CN111545918B - 焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，将焊接或增材修复后的工件进行机加工处理后，采用激光抛光技术对工件表面进行激光抛光，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量，提高抛光效率；然后对激光抛光后的工件表面进行激光冲击强化，改变工件表面应力状态，使其全为压应力，提高工件的使用寿命；该将焊接或增材修复技术、激光抛光技术和激光冲击强化技术结合一体，可完成复杂零件复合制造，实现大幅度提高生产效率，也节约了成本。且能够实现修复区域微观组织改性、光洁度提高和力学性能改善的综合提升。

Description

焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料焊接或增材修复及焊接或修复后表面处理和强化技术领域，具体涉及一种焊接或增材修复金属表面激光抛光及激光冲击强化复合加工制造方法。

背景技术

近年来，在金属焊接或金属增材修复过程中常伴有飞溅、凸台、涟漪状纹理等问题，这些问题导致制造件的表面粗糙度较大，且在使用过程中易导致应力集中，引起开裂。对于简单结构件，常采用机械加工去除表面飞溅颗粒，焊接余高等，但机加工处理后的表面粗糙度较大，很难满足复杂结构件对表面粗糙度的要求。

焊接或增材修复后的工件表面粗糙度较大，在进行机加工处理后需要进行抛光处理才能满足复杂金属零件的使用要求；现阶段复杂金属零件如增材修复的整体叶盘，由于复杂曲面较多，常采用手工抛光的方式，但手工抛光效率低，质量较差会影响零件使用性能；激光抛光作为一种新兴的抛光技术，因具有非接触式、可选区、抛光粗糙度可调节等优势，被国内外学者所重视；激光冲击强化是一种先进的表面改性技术，通过在试样表面产生等离子体冲击波使试样表面发生变形和动态屈服，诱导材料表面形成硬化层和残余压应力层，同时改变材料表面的微观组织，从而使材料表面得以强化，显著改善金属材料的综合力学性能和耐磨耐腐蚀性能。

因此，目前任一单工艺因素难以实现高质量制造。

发明内容

本发明是针对上述任一单工艺因素难以实现高质量制造的问题，提供一种焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，该方法将焊接或增材修复技术、激光抛光技术与激光冲击强化技术相结合，构成复合一体化制造方法以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，该方法将焊接或增材修复技术、激光抛光技术和激光冲击强化技术结合一体，完成复杂零件复合制造，包括如下步骤：

步骤一，将待焊接或增材修复工件打磨、清洗及烘干后放置在数控工作台夹具中；

步骤二，根据所述工件尺寸和性能要求，设置相应的焊接参数或增材修复参数，激光抛光参数及激光冲击强化参数；

步骤三，根据所述焊接参数或增材修复参数，启动相应焊接或增材修复设备，对待加工工件进行焊接或增材修复，至焊缝完整且无明显缺陷或增材修复区域完整且无明显缺陷；

步骤四，在完成焊接或增材修复后，暂停所述焊接或增材修复设备，对焊接或增材修复余高进行初步机加工；移动载有工件的数控工作台到激光抛光设备下方，启动激光抛光设备，在惰性气体保护下对焊接或增材修复表面区域进行激光抛光处理，使工件表面降低至预设粗糙度；

步骤五，暂停激光抛光设备，移动载有工件的数控工作台到激光冲击强化设备下方，启动激光冲击强化设备，对工件表面进行冲击强化；其中：焊接工件强化区域为焊缝、热影响区和周围母材；增材修复工件强化区域为已增材修复区域、修复过程产生的热影响区和周围母材。

进一步地，还包括：

步骤六，对焊接或增材修复的工件进行表面粗糙度、残余应力检测，确定是否满足性能要求。

进一步地，步骤二中所述焊接或增材修复参数为：焊接电流80-120A，焊接速度50-150mm/min，送丝速度500-1500mm/min，焊丝直径1.2-1.6mm，正、背面保护气气流量15-20L/min。

进一步地，步骤二中所述的激光抛光参数为：激光波长408-1064nm，激光功率功率为100-1000W，搭接率10-90％，扫描速度100-2000mm/s。

进一步地，步骤二中所述激光冲击强化参数为：激光波长408-1064nm，脉宽15ps-15ns，光斑直径1-5mm，重复率1-50Hz，输出能量5-35J。

本发明优点在于：本发明提供的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，将焊接或增材修复后的工件进行机加工处理后，采用激光抛光技术对工件表面进行激光抛光，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量，提高抛光效率；然后对激光抛光后的工件表面进行激光冲击强化，改变工件表面应力状态，使其全为压应力，提高工件的使用寿命；该将焊接或增材修复技术、激光抛光技术和激光冲击强化技术结合一体，可完成复杂零件复合制造，实现大幅度提高生产效率，也节约了成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的激光抛光后TC17钛合金结构件表面电镜观察形貌图；

