CN114850887B - 受损回转体零件增材修复与强化方法 - Google Patents

Abstract

受损回转体零件增材修复与强化方法，包括以下步骤：得到受损回转体零件的受损区域；采用铣削加工去除受损部位，在受损回转体零件上形成适合增材修复的形状；得到受损回转体零件的增材区域三维模型；对受损回转体零件的待增材区域进行局部加热，将待增材区域加热到适合电弧增材的温度；对受损回转体零件进行增材修复；对增材修复后的受损回转体零件进行塑性变形；对受损回转体零件的修复区域进行冷热循环处理及局部固溶和时效热处理；得到局部固溶和时效热处理后受损回转体零件较原始回转体零件多余部分；采用车削去除多余部分使得修复后的回转体零件形状与受损前一致。本发明修复与强化的部分，能获得比母材组织更高的力学性能。

Description

受损回转体零件增材修复与强化方法

技术领域

本发明涉及增材修复技术领域，具体是涉及一种受损回转体零件增材修复与强化方法。

背景技术

回转体零件是机械中常见的零件，主要用于装载零件，传递力矩、承受扭矩，在许多领域都有广泛的应用。回转体零件在服役中工况十分复杂，在受到固定的循环载荷，扭矩的同时，还会受到一定的冲击。由于工况的复杂，回转体零件的失效形式多为局部磨损、局部裂纹、局部点蚀等较微小的缺陷。对于回转体零件来说，只是细小的缺陷便需要被报废，但在部分领域中，轴类回转体零件往往尺寸较大，而且制造工艺繁琐、成本高昂。因为较小的缺陷而将零件报废，易造成较多的浪费。

电弧增材技术是将电弧作为热源，熔化原材料丝材，通过运动机构根据预设路径代码完成三维模型的逐层堆积，并最终成形的技术。电弧增材制造因为生产的灵活性被应用于大型构件快速制造。但电弧增材存在较多的缺陷，如生成的构件微观组织晶粒粗大，且内部存在较多的气孔，这些缺陷使得电弧增材制造出的构件力学性能较差而且存在各向异性。

对于受损轴类零件来说，可以对受损部位进行铣削，并采用增材进行堆积来完成受损部位的修复。CN 112122617 A的发明专利公开了一种高性能单晶定向晶涡轮叶片的激光增材修复方法，通过对待修复部分进行激光重熔，修复零件受损区域。但通过增材制造所修复的区域，均为铸造组织，材料内部已出现气孔，疏松等增材制造缺陷，缺少后续塑性变形处理，增材修复的区域和未修复母材之间存在较大的力学性能差异。

去应力退火是一种以去除应力为目的热处理工艺，能在消减构件应力的同时保证构件组织不发生改变。CN 102127762 A的发明专利公开了煤气透平膨胀机叶片损伤后的激光修复方法，在完成了对叶片的增材修复后，进行热处理。具体方法是将叶片整体放入加热炉保温一段时间后再冷却。然而，将叶片修复区域与未修复母材区域一起进行热处理会引起组织及性能差异。对于大部分金属材料来说，通过热处理提升材料力学性能是必不可少的工艺，因此叶片修复区域的增材沉积层必需通过后续热处理提升性能。然而，叶片母材区域在制造过程中经历过塑性变形和热处理工艺，此时再与修复区域一起进行热处理，母材区域经历过多热处理工艺规程，其性能可能存在一定程度下降，而且与修复区域材料存在组织和性能差异，修复区域与母材结合位置可能存在产生缺陷的风险。

以上方案所采用的增材制造修复方式能够将受损构件形状修复至与原构件形状一致，但受制于增材制造铸态组织特征，及后续热处理工艺的选择，增材修复部分与零件母材之间仍存在较大的力学性能差异，影响修复后零件的服役性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种受损回转体零件增材修复与强化方法，将铣削加工、电弧增材、塑性变形、冷热循环处理、局部热处理及车削加工结合；通过塑性变形和深冷循环处理消减增材修复区域内部残余应力，降低变形翘曲程度；且多次将修复与强化过程中的受损回转体零件三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，提升修复后回转体零件的尺寸精度；将塑性变形与局部热处理相结合，通过将增材修复后的铸造组织转变为锻造态组织，从而获得与母材组织相当甚至更高的力学性能。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种受损回转体零件增材修复与强化方法，包括以下步骤：

