一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法
【专利摘要】一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，属于激光焊接【技术领域】。本发明的激光再制造方法，是利用激光切割技术对铝合金薄壁件裂纹损伤部位去除后，再利用激光填丝技术对其进行再制造修复，修复过程中通过快速更换激光切割头和激光焊接头零部件实现损伤部位的快速再制造修复，通过采用与基体相匹配焊材修复后的薄壁件可以获得令人满意的成形、表面质量和再制造性能。由于激光切割和激光焊接材料加工具有热影响区小和效率高等优点，因此适合裂纹损伤铝合金薄壁件的快速修复。
【专利说明】一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于装备再制造领域，涉及一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光切割复合激光焊接快速修复再制造的新方法。
【背景技术】
[0002]铝合金由于其独特而又优异的性能已经在电气、航空、航海、汽车工业、石油化工、军事、建筑等领域得到了广泛的应用，比如用于汽车、装甲车、坦克、飞机及舰艇的部件。如汽车发动机壳体、活塞、轮毂、飞机机身、机翼蒙皮等，目前各国制造的飞机使用的铝合金主要是高强度的2XXX系和超高强度的7XXX系铝合金。铝合金薄壁件在加工制造和使用过程中，由于各种原因(焊接、锻造、表面划痕和应力腐蚀等)往往存在着各种类型的裂纹，带有裂纹的构件在变载荷的作用下，裂纹可能会逐渐扩展，最终断裂导致事故的发生。裂纹常用的修复方法主要是焊补、粘接、栽铜螺钉填满裂纹等，针对铝合金结构件的裂纹的修复，目前主要是采用弧焊焊补或整体换件的手段进行，焊前准备主要是通过机械加工的手段将裂纹去除，而后通过弧焊的方法修复损伤部位。该技术可以运用于铝合金薄壁件裂纹损伤的修复，但是也存在着一定的问题，具体表现在焊前清理损伤部位时，采用传统的机械加工去除损伤部位方法效率较低，并且在后续的弧焊过程中，由于热输入量较大，铝合金的接头软化、裂纹、气孔等问题都难以解决。大功率激光再制造是一种以“光能源”作为材料加工手段的先进再制造技术，其能量密度高、操作容易、柔性好、效率高、制造精度高能够很好的解决不同材料体系的加工、成形和再制造等问题，其中激光切割和激光焊接是激光再制造中两种典型的先进工艺。激光切割是利用经过聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助于光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种热切割方法。在铝合金的激光切割过程中，铝合金极易氧化，如何避免氧化的发生非常重要。以激光为主要热源的自熔性深熔焊、激光填丝焊接等深熔焊接技术具有能量密度闻、焊后残余应力低、焊接精度闻，焊接接头质量闻等优点，可广泛应用于航空航天、大型舰船和其他装备再制造领域中。
【发明内容】
[0003]本发明针对铝合金薄壁件的裂纹修复问题，研究一种激光切割复合激光焊接技术再制造的新方法。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，复合利用激光切割技术和激光填丝焊接技术对裂纹损伤部位进行再制造；通过激光切割去除裂纹损伤部位，采用和修复基体相匹配的焊材，在优化工艺条件下利用光纤激光器在坡口部位精确恢复其原始尺寸；同时，修复后的部位强度达到基体的90%，且焊缝无气孔、裂纹和夹杂缺陷。
[0006]在进行焊接前，先利用光纤传导的激光切割头，结合超声波检测和着色渗透裂纹检测结果，开深“V”坡口去除裂纹，去除裂纹后，用砂纸碾磨掉热影响区。[0007]激光切割过程中，用氮气作为辅助气体，压力为0.9MPa，使切风中的熔渣最大限度的被吹走，工艺参数范围为:激光功率:2?2.5kw，切割速度:1500?2000mm/min。
[0008]激光切割去除裂纹部位后形成的坡口经打磨后，用丙酮清洗15分钟，并擦拭干净，将焊丝在质量分数为10%的NaOH溶液中浸蚀两分钟，然后用质量分数为30%的HNO3的溶液中去黑，用清水冲洗干净并烘干；焊前再用钢刷刷试板表面除氧化膜。
[0009]根据不同的修复基体选用匹配的焊材进行修复，修复基体材料为7A52铝合金时，选用选用含钪的铝合金焊材:Al-6.3Mg-0.35Sc-0.1Zr-0.1Cr合金焊丝，化学成分前面的数字代表在焊丝中的平均质量分数，金属钪(Sc)在修复组织中能起到弥散强化和晶粒细化的作用，能够改善修复组织的抗蚀性，提高强度和塑性。基体为2219铝合金时，选用裂纹倾向小、强度和韧性好的ER2319焊丝进行修复。
[0010]利用激光填丝补焊技术对损伤部位进行修复；焊接规范工艺参数:激光功率2?3kW,焊接速度2?3m/min,采用前送丝方式,送丝角度为60° ,送丝速度2?3m/min,光丝间距2mm，侧吹保护气角度45°，采用Ar作为辅助气体对熔池进行保护，Ar气流量为IOL/min。
[0011]修复完毕后，以汽油喷灯加热修复部位及附近区域，加热温度为200°?300°，保温时间为20分钟，然后用石棉覆盖缓冷。热处理完全冷却后，将表明打磨，进行着色探伤，直到其检查结果未发现裂纹、气孔缺陷，质量才符合要求，否则要再进行补焊。
[0012]本发明可以获得如下有益效果:
[0013]利用激光切割技术复合激光填丝焊接技术，能够实现损伤部位的快速去除和激光焊接再制造，效率高并且技术先进可靠。通过优化工艺参数和选用与修复基体匹配的焊材，再制造修复后的部位热影响区狭窄，可以获得令人满意的成形、表面质量和再制造性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1激光切割开坡口去除裂纹示意图
[0015]图2激光填丝焊接示意图
