CN114990544A - 一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法 - Google Patents

Abstract

一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法，其特征是它包括下列步骤：S1.使用超声波探伤，对磨损后的搅拌头进行探伤，探伤无缺陷视为合格进入下一步；S2.对搅拌头进行清洗，去除搅拌头氧化层以及相关杂质，如搅拌头上存在裂纹，则铣削掉相关部位，去除相关影响；S3.配置激光熔覆修复梯度材料，原料为梯度合金粉末；S4.对搅拌头进行扫描，确定加工激光熔覆的扫描路径；S5.按扫描路径对搅拌头进行激光熔覆修复；S6.对修复的搅拌头进行后处理(如磨削等)，将搅拌头修形到既定形状。本发明可以对磨损的搅拌头进行修复，经过修复后的搅拌头耐磨、耐蚀、强度等均优于修复前，提高了搅拌头的使用寿命，降低使用成本。

Description

一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆 修复方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接技术，尤其是一种搅拌摩擦搅拌头技术，具体地说是一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(全称friction stir welding，简称FSW)是一种英国焊接研究所于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接。其对轻质有色金属良好的加工性、接头质量高、焊接产品变形小等优点而受到各的青睐，在航空航天、轨道交通、电力电子、新能源汽车等行业均受到广泛应用，而其中搅拌头作为搅拌摩擦焊的重要组成部分直接影响了最后的搅拌效果。

搅拌摩擦焊虽然焊接时无需焊丝以及保护气体，但是在焊接的过程中搅拌摩擦连接头(搅拌头)会不断损耗。在搅拌头在搅拌过程直接承受焊接过程的热载，力载以及摩擦损耗，所以搅拌头通常是由耐高温、耐磨损材料制成，并具有特定的结构和尺寸以延长使用寿命。在焊接铝镁等低熔点低硬度合金时，搅拌头的磨损不大，但是一旦涉及到难加工材料，如：不锈钢，钛合金等时，搅拌头的磨损速率大大加快，机械力和摩擦热发生变化，最终影响接头的结合和力学性能，很快就不能满足加工需求。但是当前对于搅拌摩擦焊搅拌头并没有一个好的修复方法，通常在其磨损过后即做报废处理，不符合我国绿色，节能的制造要求，想办法对其进行形貌修复同时恢复其服役性能具有重大经济价值。

搅拌头由夹持部分，轴肩和搅拌针三部分组成，在搅拌摩擦焊过程中受损的主要部分是轴肩和搅拌针。在磨损过程中常见的磨损形式有机械磨损、焊接头氧化剥落、轴肩失效和焊针脆断，想办法对判断出可修复部件并磨损部位进行修复可以极大的延长搅拌头的使用寿命。

激光熔覆焊接时是以高能激光束为媒介，将基体表面的修复材料熔化凝固，与基体表面形成具有良好性能的熔覆涂层的金属表面处理技术。它能够在修复工件表面形貌的同时保证修复层表面材料的耐磨，耐腐蚀，耐氧化等的性能，修复层指标甚至优于母材。激光熔覆修复较常规的修复方式降低了修复成本，提高了修复效率，是一种理想的修复方式。目前，激光熔覆修复技术已经被用于受损工件的修复上。

中国专利(公开号：CN103352221B)就提出了一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法，利用激光熔覆对受损的高速旋转机械轴进行修复，不仅可以将旋转轴的磨损部位尺寸还原，而且还具有极其耐磨的特点，从而使得采用该合金粉末修复之后的轴颈位的耐磨程度远远超过了基体，使转子轴在下一个周期使用中更加耐磨，机组运行更加平稳。中国专利(公开号：CN111850546B)公开了一种激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法，利用激光熔覆实现对于修复的镍铝青铜零件的修复。通过本发明，降低修复区域的残余应力，从而避免出现变形、裂纹等缺陷。在修复区域可获得高硬度的激光沉积态组织。

传统的激光熔覆修复方式，在修复时所使用的材料通常为所修复材料的相同基体粉末，或者是特别配置的强化粉末，特点是修复粉末的成分分布均匀，修复后的组织性能一致，难以满足实际生产中对于不同部位的性能需求不一致的情况。

