一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法

技术领域

本发明属于激光增材修复领域，涉及一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法。

背景技术

薄壁铝合金筒状结构在铸造、机加等制造过程或在服役过程中产生的疏松、扎刀、腐蚀、磨损等缺陷，在使用传统的电弧堆焊修复时，因铝合金材料的导热系数大，容易产生变形，特别是针对薄壁弱刚性壳体结构。

激光送粉沉积成形技术具有热输入量低的优点，其产生的结构变形要大大小于电弧堆焊，特别适合于薄壁弱刚性壳体结构的修复。但铝合金材料的反射率高，粉末材料表面易产生氧化膜，同时又由于激光束加热形成的熔池存在时间短，基体内由于溶解度变化析出的氢气体及粉末表面氧化膜受热分解产生的气体来不及溢出熔池，导致易形成气孔缺陷，进而导致铝合金激光熔化沉积工艺窗口较窄，沉积难度较大。此外，尽管相比较于电弧堆焊变形要小，但由于局部加热导致的温度不均匀仍会导致零件产生一定的变形。因此，要将激光送粉沉积成形技术应用于薄壁铝合金筒状结构修复，需要发明一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法。

发明内容

针对铝合金激光送粉沉积成形过程易产生气孔的问题，本发明的目的在于提供一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法。

本发明提出一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法，包括：清理去除铝合金筒状结构待修复区域表面的油污；激光束通过激光扫描振镜以往复运动的方式振荡扫描作用于铝合金筒状结构表面待修复区域并形成熔池，同时利用位于激光束两侧的火焰加热铝合金筒状结构表面；通过粉末输送导管将铝合金粉末输送到所述熔池中，并且将惰性气体通过保护气输送导管输送到熔池形成保护气氛；所述粉末输送导管、保护气输送导管随激光扫描振镜一起按照预先规划好的路径完成所述待修复区域的扫描成形。

进一步的，所述激光扫描振镜的往复运动方式为“Z”字型或“∞”形。

进一步的，所述火焰为氧乙炔火焰，所述惰性气体为氩气。

进一步的，所述激光束功率为1000W～3000W，震荡扫描频率为100HZ～300HZ，扫描幅度为1mm～3mm。

进一步的，所述激光束通过激光扫描振镜以往复运动的方式振荡扫描作用于铝合金筒状结构表面时，在成形开始的一段时间内激光束扫描时所采用的激光束功率大于后续时间的激光束功率。

进一步的，所述铝合金粉末的尺寸为50μm～150um，所述铝合金粉末的送粉量为1g/min～3g/min。

进一步的，所述铝合金粉末的成分包括Al-Si系或Al-Si-Mg系铝合金。

进一步的，在所述激光束通过激光扫描振镜以往复运动的方式振荡扫描作用于铝合金筒状结构表面之前，先将惰性气体通过保护气输送导管输送至铝合金筒状结构表面待修复区域。

进一步的，完成所述待修复区域的扫描成形后，采用砂轮打磨或机械加工的方式去除多余的熔敷层。

进一步的，当零件修复区域面积小于16平方厘米时采用砂轮打磨方式去除多余的熔敷层，当件修复区域面积大于等于16平方厘米时时采用机械加工的方式除多余的熔敷层。

本发明方法以“∞”形状高频振荡扫描的激光束改变了熔池内液体流动方式，扫描的频率可达100HZ～300HZ，增加了熔池凝固时间，使得基体内由于溶解度变化析出的氢气体及粉末表面氧化膜受热分解产生的气体得以在熔池凝固前溢出，得到无气孔缺陷的成形组织；位于激光束两侧、伴随激光束一起运动的氧乙炔火焰加热薄壁铝合金筒状结构表面，缓解了激光熔敷成形时温度不均匀性，有助于减小零件变形。

附图说明

图1薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复系统示意图；

其中，1为激光扫描振镜；2为氧乙炔火焰枪；3为薄壁铝合金筒状结构零件；4为送粉器；5为激光器；6为氧乙炔瓶；7为氩气瓶；8为保护气输送导管；9为粉末输送导管。

图2激光束与氧乙炔加热区域示意图；

其中，10为以“∞”形状高频振荡扫描已成形区域，11为待扫描成形区域，12为氧乙炔火焰加热区域。

具体实施方式

本发明一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法，其中，本发明利用激光送粉沉积成形修复系统针对薄壁铝合金桶状结构实施激光送粉沉积成形修复。

如图1所示，所述修复系统包括：激光扫描振镜1、氧乙炔火焰枪2、薄壁铝合金筒状结构零件3、送粉器4、激光器5、氧乙炔瓶6、氩气瓶7、保护气输送导管8、粉末输送导管9。激光扫描振镜1连接激光器5，氧乙炔火焰枪2连接氧乙炔瓶6，保护气输送导管8连接氩气瓶7，粉末输送导管9连接送粉器4，激光扫描振镜1、氧乙炔火焰枪2、保护气输送导管8及粉末输送导管9固定在一个支架上。

