提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法技術

本發明專利技術涉及一種提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，屬于材料加工、表面強化領域。首先通過激光重熔技術實現焊接接頭表面改性后，再進行超聲表面滾壓處理。與單純的超聲表面滾壓處理方法相比，不僅能實現焊接接頭表面納米化及超低粗糙度，還能夠改善焊接接頭組織、消除焊接缺陷，增加表面改性層深度，從而大幅提高焊接接頭的疲勞強度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及材料加工、表面強化領域，特別涉及一種提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法。
技術介紹
超聲表面滾壓作為超聲沖擊的延續技術是一種簡便可靠、極大提高焊接接頭疲勞壽命的焊后處理新技術，近年來已經在疲勞延壽、表面改性等熱門研究領域得到廣泛關注和應用。超聲表面滾壓技術能夠在焊接接頭表層制備納米晶，同時引入殘余壓縮應力并顯著降低表面粗糙度。但是，由于一些材料(如鎂合金、鋁合金)強度相對較低，超聲表面滾壓通過塑性變形在材質表面形成的殘余壓縮應力也相對較小，在承受交變載荷時容易釋放，疲勞性能的提高效果會顯著降低。此外，超聲表面滾壓技術形成的納米晶層相對較薄，薄層的納米晶雖能夠抑制疲勞裂紋的萌生，但不能較大幅度改善焊接接頭的整體強度。關專利有超聲沖擊與電火花復合加工裝置和方法(CN103710495A)、超聲振動噴汽式電火花復合加工工藝及專用設備(CN101264535A)、超聲輔助電火花沉積修復與超聲拋光一體化裝置及其方法(CN101284341A)和超聲振動輔助電火花脈沖放電表面強化工藝(CN101967536A)等。這些方法所得的強化表面由于涉及表面涂層與基體間的結合強度較低，容易在結合處產生裂紋，因此在提高疲勞性能領域實用性不高。同時，上述部分方法因為經歷熱循環后并未進行表面塑形變形加工，因此在強化表面并不存在納米晶和殘余壓縮應力，這對疲勞性能的提高并未起到根本性作用，還會降低材料的疲勞性能。此外，有些方法在操作安全性方面存在很大隱患。現有的表面強化技術僅關注于超聲表面滾壓及激光重熔兩種技術單獨的加工方式、效果以及性能提高，鮮有二者結合的報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，解決了現有技術存在的上述問題。激光重熔后試樣的強度提高、組織改善，但激光重熔也帶來了表面粗糙度略微降低的缺點，重熔痕跡位置容易形成疲勞裂紋源。而超聲表面滾壓復合激光重熔處理后，消除了激光重熔帶來的表面粗糙度降低的問題，實現了表面納米化，得到了沿深度方向呈梯度變化的殘余壓應力層，同時保留了激光重熔帶來的深層次的組織改善、強度提高和部分焊接缺陷的消除等優點，因此疲勞性能有望得到進一步的提高。本專利技術具有操作簡單，適應性較好，重復性較強等優點，是一種非常具有實用價值的新方法。本專利技術的上述目的通過以下技術方案實現：提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，通過激光重熔技術實現焊接接頭組織改性后，再利用超聲表面滾壓處理實現機械強化，包括如下步驟：步驟1：將試樣固定于激光加工設備工作臺上，預設激光加工設備的加工參數；步驟2：開啟保護氣開關，以防止試樣在激光加工過程中發生氧化，然后開啟激光加工設備啟動開關進行激光重熔處理；步驟3：對激光加工后的試樣進行超聲表面滾壓處理，首先將試樣夾持于數控機床的卡盤上，調整好滾壓設備的參數，然后使滾壓頭與試樣接觸，施加預設的靜壓力；步驟4：開啟冷卻液開關，對試樣和滾壓頭接觸位置進行冷卻；步驟5：開啟滾壓裝置開關，啟動數控機床，進行超聲滾壓表面處理；步驟6：對加工完畢的試樣進行疲勞性能測試。將試樣沿受載方向進行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的方向進行超聲表面滾壓處理。激光加工過程中，不同位置只重熔一遍；在超聲表面滾壓處理時，采用往復、全覆蓋加工方法，在保證表面納米層最大深度的情況下獲得最優的表面粗糙度。超聲表面滾壓處理通過高頻沖擊實現晶粒碎化及細化，細化后晶粒尺寸達到了納米級別。所述的超聲表面滾壓處理的工具頭為碳化鎢硬質合金球滾壓頭，通過光滑的碳化鎢硬質合金滾壓頭的滾動降低了工具頭與試樣的摩擦，實現了焊接接頭表層粗糙度的顯著降低。所述的焊接接頭為去除余高，不存在應力集中的接頭形式。本專利技術的有益效果在于：可實現焊接接頭疲勞性能的顯著提高，并在表面獲得單一加工方法不能比擬的組織性能改善及殘余壓縮應力。本方法加工過程操作簡單明了，滾壓加工過程即使在普通非數控機床上也可得到很好的加工效果，具有成本低，效率高，效果好等特點。本專利技術基于超聲表面滾壓納米強化的特點，創新性的將當前表面改性領域應用較為廣泛的激光重熔技術與超聲表面滾壓技術復合。激光重熔是用激光束將表面熔化而不加任何金屬元素，以達到表面組織改善和強度提高的目的。