经检索，当前对于搅拌摩擦焊搅拌头的磨损，尚未存在一个好的修复方式，通常在搅拌头磨损后即进行报废处理，因此发明搅拌头磨损后的修复方法是有必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有的搅拌摩擦焊搅拌头磨损后修复质量下降，难以恢复原状的问题，发明一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法，以延长搅拌头的使用寿命，减少经济损失，降低生产成本。同时对于搅拌头在工作时要求内部具有高韧性，外部具有高耐磨性的要求，本发明采用梯度材料进行搅拌头磨损部位的修复，采用分层修复的方法，实现修复组织性能的平滑梯度过渡，修复部位内刚外韧的要求。而修复后的梯度搅拌头性能较原搅拌头性能更加优异，实现修复后的升级。

本发明的技术方案是：

一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法，其特征是它包括以下步骤：

S1.使用超声波探伤，对磨损后的搅拌头进行探伤，探伤无缺陷视为合格进入下一步，否则不合格。

S2.对搅拌头进行清洗，同时利用砂纸或者打磨机去除搅拌头上氧化层以及相关杂质，如果搅拌头上存在裂纹，则铣削掉相关部位，去除相关影响并进行进一步的加工。

S3.配置激光熔覆修复用梯度材料，原料为梯度合金粉末。

S4.对搅拌头进行扫描，获取其三维结构，确定加工激光熔覆的扫描路径。

S5.按扫描路径对搅拌头进行激光熔覆修复，可采用激光送粉系统来实现相关的修复。在沿扫描路径前进时将合金粉末输送到待修复搅拌头上，同时利用激光进行熔覆操作。修复时采用多层加工的方式，调整每层粉末的成分可以及时调整激光熔覆过程中生成组织的成分，最终制造出化学成分和力学性能随位置变化的修复层。

S6.继续使用激光对修复的搅拌头进行后处理，将搅拌头修形到既定形状，使其后续生产要求。

进一步地，采用梯度材料进行激光熔覆修复。传统的激光熔覆修复在修复时所采用的合金粉末成分分布均匀，在焊接后形成的熔覆区中各组织成分分布均匀，熔覆区的力学性质也比较稳定。采用梯度合金粉末进行激光熔覆修复，通过在修复过程中不同修复层间粉末成分的改变，实现修复层不同部位性能的改变，修复过后的搅拌头修复层内部具有高韧性，外部具有高耐磨性，极大的提高了搅拌头的性能，延长了搅拌头使用寿命。梯度合金粉末由基体粉末和强化粉末配置而成，其中，基体粉末由修复搅拌头的材料决定，而强化粉末则是将混合后的粉末通过喷嘴喷至修复搅拌头表面，然后通过改变激光的功率、扫描速度、光斑直径以及送粉速率加热粉体末并使之熔化形成熔池，熔化后的金属粉末与待修复表面经过冶金结合产生熔覆层，在此基础上改变粉末成分，向熔池中不断喷粉，实现功能梯度修复的效果。

进一步地，在进行激光熔覆修复时采用多层加工的方式，根据搅拌头的实际磨损情况采用有限元仿真的方法确定熔覆层数和熔覆厚度。在相同的加工条件下过渡层数对连接界面的组织影响较大，随着层数的增加即成分梯度的减小,合金连接界面组织分布差异逐渐减弱,组织趋于均匀。随着层数N值的增大,修复层的最大径向拉应力逐渐减小,但其最大径向压应力的绝对值则随N值的增大而逐渐增大，当过渡层数较小时，在层面间存在明显的应力突变，随着层数N的增加，应力突变也趋于平缓。一般的，修复层的最大Von Mises等效应力随着层数N的增大先减小后增大。因此，结合层数对组织性能的影响情况和实际的生产要求，本发明给出的建议熔覆层数为5-9层。

