一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法
【專利摘要】一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，屬于激光焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的激光再制造方法，是利用激光切割技術(shù)對鋁合金薄壁件裂紋損傷部位去除后，再利用激光填絲技術(shù)對其進行再制造修復(fù)，修復(fù)過程中通過快速更換激光切割頭和激光焊接頭零部件實現(xiàn)損傷部位的快速再制造修復(fù)，通過采用與基體相匹配焊材修復(fù)后的薄壁件可以獲得令人滿意的成形、表面質(zhì)量和再制造性能。由于激光切割和激光焊接材料加工具有熱影響區(qū)小和效率高等優(yōu)點，因此適合裂紋損傷鋁合金薄壁件的快速修復(fù)。
【專利說明】一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于裝備再制造領(lǐng)域，涉及一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光切割復(fù)合激光焊接快速修復(fù)再制造的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金由于其獨特而又優(yōu)異的性能已經(jīng)在電氣、航空、航海、汽車工業(yè)、石油化工、軍事、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如用于汽車、裝甲車、坦克、飛機及艦艇的部件。如汽車發(fā)動機殼體、活塞、輪轂、飛機機身、機翼蒙皮等，目前各國制造的飛機使用的鋁合金主要是高強度的2XXX系和超高強度的7XXX系鋁合金。鋁合金薄壁件在加工制造和使用過程中，由于各種原因(焊接、鍛造、表面劃痕和應(yīng)力腐蝕等)往往存在著各種類型的裂紋，帶有裂紋的構(gòu)件在變載荷的作用下，裂紋可能會逐漸擴展，最終斷裂導(dǎo)致事故的發(fā)生。裂紋常用的修復(fù)方法主要是焊補、粘接、栽銅螺釘填滿裂紋等，針對鋁合金結(jié)構(gòu)件的裂紋的修復(fù)，目前主要是采用弧焊焊補或整體換件的手段進行，焊前準(zhǔn)備主要是通過機械加工的手段將裂紋去除，而后通過弧焊的方法修復(fù)損傷部位。該技術(shù)可以運用于鋁合金薄壁件裂紋損傷的修復(fù)，但是也存在著一定的問題，具體表現(xiàn)在焊前清理損傷部位時，采用傳統(tǒng)的機械加工去除損傷部位方法效率較低，并且在后續(xù)的弧焊過程中，由于熱輸入量較大，鋁合金的接頭軟化、裂紋、氣孔等問題都難以解決。大功率激光再制造是一種以“光能源”作為材料加工手段的先進再制造技術(shù)，其能量密度高、操作容易、柔性好、效率高、制造精度高能夠很好的解決不同材料體系的加工、成形和再制造等問題，其中激光切割和激光焊接是激光再制造中兩種典型的先進工藝。激光切割是利用經(jīng)過聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助于光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。在鋁合金的激光切割過程中，鋁合金極易氧化，如何避免氧化的發(fā)生非常重要。以激光為主要熱源的自熔性深熔焊、激光填絲焊接等深熔焊接技術(shù)具有能量密度聞、焊后殘余應(yīng)力低、焊接精度聞，焊接接頭質(zhì)量聞等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于航空航天、大型艦船和其他裝備再制造領(lǐng)域中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對鋁合金薄壁件的裂紋修復(fù)問題，研究一種激光切割復(fù)合激光焊接技術(shù)再制造的新方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，復(fù)合利用激光切割技術(shù)和激光填絲焊接技術(shù)對裂紋損傷部位進行再制造；通過激光切割去除裂紋損傷部位，采用和修復(fù)基體相匹配的焊材，在優(yōu)化工藝條件下利用光纖激光器在坡口部位精確恢復(fù)其原始尺寸；同時，修復(fù)后的部位強度達到基體的90%，且焊縫無氣孔、裂紋和夾雜缺陷。
[0006]在進行焊接前，先利用光纖傳導(dǎo)的激光切割頭，結(jié)合超聲波檢測和著色滲透裂紋檢測結(jié)果，開深“V”坡口去除裂紋，去除裂紋后，用砂紙碾磨掉熱影響區(qū)。[0007]激光切割過程中，用氮氣作為輔助氣體，壓力為0.9MPa，使切風(fēng)中的熔渣最大限度的被吹走，工藝參數(shù)范圍為:激光功率:2?2.5kw，切割速度:1500?2000mm/min。