激光重熔焊接接頭表層可以將受焊接熱循環影響產生的氧化物、硫化物夾雜、金屬化合物及氣孔等缺陷釋放出來，同時，由于迅速冷卻而使晶粒得到細化。因此，在激光重熔的基礎上進行超聲表面滾壓加工，除了能夠降低焊接接頭表面粗糙度和實現表面納米化外，還具有如下重要的特點：(1)材質表面改性層的深度增加、組織改善效果增強、接頭強度提高；(2)接頭強度的提高伴隨著表面滾壓加工時引入的壓縮應力也將提高；(3)能夠抑制一些析出相(如鎂合金焊接接頭的Mg17Al12)在近熔合線的熱影響區中沿晶界析出所形成的微裂紋，從而大幅度提高焊接接頭的疲勞強度。此方法將對焊接接頭的廣泛應用，降低疲勞失效風險具有重要的作用。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，構成本申請的一部分，本專利技術的示意性實例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。圖1為本專利技術的加工步驟流程圖；圖2為本專利技術的激光重熔加工時熔敷焊道的排布方式，重熔焊道沿試樣軸線直線排布，d為重熔焊道間距；圖3為本專利技術的激光重熔加工示意圖；圖4為本專利技術的超聲滾壓加工示意圖；圖5、圖6為本專利技術的超聲滾壓加工激光重熔后的試樣原理圖（試樣已加工和未加工部分的對比如圖所示）；圖7為本專利技術在用激光重熔與超聲滾壓復合的加工方法加工AZ31B鎂合金時，所用鎂合金試樣的尺寸；圖8為通過本專利技術加工方法處理前后鎂合金試樣表面形貌圖；圖9為通過本專利技術加工方法加工的試樣金相組織圖；圖10為通過本專利技術加工過程加工后的鎂合金的疲勞S-N曲線。圖中：1、激光束；2、保護氣；3、工作臺；4、卡盤；5、卡爪；6、重熔焊道；7、冷卻液噴嘴；8、冷卻液；9、滾壓頭；10、超聲滾壓裝置；11、光纖；12、激光器；13、激光加工機器人；14、激光槍；15、試樣。具體實施方式下面結合附圖進一步說明本專利技術的詳細內容及其具體實施方式。參見圖1，本專利技術的提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，通過激光重熔技術實現焊接接頭組織改性后，再利用超聲表面滾壓處理實現機械強化，包括如下步驟：步驟1：將焊接接頭疲勞試樣固定于激光加工設備工作臺3上，預設激光加工設備的加工參數；步驟2：開啟保護氣開關，以防止試樣在激光加工過程中發生氧化，然后開啟激光加工設備啟動開關進行激光重熔處理；步驟3：對激光加工后的試樣進行超聲表面滾壓處理，首先將試樣15夾持于數控機床的卡盤4上，并通過卡爪5固定，調整好滾壓設備的參數，然后使滾壓頭9與試樣15接觸，施加預設的靜壓力；箭頭方向為滾壓裝置靜壓力施加方向；步驟4：開啟冷卻液開關，對試樣和滾壓頭接觸位置進行冷卻；箭頭所指的方向為滾壓加工裝置的移動方向；步驟5：開啟滾壓裝置開關，啟動數控機床，進行超聲滾壓表面處理；步驟6：對加工完畢的試樣進行疲勞性能測試。將焊接接頭疲勞試樣沿受載方向進行多道非搭接激光重熔，重熔道次之間的距離由材料的性能而定，然后在垂直于重熔的方向進行超聲表面滾壓處理。激光加工過程中，不同位置只重本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，其特征在于：通過激光重熔技術實現焊接接頭組織改性后，再利用超聲表面滾壓處理實現機械強化，包括如下步驟：步驟1：將試樣固定于激光加工設備工作臺上，預設激光加工設備的加工參數；步驟2：開啟保護氣開關，以防止試樣在激光加工過程中發生氧化，然后開啟激光加工設備啟動開關進行激光重熔處理；步驟3：對激光加工后的試樣進行超聲表面滾壓處理，首先將試樣夾持于數控機床的卡盤上，調整好滾壓設備的參數，然后使滾壓頭與試樣接觸，施加預設的靜壓力；步驟4：開啟冷卻液開關，對試樣和滾壓頭接觸位置進行冷卻；步驟5：開啟滾壓裝置開關，啟動數控機床，進行超聲滾壓表面處理；步驟6：對加工完畢的試樣進行疲勞性能測試。

【技術特征摘要】
1.一種提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，其特征在于：通過激光重熔技術實現焊接接頭組織改性后，再利用超聲表面滾壓處理實現機械強化，包括如下步驟：步驟1：將試樣固定于激光加工設備工作臺上，預設激光加工設備的加工參數；步驟2：開啟保護氣開關，以防止試樣在激光加工過程中發生氧化，然后開啟激光加工設備啟動開關進行激光重熔處理；步驟3：對激光加工后的試樣進行超聲表面滾壓處理，首先將試樣夾持于數控機床的卡盤上，調整好滾壓設備的參數，然后使滾壓頭與試樣接觸，施加預設的靜壓力；步驟4：開啟冷卻液開關，對試樣和滾壓頭接觸位置進行冷卻；步驟5：開啟滾壓裝置開關，啟動數控機床，進行超聲滾壓表面處理；步驟6：對加工完畢的試樣進行疲勞性能測試。2.根據權利要求1所述的提高焊接接頭疲勞性能的超聲滾壓復合激光重熔方法，其特征在于：將試樣沿受載方向進行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙小輝，彭志剛，劉宇，趙博，張艷君，薛桂蓮，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22