进一步地，在每一层的激光熔覆修复时，激光熔覆修复所采用的合金粉末的成分发生改变。目前，对于多组分粉末成分实时可变的送粉系统已经成熟，利用进粉器通过载气吸取传送不同比例的粉末，在粉末混合器中实现粉末的混合以实现对粉末成分的精确控制。在进行底层修复时，所用的梯度合金粉末中基体粉末含量可达100％，以提高修复后熔覆层的结合性以及韧性，自下而上修复过程中随着强化粉末的含量增加，实现各成分按增量分级的平滑梯度过渡，最终制造出化学成分和力学性能随位置变化的修复层，在修复最上层达到最强的耐磨性和硬度，实现内韧外刚的修复效果。同时相较于成分在单一界面上突然变化的突变梯度材料，就如使用双层加工方式进行修复，本方法采用的多层平滑梯度过渡能够更好地提高修复性能，实现修复后更好的连接性和一体性。

进一步地，在激光熔覆修复所用的粉末采用气雾化法进行制备，粉末在直径在30-100μm。相较于机械粉碎法，气雾化法制备的合金粉末球形度高、流动性好、气体及杂质含量低，能够更好的提高激光熔覆后的表面质量。

进一步地，在激光熔覆修复中，选用光纤激光器，选用的激光功率为1500-3500W，激光扫描速率为200-500mm/min，激光光斑直径为2-3mm，送粉速率为0.2-3r/min。另外，激光器在垂直照射加工部位时的吸光效果最好。激光在加工过程中激光束照射输送到搅拌头上的金属粉末并使之熔化形成熔池，熔化后的金属粉末与待修复表面经过冶金结合产生熔覆层，达到修复效果。在加工过程中使用氩气作为保护气体，氩气的流量为4-6L/min。

进一步地，在进行激光熔覆修复后的搅拌头上，存在有效熔覆层以及多余熔覆层，修复后的尺寸与原尺寸并不一致。所以需要对其进行加工，如可采用磨削，以使其修行到特定形状。所述特定形状既包含搅拌头的最初形状，也包括加工的其余形状(如在圆柱搅拌头上加工出螺纹)，让其具有别的功能，以满足后续的加工要求。

本发明的有益效果是：

1、对于目前存在着的搅拌头在磨损过后只能进行报废处理的现状，本发明提出了一种激光快速熔覆修复方案，采用激光熔覆技术对磨损的搅拌头进行修复。修复后的梯度搅拌头较之前内部更加坚韧，同时外部耐磨性更强，实现了原有搅拌头的性能升级。该技术极大的延长了搅拌头的使用寿命，并且修复成本低，便于操作，极大的减少了企业等的经济损失。

2、使用梯度材料进行搅拌头的激光熔覆修复，相较于传统的激光熔覆修复中采用成分分布均匀的合金粉末进行修复，焊接后形成的熔覆区中各组织成分分布均匀，熔覆区的力学性质也比较稳定。采用梯度合金粉末进行激光熔覆修复，通过在修复过程中粉末成分的改变，可以实现修复层不同部位性能的改变，修复过后的搅拌头修复层内部具有高韧性，外部具有高耐磨性，极大地提高了搅拌头的性能，延长了搅拌头的使用寿命。

3、修复时采用多层加工方式，给了适合进行修复的粉末层数范围，利用有限元仿真结合实际情况去进行具体判断。各成分按增量分级的平滑梯度过渡，性能过渡更加平稳，减小了成分在单一界面上突然变化的突变梯度材料可能带来的组织连接不稳定等问题，一体性增强，减少了整体合金层中的内应力，降低了裂纹倾向，更好地提高了修复后搅拌头的性能。

4、在修复前进行在修复前采用超声波进行探伤，保证修复的搅拌头力学性能良好，避免了修复后搅拌头内部因为疲劳积累在加工过程中发生焊针疲劳断裂的情况，减少了经济损失。加工前先用扫描确定激光扫描轨迹，并采用激光、合金粉末同轴的设计，使得加工过程更加简单，提高了加工后熔覆层的表面质量，让熔覆层更加平整。在加工过后进行后续处理，让搅拌头具有特定的形状，既能满足修复原搅拌头。恢复其修复前形状的的需求，同时，可以通过将搅拌头加工为不同的形状赋予其新的功能，满足新的生产需求，提高搅拌头的综合利用率。