(1)对受损回转体零件进行清洁；

(2)通过三维扫描仪对受损回转体零件进行扫描，生成受损回转体零件三维模型；

(3)将受损回转体零件三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，得到受损回转体零件的受损区域，包括受损部位形状、尺寸大小；

(4)采用铣削加工去除受损部位，在受损回转体零件上形成适合增材修复的形状；

(5)通过三维扫描仪对铣削后受损回转体零件进行扫描，获得铣削后受损回转体零件的三维模型；

(6)将铣削后受损回转体零件的三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，得到受损回转体零件的增材区域三维模型；

(7)采用增材制造分层切片及路径规划软件对增材区域三维模型进行处理，得到增材修复路径代码；

(8)对铣削出的待增材区域进行打磨处理，去除表面氧化层，并对待增材区域进行清洁；

(9)对受损回转体零件的待增材区域进行局部加热，将待增材区域加热到适合电弧增材的温度；

(10)开启焊接电源，受增材修复路径代码驱动的焊枪对受损回转体零件进行增材修复；

(11)对增材修复后的受损回转体零件进行塑性变形；

(12)变形完成后，对受损回转体零件的修复区域进行冷热循环处理；

(13)冷热循环处理后，对受损回转体零件的修复区域进行局部固溶和时效热处理；

(14)通过三维扫描仪对局部固溶和时效热处理后受损回转体零件进行扫描，获得局部固溶和时效热处理后受损回转体零件的三维模型；

(15)将局部固溶和时效热处理后受损回转体零件的三维模型与原始回转体零件三维模型比对，得到局部固溶和时效热处理后受损回转体零件较原始回转体零件多余部分；

(16)采用车削去除多余部分使得修复后的回转体零件形状与受损前一致。

进一步，所述受损回转体零件为受损轴类零件或受损套筒类零件。

进一步，步骤(4)中，对于受损轴类零件，适合增材修复的形状为U形槽；对于受损套筒类零件，适合增材修复的形状为通过一端面的缺口。

进一步，步骤(11)中，对于受损轴类零件，塑性变形包括以下步骤：

(A)增材修复完成后，焊枪继续运作，在受损轴类零件的表面增材出塑性变形余量；

(B)清理掉修复区域周围焊渣；

(C)采用旋压轮对修复区域进行旋压使得修复部位产生塑性变形。

进一步，步骤(11)中，对于受损套筒类零件，塑性变形包括以下步骤：

(a)增材修复完成后，清理掉修复区域周围焊渣；

(b)采用超声冲击装置或机械锤击装置对修复区域进行冲击处理或机械锤击处理使得修复部位产生塑性变形。

进一步，步骤(C)中，旋压变形关键工艺参数如下：旋压轮材质为高碳钢，旋压轮前角5～30°，旋压轮前角半径2～8mm，旋压进给率10～300r/min，旋压时车床主轴转速1～500r/min，旋轮与模具间隙1～6mm，变形量5～40％和变形温度20～800℃。

进一步，步骤(b)中，超声冲击变形关键工艺参数如下：超声冲击电流1～4A，冲击振幅20～100μm，冲击频率20kHz，冲击工具头直径1～7mm，冲击变形量5～20％和冲击变形温度20～800℃。

进一步，步骤(b)中，机械锤击变形关键工艺参数如下：气体压力0.1～1MPa，锤击频率10～250Hz，锤击头直径1～10mm，锤击变形量5～30％和锤击变形温度20～800℃。

进一步，步骤(12)中，冷热循环处理包括循环的深冷处理和加热处理；其中深冷处理温度-196～-160℃，时长1～4h，通过喷射气化的液氮冷却；加热处理温度20～200℃，时长1～4h，加热方式为移动式在线热源加热，具体为激光加热或感应线圈加热；冷热循环处理次数1～4次，处理后零件冷却至室温。