[0016]图中，1-激光切割头，2-激光切割路径，3-填充焊丝，4-焊接方向，5-激光束，6-保护气体。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
[0018]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0019]如图所示，所述的激光切割头1:使用的激光切割头型号为YR30，通过机械手控制能够对铝合金薄壁件裂纹损伤部位进行全方位切割；激光切割路径2:通过调整激光束入射角度、运动路径、运动速度和激光功率等参数实现对损伤部位的切割去除；填充焊丝3:焊丝通过Fronius公司生产的KD4010送丝机送到需要激光修复的部位；焊接方向4:示意激光填丝焊接的方向；激光束5:使用的激光焊接头型号为YW52，通过机械手控制和KD4010送丝机复合对铝合金薄壁件损伤部位进行焊接修复；保护气体6:采用氩气和氦气对修复过程进行保护，防止氧化和缺陷的形成。
[0020]本实施例采用IPG光纤激光器，光纤激光以其优良的高斯模能量，充分体现高精度、高效率特征。激光能量斑点小，可瞬间气化金属而形成精细割口 ；激光斑点辐照域小，对割口边缘金属损伤小，激光斑点能量密度高，可实现高速切割下很小的热变形和裂纹高度应力集中区域的快速去除，适合多种金属的切割，能够得到光滑的坡口切割面。激光焊接时加热范围小(小于1mm)，在同功率和焊接厚度的条件下，焊接效率闻，并且激光焊接后的残余应力小，变形小。由于激光能反射、透射，能在空间传播相当的距离而衰减很小，所以可进行远距离或一些难以接近部位的焊接修复。本实验采用I台焊接用机器人工作站，通过快速更换激光切割头和激光焊接头，完成对于铝合金薄壁件裂纹损伤部位的再制造。
[0021]本发明按照下述步骤及流程对铝合金裂纹损伤部位进行原位修复。铝合金试件裂纹的检测与可焊性判断一激光切割开坡口去除裂纹一焊材选择一焊前处理一焊接规范与操作一焊后处理与检测。具体步骤如下:
[0022]1、铝合金试件裂纹的检测与可焊性判断
[0023]对铝合金试件表面裂纹用着色探伤来检测，着色探伤时，先用丙酮溶液彻底清除表面油污，擦拭干净后用热风烘干，然后在表面涂红色渗透剂，使之形成均匀的薄膜，搁置10~20min，使渗透剂充分渗透到缺陷中，再用洗涤剂洗去表面渗透剂并擦干，最后在表面喷涂显像剂，可以看到裂纹的位置，大小来，为了确定检测结果的准确性，再结合超声波检测到裂纹的位置、大小，判断是否可以进行切割和焊接修复。
[0024]2、激光切割开坡口去除裂纹
[0025]利用光纤传统机器人控制光纤激光切割头配合变位机对裂纹进行切割去除，切割机理为熔化切割。工件在切割前，对工件的加工工艺点进行分析，7A52铝合金薄板尺寸为IOOmmX IOOmmX 5mm。打孔`点设置在裂纹起始位置，激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度有很大的影响，通常激光功率由下面的公式估算得到:
【权利要求】
1.一种裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，复合利用激光切割技术和激光填丝焊接技术对裂纹损伤部位进行再制造；通过激光切割去除裂纹损伤部位,再采用和修复基体相匹配的焊材，在优化工艺条件下利用光纤激光器在坡口部位精确恢复其原始尺寸；同时，修复后的部位强度达到基体的90%，且修复部位无气孔、裂纹和夹杂缺陷。
2.如权利要求1所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，在进行焊接前，先利用光纤传导的激光切割头，结合超声波检测和着色渗透裂纹检测结果，开深“V”坡口去除裂纹，去除裂纹后，用砂纸碾磨掉热影响区。
3.如权利要求1或2所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，激光切割过程中，用氮气作为辅助气体，压力为0.9MPa，使切风中的熔渣最大限度的被吹走，工艺参数范围为:激光功率:2?2.5kw，切割速度:1500?2000mm/min。
4.如权利要求1或2所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，激光切割去除裂纹部位后形成的坡口经打磨后，用丙酮清洗15分钟，并擦拭干净，将焊丝在质量分数为10%的NaOH溶液中浸蚀两分钟，然后用质量分数为30%的HNO3的溶液中去黑，用清水冲洗干净并烘干；焊前再用钢刷刷试板表面除氧化膜。
5.如权利要求1或4所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，根据不同的修复基体选用匹配的焊材进行修复，修复基体材料为7A52铝合金时，选用选用含钪的铝合金焊材:Al-6.3Mg-0.35Sc-0.1Zr-0.1Cr合金焊丝，基体为2219铝合金时，选用ER2319焊丝进行修复。
6.如权利要求1或4所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，利用激光填丝对损伤部位进行修复；激光功率为3kW，焊接速度2.2m/min，送丝速度2m/min，光丝间距2mm，侧吹保护气角度45°，采用Ar作为辅助气体对熔池进行保护，Ar气流量为10L/mino
7.如权利要求1所述的裂纹损伤铝合金薄壁件激光再制造方法，其特征在于，整体修复完毕后，以汽油喷灯加热修复部位及附近区域，加热温度为200°?300°，保温时间为20分钟，然后用石棉覆盖缓冷；热处理完全冷却后，将表面打磨，进行着色探伤，直到其检查结果未发现裂纹、气孔缺陷，质量才符合要求，否则要再进行补焊。
【文档编号】B23K26/38GK103801835SQ201410023588
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】董世运, 徐滨士, 张智慧, 王玉江, 闫世兴, 夏丹 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院