5、实验测量结果显示，本发明修复的搅拌头不仅恢复了原有的性能，而且使用寿命比原始搅拌头长30％，适用范围更文，可适用于硬度更大的板材的焊接。

附图说明

图1为本发明的搅拌头激光熔覆修复流程图。

图2为采用多层加工技术进行搅拌头梯度材料激光熔覆修复过程。图中1为修复区。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。以下实施例仅用于说明本发明的整体思路，但不用来限制本发明的范围。

实施例1。

如图1所示。

一种整体式柱型焊针搅拌摩擦连接头采用梯度材料激光熔覆的修复方法，搅拌头材料为高速钢，轴肩采用内内凹型设计。修复过程如图1所示，包括以下步骤：

S1.使用超声波探伤，对磨损后的搅拌头进行探伤，对搅拌头的内部应力分布情况进行检测，探伤无缺陷视为合格进入下一步，否则不合格。

S2.采用丙酮对搅拌头进行清洗，同时利用砂纸或者打磨机对搅拌头上氧化层以及相关杂质进行去除，如果搅拌头上存在裂纹，则铣削掉相关部位，去除相关影响并进行进一步的加工。

S3.配置激光熔覆修复用梯度材料，原料为梯度合金粉末。其中基体粉末的成分为与搅拌头相同的合金钢粉末，强化粉末为微米稀土氧化铈。采用气雾化法进行粉末的制取，最终粉末粒径为60μm，将制备出的粉末放入粉盒中。微米稀土氧化铈的加入量为0.025-0.2％wt。

S4.对搅拌头进行扫描，获取其三维结构，确定加工激光熔覆的扫描路径。

S5.按扫描路径对搅拌头进行激光熔覆修复：采用同轴激光修复技术，将粉末输送装置与激光束集成在同一个轴上。修复装置在沿扫描路径前进时将合金粉末输送到待修复搅拌头上，同时利用激光进行熔覆操作。利用有限元软件仿真等方式进行熔覆层数和熔覆厚度的判断，如将熔覆过程分成5层进行，第一层使用基体粉末(高速钢粉末)含量为100％的梯度合金粉末进行激光熔覆加工，之后每层将强化粉末HSS的含量提高0.025％，在最外层使用99.8％的基体粉末和0.2％强化粉末配合而成的梯度合金粉末进行修复，在最外层实现高耐磨性，如图2所示。采用光纤激光器，选用激光功率为2000W，激光扫描速率为200mm/min，激光光斑直径为3mm，送粉速率为1r/min，激光束垂直于修复表面。激光熔覆时使用氩气作为保护气，流量为5L/min，熔覆完成后在550℃下进行回火处理。

S6.对修复的搅拌头铣削、磨削处理，去除多余的熔覆层，恢复其原有尺寸及公差要求。

经过上述操作成功对磨损的搅拌头进行了激光熔覆修复，修复后梯度搅拌头实现了内部的高韧性以及外部的高耐磨性和高硬度，提高了搅拌头的性能，实现搅拌头的再次加工，极大的延长了搅拌头的使用寿命。

实施例二。

一种整体式柱型焊针搅拌摩擦连接头激光熔覆修复方法，其关键是采用梯度材料进行激光熔覆修复。搅拌头材料为H13，轴肩采用内内凹型设计，修复过程如图1所示，包括以下步骤：

1.使用超声波探伤，对磨损后的搅拌头进行探伤，对搅拌头的内部应力分布情况进行检测，探伤无缺陷视为合格进入下一步，否则不合格。

S2.采用丙酮对搅拌头进行清洗，同时利用砂纸或者打磨机对搅拌头上氧化层以及相关杂质进行去除，如果搅拌头上存在裂纹，则铣削掉相关部位，去除相关影响并进行进一步的加工。

S3.配置激光熔覆修复用梯度材料，原料为梯度合金粉末。其中基体粉末为H13粉末，强化粉末使用W-Mo-V HSS粉末，其中Nb含量为2％。采用气雾化法进行粉末的制取，粉末粒径为100μm，将制备出的粉末放入粉盒中。