[0008]激光切割去除裂紋部位后形成的坡口經(jīng)打磨后，用丙酮清洗15分鐘，并擦拭干凈，將焊絲在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中浸蝕兩分鐘，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的HNO3的溶液中去黑，用清水沖洗干凈并烘干；焊前再用鋼刷刷試板表面除氧化膜。
[0009]根據(jù)不同的修復(fù)基體選用匹配的焊材進行修復(fù)，修復(fù)基體材料為7A52鋁合金時，選用選用含鈧的鋁合金焊材:Al-6.3Mg-0.35Sc-0.1Zr-0.1Cr合金焊絲，化學(xué)成分前面的數(shù)字代表在焊絲中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，金屬鈧(Sc)在修復(fù)組織中能起到彌散強化和晶粒細(xì)化的作用，能夠改善修復(fù)組織的抗蝕性，提高強度和塑性。基體為2219鋁合金時，選用裂紋傾向小、強度和韌性好的ER2319焊絲進行修復(fù)。
[0010]利用激光填絲補焊技術(shù)對損傷部位進行修復(fù)；焊接規(guī)范工藝參數(shù):激光功率2?3kW,焊接速度2?3m/min,采用前送絲方式,送絲角度為60° ,送絲速度2?3m/min,光絲間距2mm，側(cè)吹保護氣角度45°，采用Ar作為輔助氣體對熔池進行保護，Ar氣流量為IOL/min。
[0011]修復(fù)完畢后，以汽油噴燈加熱修復(fù)部位及附近區(qū)域，加熱溫度為200°?300°，保溫時間為20分鐘，然后用石棉覆蓋緩冷。熱處理完全冷卻后，將表明打磨，進行著色探傷，直到其檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔缺陷，質(zhì)量才符合要求，否則要再進行補焊。
[0012]本發(fā)明可以獲得如下有益效果:
[0013]利用激光切割技術(shù)復(fù)合激光填絲焊接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)損傷部位的快速去除和激光焊接再制造，效率高并且技術(shù)先進可靠。通過優(yōu)化工藝參數(shù)和選用與修復(fù)基體匹配的焊材，再制造修復(fù)后的部位熱影響區(qū)狹窄，可以獲得令人滿意的成形、表面質(zhì)量和再制造性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1激光切割開坡口去除裂紋示意圖
[0015]圖2激光填絲焊接示意圖
[0016]圖中，1-激光切割頭，2-激光切割路徑，3-填充焊絲，4-焊接方向，5-激光束，6-保護氣體。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0019]如圖所示，所述的激光切割頭1:使用的激光切割頭型號為YR30，通過機械手控制能夠?qū)︿X合金薄壁件裂紋損傷部位進行全方位切割；激光切割路徑2:通過調(diào)整激光束入射角度、運動路徑、運動速度和激光功率等參數(shù)實現(xiàn)對損傷部位的切割去除；填充焊絲3:焊絲通過Fronius公司生產(chǎn)的KD4010送絲機送到需要激光修復(fù)的部位；焊接方向4:示意激光填絲焊接的方向；激光束5:使用的激光焊接頭型號為YW52，通過機械手控制和KD4010送絲機復(fù)合對鋁合金薄壁件損傷部位進行焊接修復(fù)；保護氣體6:采用氬氣和氦氣對修復(fù)過程進行保護，防止氧化和缺陷的形成。
[0020]本實施例采用IPG光纖激光器，光纖激光以其優(yōu)良的高斯模能量，充分體現(xiàn)高精度、高效率特征。激光能量斑點小，可瞬間氣化金屬而形成精細(xì)割口 ；激光斑點輻照域小，對割口邊緣金屬損傷小，激光斑點能量密度高，可實現(xiàn)高速切割下很小的熱變形和裂紋高度應(yīng)力集中區(qū)域的快速去除，適合多種金屬的切割，能夠得到光滑的坡口切割面。激光焊接時加熱范圍小(小于1mm)，在同功率和焊接厚度的條件下，焊接效率聞，并且激光焊接后的殘余應(yīng)力小，變形小。由于激光能反射、透射，能在空間傳播相當(dāng)?shù)木嚯x而衰減很小，所以可進行遠(yuǎn)距離或一些難以接近部位的焊接修復(fù)。本實驗采用I臺焊接用機器人工作站，通過快速更換激光切割頭和激光焊接頭，完成對于鋁合金薄壁件裂紋損傷部位的再制造。
[0021]本發(fā)明按照下述步驟及流程對鋁合金裂紋損傷部位進行原位修復(fù)。鋁合金試件裂紋的檢測與可焊性判斷一激光切割開坡口去除裂紋一焊材選擇一焊前處理一焊接規(guī)范與操作一焊后處理與檢測。具體步驟如下:
[0022]1、鋁合金試件裂紋的檢測與可焊性判斷
[0023]對鋁合金試件表面裂紋用著色探傷來檢測，著色探傷時，先用丙酮溶液徹底清除表面油污，擦拭干凈后用熱風(fēng)烘干，然后在表面涂紅色滲透劑，使之形成均勻的薄膜，擱置10~20min，使?jié)B透劑充分滲透到缺陷中，再用洗滌劑洗去表面滲透劑并擦干，最后在表面噴涂顯像劑，可以看到裂紋的位置，大小來，為了確定檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，再結(jié)合超聲波檢測到裂紋的位置、大小，判斷是否可以進行切割和焊接修復(fù)。
[0024]2、激光切割開坡口去除裂紋
[0025]利用光纖傳統(tǒng)機器人控制光纖激光切割頭配合變位機對裂紋進行切割去除，切割機理為熔化切割。工件在切割前，對工件的加工工藝點進行分析，7A52鋁合金薄板尺寸為IOOmmX IOOmmX 5mm。打孔`點設(shè)置在裂紋起始位置，激光功率對切割厚度、切割速度和切口寬度有很大的影響，通常激光功率由下面的公式估算得到:
【權(quán)利要求】
1.一種裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，復(fù)合利用激光切割技術(shù)和激光填絲焊接技術(shù)對裂紋損傷部位進行再制造；通過激光切割去除裂紋損傷部位,再采用和修復(fù)基體相匹配的焊材，在優(yōu)化工藝條件下利用光纖激光器在坡口部位精確恢復(fù)其原始尺寸；同時，修復(fù)后的部位強度達到基體的90%，且修復(fù)部位無氣孔、裂紋和夾雜缺陷。
2.如權(quán)利要求1所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，在進行焊接前，先利用光纖傳導(dǎo)的激光切割頭，結(jié)合超聲波檢測和著色滲透裂紋檢測結(jié)果，開深“V”坡口去除裂紋，去除裂紋后，用砂紙碾磨掉熱影響區(qū)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，激光切割過程中，用氮氣作為輔助氣體，壓力為0.9MPa，使切風(fēng)中的熔渣最大限度的被吹走，工藝參數(shù)范圍為:激光功率:2?2.5kw，切割速度:1500?2000mm/min。
4.如權(quán)利要求1或2所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，激光切割去除裂紋部位后形成的坡口經(jīng)打磨后，用丙酮清洗15分鐘，并擦拭干凈，將焊絲在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中浸蝕兩分鐘，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的HNO3的溶液中去黑，用清水沖洗干凈并烘干；焊前再用鋼刷刷試板表面除氧化膜。
5.如權(quán)利要求1或4所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，根據(jù)不同的修復(fù)基體選用匹配的焊材進行修復(fù)，修復(fù)基體材料為7A52鋁合金時，選用選用含鈧的鋁合金焊材:Al-6.3Mg-0.35Sc-0.1Zr-0.1Cr合金焊絲，基體為2219鋁合金時，選用ER2319焊絲進行修復(fù)。
6.如權(quán)利要求1或4所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，利用激光填絲對損傷部位進行修復(fù)；激光功率為3kW，焊接速度2.2m/min，送絲速度2m/min，光絲間距2mm，側(cè)吹保護氣角度45°，采用Ar作為輔助氣體對熔池進行保護，Ar氣流量為10L/mino
7.如權(quán)利要求1所述的裂紋損傷鋁合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，整體修復(fù)完畢后，以汽油噴燈加熱修復(fù)部位及附近區(qū)域，加熱溫度為200°?300°，保溫時間為20分鐘，然后用石棉覆蓋緩冷；熱處理完全冷卻后，將表面打磨，進行著色探傷，直到其檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔缺陷，質(zhì)量才符合要求，否則要再進行補焊。
【文檔編號】B23K26/38GK103801835SQ201410023588
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】董世運, 徐濱士, 張智慧, 王玉江, 閆世興, 夏丹 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院