图3为本发明实施例提供的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造设备的加工示意图；

附图中：

1、焊接或增材设备；2、待修复工件；3、数控工作台；4、激光抛光器；5、激光冲击强化设备；6、已增材修复工件；7、已激光抛光工件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，该方法将焊接或增材修复技术、激光抛光技术与激光冲击强化技术相结合，基于焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化复合一体制造设备，能够实现修复区域微观组织改性、光洁度提高和力学性能改善的综合提升。

实施例1：

本发明实施例以实现电弧增材修复整体叶盘(以GE90发动机压气机为例，其所用材料：TC17钛合金)为例，将电弧增材技术、激光抛光技术与激光冲击强化相结合，其方法流程如图1所示，具体步骤如下所示：

步骤一，依次使用200目、400目、800目、1500目和2500目的砂纸对待增材修复工件2进行打磨后，置于丙酮中进行超声清洗，去除工件表面杂质与油污，随后放置120℃烘箱中烘干1小时；将清洗好的待修复工件放置在数控工作台3中，进行定位，装夹。

步骤二，根据待修复工件尺寸，将增材修复的三维模型导入设备中；设定电弧增材设备参数：焊接电流100A，焊接速度100mm/min，送丝速度1000mm/min，焊丝直径1.2mm，正、背面保护气气流量15L/min；

然后设定激光抛光设备参数：激光波长1064nm，激光功率为200W，搭接率50％，扫描速度200mm/s；

最后设定激光冲击强化设备参数：激光波长1064nm，脉宽15ns，光斑直径4mm，重复率1Hz，输出能量20J。

步骤三，启动焊接或增材设备1(TIG电源配合ABB机器人)，机器人根据步骤二中的增材路径代码执行，在气体保护下进行增材，直至增材完成(增材修复区域完整且无明显缺陷为止)；

步骤四，暂停焊接或增材设备1，增材修复后工件表面质量较差，先用机加工去除工件表面余高，移动已增材修复工件6至激光抛光器4(型号为BLC-100)的正下方，然后启动抛光激光器4，在惰性气体保护下对粗糙工件表面进行激光抛光处理，去除机加工留下的划痕、少量余高和飞溅等，激光抛光后测量工件表面粗糙度，如果工件表面粗糙度Ra＞0.5，继续抛光直到工件表面粗糙度Ra≤0.5，完成激光抛光过程。参照图2所示，为激光抛光后TC17钛合金结构件编码电镜观察形貌图，降低了工件表面粗糙度，提高了工件表面质量。

步骤五，激光抛光后的工件表面应力分布均匀，影响工件的使用寿命，将已激光抛光工件7移至激光冲击强化区域的正下方，调整激光强化设备5(比如为SGR-Extra-15型Nd：YAG强化系统)参数，对工件表面进行激光冲击强化，采用100μm厚的铝箔作为吸收层，去离子水作为约束层，水流厚度控制在1-2mm。激光经过外光路系统聚焦后，透过水膜照射到铝箔上，铝箔吸收高能量密度的激光后，在工件表面形成等离子体，在约束层的表面形成等离子体，在约束层的作用下产生高压冲击波并向工件内部传递，使表面以极高的应变速率发生塑性变形和动态屈服，从而实现对材料的强化，改善工件表面应力分布，使其残余应力为压应力状态，提高工件的使用寿命。

步骤六，待增材修复，激光抛光及激光冲击强化后，采用ZYGO Nex View三维白光干涉表面形貌仪对焊接或增材修复的工件进行表面粗糙度检测，采用Proto-LXRD型X射线应力分析仪和PRISM残余应力测试系统对工件进行残余应力等检测，是否到达使用要求。

实施例2：

本发明实施例以实现电弧增材修复飞机发动机涡轮叶片(其所用材料：TC17钛合金)为例，将电弧增材技术、激光抛光技术与激光冲击强化相结合，其方法流程如图1所示，具体步骤如下所示：

步骤一，依次使用200目、400目、800目、1500目和2500目的砂纸对待增材修复工件2进行打磨后，置于丙酮中进行超声清洗，去除工件表面杂质与油污，随后放置120℃烘箱中烘干1小时；将清洗好的待修复工件放置在数控工作台3中，进行定位，装夹。

步骤二，根据待修复工件尺寸，将增材修复的三维模型导入设备中；设定电弧增材设备参数：焊接电流80A，焊接速度50mm/min，送丝速度500mm/min，焊丝直径1.4mm，正、背面保护气气流量16L/min；

