铸铝散热器激光焊接炸孔激光增材修复合金粉末及修复法的制作方法

本发明专利涉及汽车及航空领域铸铝材料尤其是散热器的激光焊接炸孔(或铸造缩孔)的激光增材修复，属于材料加工技术领域。

背景技术：

由于铸造铝合金具有高强高韧及耐磨耐腐等优点，汽车发动机缸体、散热器、离合器壳以及飞机机身大量采用铸造铝合金代替锻件以提高结构整体刚性。随着铸造技术的进步，铸造工艺可以达到以铸代锻，能够有效降低生产成本。另外铝合金材料能减少钢的使用量，使车身重量大幅度地降低，降低了能耗，减少了污染物的排出量。但铸造铝合金由于铸造工艺控制过程复杂，容易产生缩松和缩孔。当采用激光焊接方式形成零部件时，很容易产生炸孔缺陷，影响了铸铝件的密封性和使用性能。通常情况下将产生炸孔零部件报废掉，造成极大的浪费。

技术实现要素：

发明目的：

本发明提供了一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末并给出了应用该粉末进行激光增材修复的工艺方法，其目的是解决以往所存在的问题，其针对铸铝材料激光焊接过程产生的炸孔情况，规定了激光增材修复工艺步骤及方法，有效地解决了铸铝材料的激光焊接炸孔问题，是一种修复质量较好且对修复处的尺寸大小适用性强的激光增材修复方法。

技术方案：

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

1.合金粉末主要成分为alsimgmncufeniznsnnd，合金粉末选用气雾化法制备，粉末颗粒呈球形，颗粒尺寸为15～65μm。

2.合金粉末中具体成分为9.0～11.0wt.％si、0.2～0.5wt.％mg、0.4～0.8wt.％nd、≤0.1wt.％mn、≤0.05wt.％cu、≤0.25wt.％fe、≤0.05wt.％ni、≤0.1wt.％zn、≤0.02wt.％sn、余量为al。

3.一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复工艺方法，按以下工艺步骤依次展开：

a.分类处理：对铸铝散热器激光焊接炸孔进行外观尺寸测量，按直径分成3mm以下及3mm以上两类。

b.修复前清理：用锉刀将炸孔及周围飞溅清理干净，用清洁棉签沾取适量丙酮对炸孔及周围进行擦拭清理，去除可能影响增材修复的焊灰及油污等杂质，再经压缩空气吹干。

c.修复前预热：铸铝件的预热是取得修复成功的关键措施，预热时，应使铸铝件不直接与火焰炉底接触，以免过热氧化，影响修复质量。由于通过观察零部件表面颜色判断预热温度比较困难，故应用测温器测量预热温度。

d.粉末放置：将粉末放在铸铝的激光焊接炸孔需要激光增材修复位置，用刮板将粉末铺平，并保证炸孔周围有足够填充粉末，采用最佳激光修复参数进行激光增材修复激光焊接炸孔。

e.增材修复工艺：

1)对直径＜3mm的激光焊接炸孔，采用激光定点修复，激光功率1.5～3.5kw、离焦量为2～8mm、光斑大小为0.2～4mm、保护气体流量(ar)为8～15l/min、激光照射时间0.2～0.5s、激光束入射角5～10°。

2)对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式修复，激光功率1～2.5kw、离焦量为0～4mm、速度2～4m/min、保护气体流量(ar)为8～15l/min、激光束入射角5～10°。

f.光束运动轨迹：对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式修复，在沿扫描方向上进行单层多道往复扫描，搭接率为30％～40％。

优点效果：

本发明通过大量的试验摸索，研制了一种适用于铸铝合金激光焊接过程中产生炸孔的激光修复专用合金粉末，加上激光修复参数的深入研究，获得了激光增材制造修复激光焊接炸孔的最佳工艺参数。在铸铝(zl101)散热器上实际应用结果表明，完全满足了客户的性能要求。

与其它激光增材修复相比，本发明方法具有如下优点：

1.这种激光增材修复方法与传统补焊修复方法相比，修复专用合金粉末中加入钕(nd)元素，使得铸铝(zl101)散热器显微组织中晶粒变细，抗拉强度和伸长率增加，综合力学性能得到提高。

2.这种激光增材修复方法与传统补焊修复方法相比，能够提供更快的修复速度，减少补焊修复过程中难容氧化铝的产生，减少合金元素的烧损，从而提高修复质量

3.这种激光增材修复方法与传统补焊修复方法相比，激光可以提供更高能量密度，克服铝合金导热性好造成的熔合不良现象。

4.这种激光增材修复方法与传统补焊修复方法相比，影响修复质量的工艺参数少(包括激光功率、速度、离焦量)，能够减少因操作不当或工艺参数不适时出现裂纹及气孔等二次缺陷的机率。