进一步，步骤(13)中，固溶温度400～900℃，时长1～8h；时效热处理温度100～600℃，时长1～10h，加热方式为移动式在线热源加热，具体为激光加热或感应线圈加热，时效热处理后由焊枪喷出氩气进行气冷至室温。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)将铣削加工、电弧增材、塑性变形、冷热循环处理、局部热处理及车削加工结合，对回转体零件受损部位进行铣削加工后，采用电弧增材在铣削部位进行增材制造，再对增材修复部位进行塑性变形，通过塑性变形消减增材中材料内部缺陷，细化组织，提升力学性能；塑性变形后对修复部位进行冷热循环处理消减回转体零件修复区域内部残余应力值，最后进行局部热处理，通过热处理工艺进一步提升修复部位组织及性能。

(2)在增材修复与强化的过程中，通过塑性变形和冷热循环处理消减回转体零件内部翘曲变形，并多次将修复与强化过程中的受损回转体零件三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，为铣削加工、电弧增材、塑性变形、冷热循环处理、局部热处理及车削加工提供了更加精确的加工及处理依据，进一步保证了修复部位的尺寸精度和力学性能，从而获得与母材组织相当甚至更高的力学性能，确保修复后零件与原始零件尺寸精度一致。

附图说明

图1是本发明实施例1中受损轴类零件的结构示意图。

图2是本发明实施例2中受损套筒类零件的结构示意图。

图中，1—U形槽，2—缺口。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例对受损轴类零件进行修复，受损轴类零件如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)对受损轴类零件进行清洁，除去油污、灰尘，并除去表面锈迹；受损轴类零件形状尺寸为Φ150mm*400mm铝合金轴零件。

(2)通过三维扫描仪对受损轴类零件进行扫描，生成受损轴类零件三维模型。

(3)将受损轴类零件三维模型与原始轴类零件三维模型进行比对，得到受损轴类零件的受损区域，包括受损部位形状、尺寸大小。

(4)采用铣削加工去除受损部位，在受损轴类零件上形成U形槽1(U形槽1如图1所示)；铣刀选用高速钢圆柱形铣刀，铣刀直径为5mm，铣削过程中，铣削速度500r/min，铣削深度0.2mm，进给量为0.06mm。

(5)通过三维扫描仪对铣削后受损轴类零件进行扫描，获得铣削后受损轴类零件的三维模型。

(6)将铣削后受损轴类零件的三维模型与原始轴类零件三维模型进行比对，得到受损轴类零件的增材区域三维模型，也即U形槽三维模型。

(7)采用增材制造分层切片及路径规划软件(选用IungoPNT软件)对U形槽三维模型进行处理，得到增材修复路径代码。

(8)将受损轴类零件固定在与车床主轴相连接的三爪卡盘上，对铣削出的U形槽1进行打磨处理，去除表面氧化层，并采用丙酮试剂对U形槽1进行清洁。

(9)采用激光热源对受损轴类零件的U形槽1进行局部加热，并采用热电偶对加热温度进行检测，将U形槽1加热到适合电弧增材的温度。

(10)开启焊接电源，受增材修复路径代码驱动的TIG焊枪对受损轴类零件进行增材修复；增材焊丝选用直径1.2mm的铝合金焊丝，电弧增材焊接电流为96A，焊枪入射位置和铣削平面夹角为45°；惰性气体采用氩气，气体流量为15L/min；单道焊缝宽度10mm，焊枪移动速度6mm/s，焊丝输出速度7m/min。

(11)待增材修复完成后，TIG焊枪继续运作，在受损轴类零件的表面增材出塑性变形余量。在受损轴类零件的表面增材出塑性变形余量能为后续的塑性变形提供余量，防止被增材修复的部分凹陷下去。