激光扫描振镜1用于将激光器5产生的激光束以“Z”字型或“∞”形高频振荡扫描方式输出。氧乙炔火焰枪2的作用是产生氧乙炔火焰。薄壁铝合金筒状结构零件3作为待修复的零件。送粉器4用于将铝合金粉末输送进粉末输送导管9。激光器5用于产生指定功率的激光束。氧乙炔瓶6用于存储氧气与乙炔气体。氩气瓶7用于存储高纯度氩气。保护气输送导管8用于将氩气精准地输送至激光束加热薄壁铝合金筒状结构零件3表面形成的熔池附近。粉末输送导管9用于将铝合金粉末精准地输送至激光束加热薄壁铝合金筒状结构零件3表面形成的熔池内。

本发明的方法包括以下步骤：首先采用激光清理方式去除待修复区域表面油污；激光束通过激光扫描振镜1以“Z”或“∞”形状高频振荡扫描作用于铝合金筒状结构表面待修复区域并形成熔池，同时位于激光束两侧的氧乙炔火焰加热铝合金筒状结构表面；送粉器4通过粉末输送导管9将铝合金粉末输送到熔池中，氩气通过保护气输送导管8输送到熔池附近形成保护气氛；氧乙炔与保护气输送导管8、粉末输送导管9随激光束一起按预先规划好的路径完成整个修复区域的扫描成形；最后，采用砂轮打磨或机械加工的方式保证零件精度。

在上述技术方案的基础上，本发明还进一步包括：

光纤激光束以“Z”或“∞”形状高频振荡扫描方式向前运动，激光功率为1000W～3000W，扫描频率为100HZ～300HZ，扫描幅度为1mm～3mm。

位于激光束两侧的氧乙炔火焰加热铝合金筒状结构表面，氧乙炔火焰轴线与激光束轴线之间的距离、氧乙炔火焰加热范围可以通过调节氧乙炔枪的位置实现。

无需对基体进行预热，在进行第一道堆积时采用较大的激光功率，随后可采用较小的激光功率堆积。

铝合金粉末尺寸为50μm～150um，送粉量为1g/min～3g/min，成分种类包括但不限于Al-Si系、Al-Si-Mg系铝合金。

最初开始沉积成形时要先于激光束和粉末开启保护气输送。

当零件修复区域面积小于16平方厘米时采用砂轮打磨方式去除多余的熔敷层，当件修复区域面积大于等于16平方厘米时时采用机械加工的方式除多余的熔敷层。

实施例

一种薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法，以某一薄壁铝合金筒状结构为例，详细介绍本发明的处理方法。该零件直径600mm，长1100mm，壁厚3mm，外表面涂有防腐漆，材料为5A06铝合金。由于该零件长时间处于腐蚀环境下，局部防腐漆失效脱落，造成了分布在50mm×20mm范围内深浅不一的腐蚀坑。

薄壁铝合金筒状结构激光送粉沉积成形修复方法包括以下过程：

1)将薄壁铝合金筒状结构放置在支架上，采用激光清洗去除零件表面油漆，范围为60mm×70mm，如图2所示，包括了激光熔敷成形区10和氧乙炔火焰加热区12，激光功率为3000W。

2)将经过烘干的尺寸为50μm～150um的AlSi10Mg铝合金球形粉末放置到送粉器内，其成分如表1所示。

表1AlSi10Mg铝合金化学成分

3)调节氧乙炔枪的位置，使其轴线与激光束轴线之间的距离为25mm，单个氧乙炔火焰加热区域为直径20mm的圆形区域。

4)将固定激光扫描振镜、氧乙炔枪、保护气与粉末输送导管的支架放置在指定位置，以便从规划好的位置开始激光熔敷成形。

5)采用纯度不低于99.99％的惰性气体氩气作为保护气，开启保护气输送，保护气流量为16L/min。

6)保护气开启5s后，同步开启激光器、氧乙炔火焰枪和送粉装置，图2所示，通过振镜使激光束以“∞”形扫描方式输出，以“∞”形状高频振荡扫描已成形区域10，待扫描成形区域11，氧乙炔火焰加热铝合金桶状结构表面的区域12，激光器开启5s内激光功率2500W，随后激光功率调整为2000W，扫描频率100HZ，扫描幅度3mm，采用纯度不低于99.99％氩气输送AlSi10Mg铝合金粉末，送粉量为1.5g/min。激光束以“∞”形扫描方式作用于零件表面，改变了熔池内液体流动方式，增加了熔池凝固时间，使得基体内由于溶解度变化析出的氢气体及粉末表面氧化膜受热分解产生的气体得以在熔池凝固前溢出，得到无气孔缺陷的成形组织；位于激光束两侧、伴随激光束一起运动的氧乙炔加热薄壁铝合金筒状结构表面，缓解了激光熔敷成形时温度不均匀性，有助于减小零件变形。

7)当激光束按照设定的轨迹完成扫描运动后，在薄壁铝合金筒状结构零件需修复位置表面形成一层激光熔敷成形层，将深浅不一样的腐蚀坑填平。采用砂轮打磨去除多余的成形层，保证零件的尺寸精度要求。

8)经检测，激光熔敷成形层内无气孔产生，零件整体变形小于0.2mm，满足技术要求。