5.这种激光增材修复方法与传统补焊修复方法相比，具有修复质量好、对修复处的炸孔尺寸大小适用性强等特性。

附图说明

图1为铸铝散热器激光焊接炸孔缺陷照片；

图2为铸铝散热器激光焊接炸孔的铺粉状态照片；

图3为铸铝散热器激光焊接炸孔的激光增材修复完成照片；

图4为铸铝散热器激光焊接炸孔直径≥3mm的激光扫描增材修复示意图；其中1为激光扫描区域；2为激光束扫描轨迹；3、激光焊接炸孔；4、焊缝；

图5为图4的仰视图；其中5、激光增材修复层。

具体实施方式

一种铸铝散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末，其特征在于：所述合金粉末主要成分为al、si、mg、mn、cu、fe、ni、zn、sn和nd，合金粉末选用气雾化法制备，粉末颗粒呈球形，颗粒尺寸为15～65μm。

合金粉末中具体成分为9.0～11.0wt.％si、0.2～0.5wt.％mg、0.4～0.8wt.％nd、≤0.1wt.％mn、≤0.05wt.％cu、≤0.25wt.％fe、≤0.05wt.％ni、≤0.1wt.％zn、≤0.02wt.％sn、余量为al。含量均大于零。

利用上述的一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末所实施的铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复工艺，其特征在于：按如下工艺步骤依次展开：

a.分类处理：对铸铝散热器激光焊接炸孔进行外观尺寸测量，按直径分成3mm以下及3mm以上两类。

b.修复前清理：用锉刀将炸孔周围飞溅清理干净，用清洁棉签沾取适量丙酮(常规浓度即可)对激光焊接炸孔及周围进行擦拭清理，去除可能影响增材修复质量的焊灰及油污等杂质，再经压缩空气吹干；

c.前期预热：铸铝件的预热是取得激光焊接炸孔的激光增材修复成功的有效措施，预热时，应使铸铝件不直接与火焰炉底接触，以免过热氧化。由于通过观察零部件表面颜色判断预热温度比较困难，故应用测温器测量预热温度。

d.粉末放置：将粉末铺放在铸铝激光焊接炸孔的位置上，并填满，后用刮板将粉末铺平保证炸孔周围有足够填充粉末，采用最佳激光修复参数对缺陷处进行激光增材修复。

e.增材修复工艺：

1)对直径＜3mm的激光焊接炸孔采用激光定点修复，激光功率1.5～3.5kw、离焦量为2～8mm、光斑大小为0.2～4mm、保护气体流量(ar)为8～15l/min、激光照射时间0.2～0.5s、激光束入射角5～10°；

2)对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，激光功率1～2.5kw、离焦量为0～4mm、速度2～4m/min、保护气体流量(ar)8～15l/min、激光束入射角5～10°；

f.光束运动轨迹：对直径≥3mm的激光焊接炸孔采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向上进行单层多道往复扫描，搭接率为30％～40％。

对不足3mm的炸孔，采用合适大小的光斑进行激光定点修复，对直径3mm以上的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长3～5mm，两侧同样(如图4所示，也就是说扫描的区域沿扫描的方向的长度，就是图4中的上下的方向要涵盖炸孔直径且，扫描区域的上下边缘距离炸孔外缘的最小距离为3mm)，垂直扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长2～4mm，两侧同样(这里说的距离就是如图4所示的左右方向的距离，左右方向的扫描区域边缘距离炸孔外缘的最小距离为2mm)，以保证炸孔边缘的接合性能。

所用的增材修复工艺热源为激光，对铺满合金粉末的炸孔一次修复成型。

激光加工头光斑外直径0.2～0.3mm，保护气采用99.999％ar。

c步骤中预热温度约250-350℃，保温时间为0.5～1小时，然后进行激光增材修复。

激光焊接炸孔的增材制造修复后，零部件在自然状态冷却到室温。

采用本发明提供的专用合金粉末对铸铝散热器激光焊接炸孔(直径≥3mm)进行铺放粉末的激光增材修复，合金粉末成分比例为9.8wt.％si、0.3wt.％mg、0.4wt.％nd、0.08wt.％mn、0.05wt.％cu、0.23wt.％fe、0.1wt.％zn、0.02wt.％sn、余量为al。选用光斑聚焦直径为0.2mm的激光头，激光功率1.5kw，离焦量为+4mm，扫描速度2.5m/min，修复过程中采用99.999％氩气，气体流量为10l/min，激光束入射角6°。铸铝散热器激光焊接炸孔的粉末激光增材修复效果良好，经水压检测没有渗漏问题，炸孔被完全修复，达到散热器使用性能要求。