(1 2)清理掉修复区域周围焊渣。

(13)开启车床主轴，驱动受损轴类零件高速旋转，并采用旋压轮对修复区域进行旋压使得修复部位产生塑性变形；旋压轮为高碳钢，旋压轮前角大小为25°，旋压轮前角半径为5mm；旋压进给率为150r/min，旋轮与模具间隙4mm，变形量10％，变形温度20℃，旋压时车床主轴转速为200r/min。。

(14)变形完成后，对受损轴类零件的修复区域进行冷热循环处理，冷热循环处理包括循环的深冷处理和加热处理；其中深冷处理温度为-196℃，时长为2h，通过喷射气化的液氮冷却；加热处理温度为160℃，时长为2h，冷热循环处理次数为3次，处理后零件冷却至室温，加热方式为移动式在线热源加热，具体采用激光加热。

(15)冷热循环处理完后，采用激光热源对受损轴类零件的修复区域进行局部固溶和时效热处理；局部固溶和时效热处理加热方式为移动式在线热源加热，具体采用激光加热；其中固溶温度为535℃，时长为1.5h；时效热处理温度为175℃，时长为4h，时效热处理后由焊枪喷出氩气进行气冷至室温。

(16)通过三维扫描仪对局部固溶和时效热处理后受损轴类零件进行扫描，获得局部固溶和时效热处理后受损轴类零件的三维模型。

(17)将局部固溶和时效热处理后受损轴类零件的三维模型与原始轴类零件三维模型比对，得到局部固溶和时效热处理后受损轴类零件较原始轴类零件多余部分。

(18)采用车削去除多余部分使得修复后的轴类零件形状与受损前一致；车削选用90°外圆车刀，材质为高速钢；切削速度250m/min，进给量为0.06mm/r，切削深度为0.2mm。

本实施例中，原始轴类零件材料为2219铝合金，原始轴类零件均由锻造成型且经过固溶时效处理，焊丝选用ER2319铝合金焊丝。

经本实施例修复强化的受损轴类零件的修复部分与原始轴类零件母材的参数进行对比效果如表1所示。

表1

实施例2

本实施例对受损套筒类零件进行修复，受损套筒类零件如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)对受损套筒类零件进行清洁，除去油污、灰尘，并除去表面锈迹。受损套筒类零件为铝合金，内径为100mm，外径为150mm，长度为100mm。

(2)通过三维扫描仪对受损套筒类零件进行扫描，生成受损套筒类零件三维模型。

(3)将受损套筒类零件三维模型与原始套筒类零件三维模型进行比对，得到受损套筒类零件的受损区域，包括受损部位形状、尺寸大小。

(4)采用铣削加工去除受损部位，在受损套筒类零件上形成通过一端面的缺口2(缺口2如图2所示)；铣刀选用高速钢圆柱形铣刀，铣刀直径为5mm，铣削过程中，铣削速度500r/min，铣削深度0.2mm，进给量为0.06mm。

(5)通过三维扫描仪对铣削后受损套筒类零件进行扫描，获得铣削后受损套筒类零件的三维模型。

(6)将铣削后受损套筒类零件的三维模型与原始套筒类零件三维模型进行比对，得到受损套筒类零件的增材区域三维模型，也即缺口三维模型。

(7)采用增材制造分层切片和路径规划软件(选用IungoPNT软件)对缺口三维模型进行处理，得到增材修复路径代码。

(8)将受损套筒类零件缺口2未经过的端面固定在自定心立式夹具上，对铣削出的缺口2进行打磨处理，去除表面氧化层并采用丙酮试剂对缺口2进行清洁。

(9)采用激光热源对受损套筒类零件的缺口2进行局部加热，并采用热电偶对加热温度进行检测，将缺口2加热到适合电弧增材的温度。

(10)开启焊接电源，受增材修复路径代码驱动的TIG焊枪对受损套筒类零件进行增材修复；增材焊丝选用直径1.2mm的铝合金焊丝，电弧增材焊接电流为96A，焊枪入射位置和铣削平面夹角为45°；惰性气体采用氩气，气体流量为15L/min；单道焊缝宽度10mm，焊枪移动速度6mm/s，焊丝输出速度7m/min。