然后设定激光抛光设备参数：激光波长694nm，激光功率为100W，搭接率10％，扫描速度100mm/s；

最后设定激光冲击强化设备参数：激光波长694nm，脉宽15ps，光斑直径1mm，重复率10Hz，输出能量5J。

步骤三到步骤六，与实施例1相同。

实施例3：

本发明实施例以电弧增材修复汽车脚踏板(其所用材料：碳钢材质)为例，将电弧增材技术、激光抛光技术与激光冲击强化相结合，其方法流程如图1所示，具体步骤如下所示：

步骤一，依次使用200目、400目、800目、1500目和2500目的砂纸对待增材修复工件2进行打磨后，置于丙酮中进行超声清洗，去除工件表面杂质与油污，随后放置120℃烘箱中烘干1小时；将清洗好的待修复工件放置在数控工作台3中，进行定位，装夹。

步骤二，根据待修复工件尺寸，设定电弧增材设备参数：焊接电流120A，焊接速度150mm/min，送丝速度1500mm/min，焊丝直径1.6mm，正、背面保护气气流量20L/min；

然后设定激光抛光设备参数：激光波长408nm，激光功率为1000W，搭接率90％，扫描速度2000mm/s；

最后设定激光冲击强化设备参数：激光波长408nm，脉宽12ps，光斑直径5mm，重复率50Hz，输出能量35J。

步骤三到步骤六，与实施例1相同。

实施例4：

本发明实施例还提供一种焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化复合一体制造的设备，参照3所示，包括控制系统及受控于控制系统的移动平台3、焊接或增材设备1、激光抛光器4和激光冲击强化设备5。

工作原理如下：待修复工件2置于移动平台3，移动平台3带动工件实现X方向和Y方向的移动，以实现工件的焊接或增材修复、激光抛光和激光冲击强化，控制系统启动焊接或增材设备1，待焊接或增材修复完成，控制系统控制移动平台3移至激光抛光器4下方，控制系统启动激光抛光器4对已增材修复工件6进行抛光处理，待激光抛光完成，控制系统控制移动平台3移至激光冲击强化设备5下方，控制系统启动激光冲击强化设备5对已激光抛光工件进行激光冲击强化，待激光冲击强化完成，控制系统控制移动平台3移出，完成激光冲击强化。

本实施例中，将焊接或增材修复后的工件进行机加工处理后，采用激光抛光技术对工件表面进行激光抛光，降低工件表面粗糙度，提高工件表面质量，提高抛光效率；对激光抛光后的工件表面进行激光冲击强化，改变工件表面应力状态，使其全为压应力，提高工件的使用寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明实施例将焊接或增材修复、激光抛光与激光冲击强化相结合，满足复杂工件的使用性能；

(2)本发明实施例不仅可以提高复杂工件的抛光效率和表面性能，实现复杂工件快速抛光，精密抛光，而且通过激光冲击强化可以硬化复杂工件表面，改善复杂工件残余应力分布，提升复杂工件的力学性能，真正实现控型控性；

(3)本发明实施例可实现焊接或增材修复复杂工件的激光抛光与激光冲击强化，解决直接焊接或增材修复工件表面粗糙度差、残余应力分布不均匀，不易一体化制造等难题，真正实现复杂工件焊接或增材修复的控型控性，提高复杂工件一体化制造效率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，依次使用200目、400目、800目、1500目和2500目的砂纸对待焊接或增材修复的工件进行打磨后，置于丙酮中进行超声清洗，去除工件表面杂质与油污；随后放置在120℃烘箱中烘干1小时；将清洗好的待焊接或增材修复的工件放置在数控工作台中，进行定位，装夹；

步骤二，根据所述待焊接或增材修复的工件尺寸和性能要求，设置相应的焊接参数或增材修复参数，激光抛光参数及激光冲击强化参数；

步骤三，根据所述焊接参数或增材修复参数，启动相应焊接或增材修复设备，对待焊接或增材修复的工件进行焊接或增材修复；

步骤四，在完成焊接或增材修复后，暂停所述焊接或增材修复设备，对焊接或增材修复的工件余高进行初步机加工；移动载有工件的数控工作台到激光抛光设备下方，启动激光抛光设备，在惰性气体保护下对焊接或增材修复表面区域进行激光抛光处理，使工件表面降低至预设粗糙度；

步骤五，暂停激光抛光设备，移动载有工件的数控工作台到激光冲击强化设备下方，启动激光冲击强化设备，对工件表面进行冲击强化；

步骤二中所述的激光抛光参数为：激光波长408-694nm，激光功率为100-1000W，搭接率10-90％，扫描速度100-2000mm/s；

步骤二中所述激光冲击强化参数为：激光波长408-1064nm，脉宽15ps-15ns，光斑直径1-5mm，重复率1-50Hz，输出能量5-35J。

2.根据权利要求1所述的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，其特征在于，还包括：

步骤六，对工件进行表面粗糙度、残余应力检测，确定是否满足性能要求。

3.根据权利要求2所述的焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法，其特征在于，步骤二中所述焊接或增材修复参数为：焊接电流80-120A，焊接速度50-150mm/min，送丝速度500-1500mm/min，焊丝直径1.2-1.6mm，正、背面保护气气流量15-20L/min。

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