实施例1：

一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末所实施的铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复工艺，按如下工艺步骤依次展开：

合金粉末中具体成分为9.0wt.％si、0.2wt.％mg、0.8wt.％nd、0.1wt.％mn、0.05wt.％cu、0.25wt.％fe、0.05wt.％ni、0.1wt.％zn、0.02wt.％sn、余量为al。

a.分类处理：对铸铝散热器激光焊接炸孔进行外观尺寸测量，按直径分成3mm以下及3mm以上两类。

b.修复前清理：用锉刀将炸孔周围飞溅清理干净，用清洁棉签沾取适量丙酮(常规浓度即可)对激光焊接炸孔及周围进行擦拭清理，去除可能影响增材修复质量的焊灰及油污等杂质，再经压缩空气吹干；

c.前期预热：铸铝件的预热是取得激光焊接炸孔的激光增材修复成功的有效措施，预热时，应使铸铝件不直接与火焰炉底接触，以免过热氧化。由于通过观察零部件表面颜色判断预热温度比较困难，故应用测温器测量预热温度。

d.粉末放置：将粉末铺放在铸铝激光焊接炸孔的位置上，并填满，后用刮板将粉末铺平保证炸孔周围有足够填充粉末，采用最佳激光修复参数对缺陷处进行激光增材修复。

e.增材修复工艺：

1)对直径＜3mm的激光焊接炸孔采用激光定点修复，激光功率1.5kw、离焦量为2mm、光斑大小为0.2mm、保护气体流量(ar)为15l/min、激光照射时间0.2s、激光束入射角10°；

2)对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，激光功率1kw、离焦量为4mm、速度4m/min、保护气体流量(ar)15l/min、激光束入射角5°；

f.光束运动轨迹：对直径≥3mm的激光焊接炸孔采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向上进行单层多道往复扫描，搭接率为30％。

对不足3mm的炸孔，采用合适大小的光斑进行激光定点修复，对直径3mm以上的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长3，两侧同样(如图4所示，也就是说扫描的区域沿扫描的方向的长度，就是图4中的上下的方向要涵盖炸孔直径且，扫描区域的上下边缘距离炸孔外缘的最小距离为3mm)，垂直扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长2mm，两侧同样(这里说的距离就是如图4所示的左右方向的距离，左右方向的扫描区域边缘距离炸孔外缘的最小距离为2mm)，以保证炸孔边缘的接合性能。

激光加工头光斑外直径0.3mm，保护气采用99.999％ar。

c步骤中预热温度约250℃，保温时间为1小时，然后进行激光增材修复。

激光焊接炸孔的增材制造修复后，零部件在自然状态冷却到室温。

铸铝散热器激光焊接炸孔的粉末激光增材修复效果良好，经水压检测没有渗漏问题，炸孔被完全修复，达到散热器使用性能要求。

实施例2：

一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末所实施的铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复工艺，按如下工艺步骤依次展开：

合金粉末中具体成分为11.0wt.％si、0.5wt.％mg、0.4wt.％nd、0.05wt.％mn、0.03wt.％cu、0.20wt.％fe、0.03wt.％ni、0.05wt.％zn、0.01wt.％sn、余量为al。

a.分类处理：对铸铝散热器激光焊接炸孔进行外观尺寸测量，按直径分成3mm以下及3mm以上两类。

b.修复前清理：用锉刀将炸孔周围飞溅清理干净，用清洁棉签沾取适量丙酮(常规浓度即可)对激光焊接炸孔及周围进行擦拭清理，去除可能影响增材修复质量的焊灰及油污等杂质，再经压缩空气吹干；

c.前期预热：铸铝件的预热是取得激光焊接炸孔的激光增材修复成功的有效措施，预热时，应使铸铝件不直接与火焰炉底接触，以免过热氧化。由于通过观察零部件表面颜色判断预热温度比较困难，故应用测温器测量预热温度。

d.粉末放置：将粉末铺放在铸铝激光焊接炸孔的位置上，并填满，后用刮板将粉末铺平保证炸孔周围有足够填充粉末，采用最佳激光修复参数对缺陷处进行激光增材修复。

e.增材修复工艺：

1)对直径＜3mm的激光焊接炸孔采用激光定点修复，激光功率3.5kw、离焦量为5mm、光斑大小为4mm、保护气体流量(ar)为8l/min、激光照射时间0.5s、激光束入射角5°；