(11)增材修复完成后，清理掉修复区域周围焊渣。

(12)采用超声冲击装置对修复区域进行冲击处理使得修复部位产生塑性变形；超声冲击过程中，超声冲击电流为2A，冲击振幅为20μm，频率为20kHz，冲击工具头直径为4mm，冲击变形量15％和冲击变形温度20℃。

(13)完成冲击后，对受损套筒类零件的修复区域进行冷热循环处理，冷热循环处理包括循环的深冷处理和加热处理；其中深冷处理温度为-196℃，时长为2h，通过喷射气化的液氮冷却，加热处理温度为160℃，时长为2h，冷热循环处理次数为3次，处理后零件冷却至室温，加热方式为移动式在线热源加热，具体采用感应线圈加热。

(14)冷热循环处理完后，采用激光热源对受损套筒类零件的修复区域进行局部固溶和时效热处理；局部固溶和时效热处理加热方式为移动式在线热源加热，具体采用感应线圈加热；其中固溶温度为535℃，时长为1.5h；时效热处理温度为175℃，时长为4h，时效热处理后由焊枪喷出氩气进行气冷至室温。

(15)通过三维扫描仪对局部固溶和时效热处理后受损套筒类零件进行扫描，获得局部固溶和时效热处理后受损套筒类零件的三维模型。

(16)将局部固溶和时效热处理后受损套筒类零件的三维模型与原始套筒类零件三维模型进行比对，得到局部固溶和时效热处理后受损套筒类零件较原始套筒类零件多余部分。

(17)采用车削去除多余部分使得修复后的套筒类零件形状与受损前一致；外圆多余部分车削参数：车削选用90°外圆车刀，材质为高速钢；切削速度250m/min，进给量为0.06mm/r，切削深度为0.2mm；内圆多余部分车削参数：车削选用内孔车刀，材质为高速钢；切削速度250m/min，进给量为0.06mm/r，切削深度为0.2mm。

本实施例步骤(12)中，还可采用机械锤击装置代替超声冲击装置对修复区域进行机械锤击处理使得修复部位产生塑性变形，机械锤击过程中，气体压力0.6MPa，锤击频率200Hz，锤击头直径8mm，锤击变形量25％和锤击变形温度20℃。

经本实施例修复强化的受损套筒类零件的修复部分与原始套筒类零件母材的参数进行对比效果如表2所示。

表2

本发明将铣削加工、电弧增材、塑性变形、局部热处理及车削加工结合，对回转体零件受损部位进行铣削加工后，采用电弧增材在铣削部位进行增材制造，再对增材修复部位进行塑性变形，通过塑性变形消减回转体零件修复区域内部残余应力值，同时消减增材中材料内部缺陷，细化组织，提升力学性能；塑性变形后对修复部位进行冷热循环处理，通过循环的热胀冷缩变形进一步释放回转体零件修复部位内部残余应力，降低修复后零件的翘曲变形；冷热循环处理后对回转体零件修复部位进行局部热处理，通过热处理工艺进一步提升修复部位组织及性能；且本发明在增材修复与强化的过程中，通过塑性变形和冷热循环处理消减回转体零件内部残余应力，并多次将修复与强化过程中的受损回转体零件三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，为铣削加工、电弧增材、塑性变形、冷热循环处理、局部热处理及车削加工提供了更加精确的加工及处理依据，提升修复后回转体零件的尺寸精度；将塑性变形与局部热处理相结合，通过将增材修复后的铸造组织转变为锻造态组织，进一步保证了修复部位的力学性能，从而获得与母材组织相当甚至更高的力学性能。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对受损回转体零件进行清洁；

(2)通过三维扫描仪对受损回转体零件进行扫描，生成受损回转体零件三维模型；

(3)将受损回转体零件三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，得到受损回转体零件的受损区域，包括受损部位形状、尺寸大小；

