板上设置的进水管道和出水管道相连通，进水管道和出水管道与所述水冷机连接；待修复工件(基板)通过工件夹具固定于所述循环水冷却板的上表面，且待修复工件的底面与所述循环水冷却板之间涂覆导热硅酯。
所述循环水冷却板为不锈钢材质。
所述循环水冷却系统还包括K型热电偶和温度监控仪，所述K型热电偶预埋设于待修复工件内，K型热电偶与温度监控仪相连接。
所述成形质量控制方法具体包括如下步骤：
(1)待修复工件(基板)预处理：
对基板进行开孔，准备出能够预埋热电偶的孔尺寸，并将基板底面打磨平整；
(2)将基板(确保底面平整)进行超声波清洗10分钟，除去表面油污等杂质，随后在基板底面均匀涂抹导热硅脂；使用夹具将基板固定在循环水冷却板上，循环水冷却板与基板之间紧密贴合；将热电偶连接温度检测仪，将循环水冷却板上的进水管道与出水管道连接冷水机；
(3)设置循环水温度为7℃，通过激光熔化逐层堆积材料实现受损工件的修复；在铝合金工件修复过程中，由于激光功率较高，沉积过程升温速度很快，要保证实时对温度进行检测，每沉积6层就停止，等待温度降低至40-55℃，再进行下一层的沉积。
本发明具有以下优点：
1.通过合理的控制冷却温度与冷却时间，可以减缓增材与修复过程中的热积累现象，防止出现成形部分由于温度过高而坍塌的现象。
2.对于较大尺寸铝合金结构件而言，在增材修复过程中使用循环冷却的方式，可以减少为了避免坍塌而等待的时间，从而较明显的提高加工效率(堆积速度)。
3、本发明中的循环水冷却板内含进水、出水通路，不会受到激光高温影响。
附图说明
图1为本发明循环水冷却系统原理图。
图2为本发明循环水冷却系统安放原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详述。
本发明提供一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，该方法是采用激光增材制造工艺对2A50锻铝合金工件进行修复，修复过程中，采用循环水冷却系统控制成形，从而提高成型质量。
如图1-2所示，所述循环水冷却系统包括循环水冷却板和水冷机，其中：所述循环水冷却板为不锈钢材质，循环水冷却板内具有通入循环冷却水的空腔，空腔与循环水冷却板上设置的进水管道和出水管道相连通，进水管道和出水管道分别连接所述水冷机，通过水冷机调控循环水温度，达到控制基板温度的作用；待修复工件(基板)通过工件夹具固定于所述循环水冷却板的上表面，且待修复工件的底面与所述循环水冷却板之间涂覆导热硅酯。导热硅脂作为传热介质，能有效将基板中的热量传递到冷却板中，并通过冷却板内的循环冷却水将热量带走。
所述循环水冷却系统还包括K型热电偶，K型热电偶预埋设于待修复工件内，K型热电偶与温度监控仪相连接，用于实时监测试验过程中工件温度变化，冷却温度达到预设要求时，进行试验；超过时停止。
采用所述循环水冷却系统，进行合理的温度控制，可以显著的改善增材修复过程中热积累问题。在整个增材修复过程中，选择合适的冷却温度以及冷却时间是控制好热量积累的重要因素。另外对导热硅脂的均匀涂抹，提高均匀导热的能力，减少热量积累，同时可以避免不同位置处存在温度差异，避免显微组织不均匀问题，同时可以避免宏观上凹凸不平的现象。
冷却温度设置要综合考虑冷却机能够提供循环水的温度、温度梯度对成形的影响、成形效率、热积累能否减缓等。冷却温度设置过高，达不到冷却效果，热积累无法有效减缓，需要较长的加热时间会显著降低成形效率；温度设置过低，水冷机循环环境达不到预设要求，无法控制变量因素。冷却时间的控制主要依靠温度监控，基板温度在40-60℃内，修复工作便可以继续。
实施例1：
利用激光增材修复技术对待修复2A50锻铝合金基板进行成形质量控制，具体包括如下步骤：
(1)待修复基板进行开孔，准备出能够预埋热电偶的孔尺寸，并将基板底面打磨平整；
(2)将基板(确保底面平整)进行超声波清洗10分钟，除去表面油污等杂质，随后在基板底面均匀涂抹导热硅脂；使用夹具将基板固定在循环水冷却板上，循环水冷却板与基板之间紧密贴合；将热电偶连接温度检测仪，将循环水冷却板上的进水管道与出水管道连接冷水机；
(3)设置循环水温度为7℃，通过激光熔化逐层堆积材料实现受损工件的修复；在铝合金工件修复过程中，由于激光功率较高，沉积过程升温速度很快，要保证实时对温度进行检测，每沉积6层就停止，等待温度降低至50℃，再进行下一层的沉积。
对比未采用和采用本发明冷却系统进行增材修复的过程得到以下结论：在未对基板施加冷却的情况下，工件在激光沉积加工过程中产生较大的热积累。沉积层表面温度升高使得其对激光吸收率增大，进而使得熔池尺寸增大并提高了重熔率。这一点在沉积试样的宏观形貌尺寸上表现为，沉积试样的宽度提升高度降低，且顶层占比增加；在对基板施加冷却的情况下，同样具有类似的冷却条件与宏观尺寸之间的关系。基板的冷却条件对沉积层内部孔隙缺陷情况具有一定的影响。在有冷却的情况下，沉积层内部的孔隙率随着冷却温度的降低和冷却时间的增加而降低。此外，从总体上来看较长的冷却时间可以降低沉积层内部孔隙缺陷的尺寸。并且有冷却条件时，组织得到更多的细化，并且具有更好的拉伸性能。同时，使用冷却装置设备进行修复的成形效果良好，未出现坍塌等现象。
Claims (6)
1.一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：该方法是采用激光增材制造工艺对2A50锻铝合金进行修复过程中，采用循环水冷却系统控制成形，从而提高成型质量。
2.根据权利要求1所述的面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：所述循环水冷却系统包括循环水冷却板和水冷机，其中：所述循环水冷却板内具有通入循环冷却水的空腔，空腔与所述循环水冷却板上设置的进水管道和出水管道相连通，进水管道和出水管道与所述水冷机连接；待修复工件通过工件夹具固定于所述循环水冷却板的上表面，且待修复工件的底面与所述循环水冷却板之间涂覆导热硅酯。
3.根据权利要求2所述的面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：所述循环水冷却板为不锈钢材质。
4.根据权利要求2所述的面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：所述循环水冷却系统还包括K型热电偶和温度监控仪，所述K型热电偶预埋设于待修复工件内，K型热电偶与温度监控仪相连接。
5.根据权利要求1-4任一所述的面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)待修复工件预处理：
对基板进行开孔，准备出能够预埋热电偶的孔尺寸，并将基板底面打磨平整；
(2)将基板进行超声波清洗10分钟，除去表面油污等杂质，随后在基板底面均匀涂抹导热硅脂；使用夹具将基板固定在循环水冷却板上，循环水冷却板与基板之间紧密贴合；将热电偶连接温度检测仪，将循环水冷却板上的进水管道与出水管道连接冷水机；
(3)设置循环水温度为7℃，通过激光熔化逐层堆积材料实现受损工件的修复。
6.根据权利要求5所述的面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法，其特征在于：步骤(3)在铝合金工件修复过程中，由于激光功率较高，沉积过程升温速度很快，要保证实时对温度进行检测，每沉积6层就停止，等待温度降低至40-55℃，再进行下一层的沉积。
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