2)对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，激光功率2.5kw、离焦量为1mm、速度2m/min、保护气体流量(ar)8l/min、激光束入射角10°；

f.光束运动轨迹：对直径≥3mm的激光焊接炸孔采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向上进行单层多道往复扫描，搭接率为40％。

对不足3mm的炸孔，采用合适大小的光斑进行激光定点修复，对直径3mm以上的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长5mm，两侧同样(如图4所示，也就是说扫描的区域沿扫描的方向的长度，就是图4中的上下的方向要涵盖炸孔直径且，扫描区域的上下边缘距离炸孔外缘的最小距离为5mm)，垂直扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长4mm，两侧同样(这里说的距离就是如图4所示的左右方向的距离，左右方向的扫描区域边缘距离炸孔外缘的最小距离为4mm)，以保证炸孔边缘的接合性能。

激光加工头光斑外直径0.2mm，保护气采用99.999％ar。

c步骤中预热温度约350℃，保温时间为0.5小时，然后进行激光增材修复。

激光焊接炸孔的增材制造修复后，零部件在自然状态冷却到室温。

铸铝散热器激光焊接炸孔的粉末激光增材修复效果良好，经水压检测没有渗漏问题，炸孔被完全修复，达到散热器使用性能要求。

实施例3：

一种铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复专用合金粉末所实施的铸铝(zl101)散热器激光焊接炸孔的激光增材修复工艺，按如下工艺步骤依次展开：

合金粉末中具体成分为10.0wt.％si、0.3wt.％mg、0.5wt.％nd、0.01wt.％mn、0.01wt.％cu、0.10wt.％fe、0.02wt.％ni、0.08wt.％zn、0.01wt.％sn、余量为al。

a.分类处理：对铸铝散热器激光焊接炸孔进行外观尺寸测量，按直径分成3mm以下及3mm以上两类。

b.修复前清理：用锉刀将炸孔周围飞溅清理干净，用清洁棉签沾取适量丙酮(常规浓度即可)对激光焊接炸孔及周围进行擦拭清理，去除可能影响增材修复质量的焊灰及油污等杂质，再经压缩空气吹干；

c.前期预热：铸铝件的预热是取得激光焊接炸孔的激光增材修复成功的有效措施，预热时，应使铸铝件不直接与火焰炉底接触，以免过热氧化。由于通过观察零部件表面颜色判断预热温度比较困难，故应用测温器测量预热温度。

d.粉末放置：将粉末铺放在铸铝激光焊接炸孔的位置上，并填满，后用刮板将粉末铺平保证炸孔周围有足够填充粉末，采用最佳激光修复参数对缺陷处进行激光增材修复。

e.增材修复工艺：

1)对直径＜3mm的激光焊接炸孔采用激光定点修复，激光功率2.0kw、离焦量为5mm、光斑大小为2mm、保护气体流量(ar)为10l/min、激光照射时间0.3s、激光束入射角7°；

2)对直径≥3mm的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，激光功率2.0kw、离焦量为0.5mm、速度3m/min、保护气体流量(ar)10l/min、激光束入射角6°；

f.光束运动轨迹：对直径≥3mm的激光焊接炸孔采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向上进行单层多道往复扫描，搭接率为35％。

对不足3mm的炸孔，采用合适大小的光斑进行激光定点修复，对直径3mm以上的激光焊接炸孔，采用激光束扫描方式进行修复，沿扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长3mm，两侧同样(如图4所示，也就是说扫描的区域沿扫描的方向的长度，就是图4中的上下的方向要涵盖炸孔直径且，扫描区域的上下边缘距离炸孔外缘的最小距离为3mm)，垂直扫描方向的修复距离涵盖炸孔直径以及超出炸孔外缘向外延长3mm，两侧同样(这里说的距离就是如图4所示的左右方向的距离，左右方向的扫描区域边缘距离炸孔外缘的最小距离为3mm)，以保证炸孔边缘的接合性能。

激光加工头光斑外直径0.25mm，保护气采用99.999％ar。

c步骤中预热温度约300℃，保温时间为0.8小时，然后进行激光增材修复。

激光焊接炸孔的增材制造修复后，零部件在自然状态冷却到室温。

铸铝散热器激光焊接炸孔的粉末激光增材修复效果良好，经水压检测没有渗漏问题，炸孔被完全修复，达到散热器使用性能要求。