(4)采用铣削加工去除受损部位，在受损回转体零件上形成适合增材修复的形状；

(5)通过三维扫描仪对铣削后受损回转体零件进行扫描，获得铣削后受损回转体零件的三维模型；

(6)将铣削后受损回转体零件的三维模型与原始回转体零件三维模型进行比对，得到受损回转体零件的增材区域三维模型；

(7)采用增材制造分层切片及路径规划软件对增材区域三维模型进行处理，得到增材修复路径代码；

(8)对铣削出的待增材区域进行打磨处理，去除表面氧化层，并对待增材区域进行清洁；

(9)对受损回转体零件的待增材区域进行局部加热，将待增材区域加热到适合电弧增材的温度；

(10)开启焊接电源，受增材修复路径代码驱动的焊枪对受损回转体零件进行增材修复；

(11)对增材修复后的受损回转体零件进行塑性变形；

(12)变形完成后，对受损回转体零件的修复区域进行冷热循环处理；

(13)冷热循环处理后，对受损回转体零件的修复区域进行局部固溶和时效热处理；

(14)通过三维扫描仪对局部固溶和时效热处理后受损回转体零件进行扫描，获得局部固溶和时效热处理后受损回转体零件的三维模型；

(15)将局部固溶和时效热处理后受损回转体零件的三维模型与原始回转体零件三维模型比对，得到局部固溶和时效热处理后受损回转体零件较原始回转体零件多余部分；

(16)采用车削去除多余部分使得修复后的回转体零件形状与受损前一致。

2.如权利要求1所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：所述受损回转体零件为受损轴类零件或受损套筒类零件。

3.如权利要求2所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(4)中，对于受损轴类零件，适合增材修复的形状为U形槽；对于受损套筒类零件，适合增材修复的形状为通过一端面的缺口。

4.如权利要求2所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(11)中，对于受损轴类零件，塑性变形包括以下步骤：

(A)增材修复完成后，焊枪继续运作，在受损轴类零件的表面增材出塑性变形余量；

(B)清理掉修复区域周围焊渣；

(C)采用旋压轮对修复区域进行旋压使得修复部位产生塑性变形。

5.如权利要求2所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(11)中，对于受损套筒类零件，塑性变形包括以下步骤：

(a)增材修复完成后，清理掉修复区域周围焊渣；

(b)采用超声冲击装置或机械锤击装置对修复区域进行冲击处理或机械锤击处理使得修复部位产生塑性变形。

6.如权利要求4所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(C)中，旋压变形关键工艺参数如下：旋压轮材质为高碳钢，旋压轮前角5～30°，旋压轮前角半径2～8mm，旋压进给率10～300r/min，旋压时车床主轴转速1～500r/min，旋轮与模具间隙1～6mm，变形量5～40％和变形温度20～800℃。

7.如权利要求5所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(b)中，超声冲击变形关键工艺参数如下：超声冲击电流1～4A，冲击振幅20～100μm，冲击频率20kHz，冲击工具头直径1～7mm，冲击变形量5～20％和冲击变形温度20～800℃。

8.如权利要求5所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(b)中，机械锤击变形关键工艺参数如下：气体压力0.1～1MPa，锤击频率10～250Hz，锤击头直径1～10mm，锤击变形量5～30％和锤击变形温度20～800℃。

9.如权利要求1或2所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(12)中，冷热循环处理包括循环的深冷处理和加热处理；其中深冷处理温度-196～-160℃，时长1～4h，通过喷射气化的液氮冷却；加热处理温度20～200℃，时长1～4h，加热方式为移动式在线热源加热，具体为激光加热或感应线圈加热；冷热循环处理次数1～4次，处理后零件冷却至室温。

10.如权利要求1或2所述的受损回转体零件增材修复与强化方法，其特征在于：步骤(13)中，固溶温度400～900℃，时长1～8h；时效热处理温度100～600℃，时长1～10h，加热方式为移动式在线热源加热，具体为激光加热或感应线圈加热，时效热处理后由焊枪喷出氩气进行气冷至室温。

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