S4.对搅拌头进行扫描，获取其三维结构，确定加工激光熔覆的扫描路径。

S5.按扫描路径对搅拌头进行激光熔覆修复：采用同轴激光修复技术，将粉末输送装置与激光束集成在同一个轴上。修复装置在沿扫描路径前进时将合金粉末输送到待修复搅拌头上，同时利用激光进行熔覆操作。利用有限元软件仿真等方式进行熔覆层数和熔覆厚度的判断，将熔覆过程分成6层进行，第一层使用基材粉末含量为100％的粉末进行激光熔覆加工，之后每层将强化粉末HSS的含量提高20％，在最外层使用100％的HSS强化粉末以实现最强的耐磨性能。采用光纤激光器，选用激光功率为1500W，激光扫描速率为150mm/min，激光光斑直径为3mm，送粉速率为0.8r/min，激光束垂直于修复表面。激光熔覆时使用氩气作为保护气，流量为5L/min，熔覆完成后让其在550℃下进行回火处理。

S6.对修复的搅拌头铣削、磨削处理，去除多余的熔覆层，恢复其原有尺寸及公差要求，或可在修复后搅拌头焊针上加工出螺纹等形状，改变其加工性能。

经过上述操作成功对磨损的搅拌头进行了激光熔覆修复，修复后梯度搅拌头实现了内部的高韧性以及外部的高耐磨性和高硬度，提高了搅拌头的性能，实现搅拌头的再次加工，极大的延长了搅拌头的使用寿命。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种整体式搅拌摩擦连接头磨损部位采用梯度材料激光熔覆修复方法，用于对磨损后的搅拌头进行修复，恢复其形貌并提高修复后的搅拌头的性能，其特征在于，它包括以下步骤：

S1.使用超声波探伤，对磨损后的搅拌头进行探伤，探伤无缺陷视为合格进入下一步，否则不合格；

S2.对搅拌头进行清洗，同时利用砂纸或者打磨机去除搅拌头上氧化层以及杂质，如果搅拌头上存在裂纹，则铣削掉相关部位，去除相关影响并进行进一步的加工；

S3.配置激光熔覆修复用梯度材料，原料为梯度合金粉末；

S4.对搅拌头进行扫描，获取其三维结构，确定加工激光熔覆的扫描路径；

S5.按扫描路径对搅拌头进行激光熔覆修复：采用同轴激光修复技术，将粉末与激光束集成在同一个轴上；在沿扫描路径前进时将合金粉末输送到待修复搅拌头上，同时利用激光进行熔覆操作；修复时采用多层加工的方式，调整每层粉末的成分以及时调整激光熔覆过程中形成的组织成分，最终制造出化学成分和力学性能随位置变化的修复层；

S6.对修复的搅拌头进行后处理，将搅拌头修形到既定形状，使其满足后续生产要求。

2.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，使用梯度材料去进行搅拌头的修复；通过在修复过程中不同修复层间粉末成分的改变，实现修复层不同部位性能的改变，修复过后的搅拌头修复层内部具有高韧性，外部具有高耐磨性，极大的提高了搅拌头的性能，延长了搅拌头是使用寿命；梯度合金粉末有基体粉末和强化粉末配置而成，其中，基体粉末由修复搅拌头的材料决定，强化粉末则是对基体粉末起强化作用的稀土材料或者具有高硬度和高耐磨性特性粉末；粉末采用气雾化法进行制备，粉末直径在30-100μm。

3.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，在进行激光熔覆修复时采用多层加工的方式，根据搅拌头的实际磨损情况采用有限元仿真的方法确定熔覆层数和熔覆厚度。

4.根据权利要求5所述的修复方法，其特征在于，优选的熔覆层数为5-9层。

5.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，在步骤S5激光熔覆修复中，选用光纤激光器，选用的激光功率为1500-3500W，激光扫描速率为200-500mm/min，激光光斑直径为2-3mm，送粉速率为0.2-3r/min，激光器在垂直照射加工部位。

6.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，加工过程中使用氩气作为保护气，氩气流量为4-6L/min。

7.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，采用梯度粉末进行修复的搅拌头材质为H13、高速钢或硬质合金。

8.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，在激光熔覆修复后的搅拌头上存在有效熔覆层以及多余熔覆层，修复后的搅拌头的尺寸与原尺寸并不一致，所以需要对其进行后续加工，以使其修行到特定形状，所述特定形状既包含搅拌头的最初形状，也包括加工的新增形状。

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