提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法技术

本发明专利技术涉及一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，属于材料加工、表面强化领域。首先通过激光重熔技术实现焊接接头表面改性后，再进行超声表面滚压处理。与单纯的超声表面滚压处理方法相比，不仅能实现焊接接头表面纳米化及超低粗糙度，还能够改善焊接接头组织、消除焊接缺陷，增加表面改性层深度，从而大幅提高焊接接头的疲劳强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料加工、表面强化领域，特别涉及一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法。
技术介绍
超声表面滚压作为超声冲击的延续技术是一种简便可靠、极大提高焊接接头疲劳寿命的焊后处理新技术，近年来已经在疲劳延寿、表面改性等热门研究领域得到广泛关注和应用。超声表面滚压技术能够在焊接接头表层制备纳米晶，同时引入残余压缩应力并显著降低表面粗糙度。但是，由于一些材料(如镁合金、铝合金)强度相对较低，超声表面滚压通过塑性变形在材质表面形成的残余压缩应力也相对较小，在承受交变载荷时容易释放，疲劳性能的提高效果会显著降低。此外，超声表面滚压技术形成的纳米晶层相对较薄，薄层的纳米晶虽能够抑制疲劳裂纹的萌生，但不能较大幅度改善焊接接头的整体强度。关专利有超声冲击与电火花复合加工装置和方法(CN103710495A)、超声振动喷汽式电火花复合加工工艺及专用设备(CN101264535A)、超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置及其方法(CN101284341A)和超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺(CN101967536A)等。这些方法所得的强化表面由于涉及表面涂层与基体间的结合强度较低，容易在结合处产生裂纹，因此在提高疲劳性能领域实用性不高。同时，上述部分方法因为经历热循环后并未进行表面塑形变形加工，因此在强化表面并不存在纳米晶和残余压缩应力，这对疲劳性能的提高并未起到根本性作用，还会降低材料的疲劳性能。此外，有些方法在操作安全性方面存在很大隐患。现有的表面强化技术仅关注于超声表面滚压及激光重熔两种技术单独的加工方式、效果以及性能提高，鲜有二者结合的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，解决了现有技术存在的上述问题。激光重熔后试样的强度提高、组织改善，但激光重熔也带来了表面粗糙度略微降低的缺点，重熔痕迹位置容易形成疲劳裂纹源。而超声表面滚压复合激光重熔处理后，消除了激光重熔带来的表面粗糙度降低的问题，实现了表面纳米化，得到了沿深度方向呈梯度变化的残余压应力层，同时保留了激光重熔带来的深层次的组织改善、强度提高和部分焊接缺陷的消除等优点，因此疲劳性能有望得到进一步的提高。本专利技术具有操作简单，适应性较好，重复性较强等优点，是一种非常具有实用价值的新方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：步骤1：将试样固定于激光加工设备工作台上，预设激光加工设备的加工参数；步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样夹持于数控机床的卡盘上，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头与试样接触，施加预设的静压力；步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。将试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的方向进行超声表面滚压处理。激光加工过程中，不同位置只重熔一遍；在超声表面滚压处理时，采用往复、全覆盖加工方法，在保证表面纳米层最大深度的情况下获得最优的表面粗糙度。超声表面滚压处理通过高频冲击实现晶粒碎化及细化，细化后晶粒尺寸达到了纳米级别。所述的超声表面滚压处理的工具头为碳化钨硬质合金球滚压头，通过光滑的碳化钨硬质合金滚压头的滚动降低了工具头与试样的摩擦，实现了焊接接头表层粗糙度的显著降低。所述的焊接接头为去除余高，不存在应力集中的接头形式。本专利技术的有益效果在于：可实现焊接接头疲劳性能的显著提高，并在表面获得单一加工方法不能比拟的组织性能改善及残余压缩应力。本方法加工过程操作简单明了，滚压加工过程即使在普通非数控机床上也可得到很好的加工效果，具有成本低，效率高，效果好等特点。本专利技术基于超声表面滚压纳米强化的特点，创新性的将当前表面改性领域应用较为广泛的激光重熔技术与超声表面滚压技术复合。激光重熔是用激光束将表面熔化而不加任何金属元素，以达到表面组织改善和强度提高的目的。激光重熔焊接接头表层可以将受焊接热循环影响产生的氧化物、硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺陷释放出来，同时，由于迅速冷却而使晶粒得到细化。因此，在激光重熔的基础上进行超声表面滚压加工，除了能够降低焊接接头表面粗糙度和实现表面纳米化外，还具有如下重要的特点：(1)材质表面改性层的深度增加、组织改善效果增强、接头强度提高；(2)接头强度的提高伴随着表面滚压加工时引入的压缩应力也将提高；(3)能够抑制一些析出相(如镁合金焊接接头的Mg17Al12)在近熔合线的热影响区中沿晶界析出所形成的微裂纹，从而大幅度提高焊接接头的疲劳强度。此方法将对焊接接头的广泛应用，降低疲劳失效风险具有重要的作用。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的加工步骤流程图；图2为本专利技术的激光重熔加工时熔敷焊道的排布方式，重熔焊道沿试样轴线直线排布，d为重熔焊道间距；图3为本专利技术的激光重熔加工示意图；图4为本专利技术的超声滚压加工示意图；图5、图6为本专利技术的超声滚压加工激光重熔后的试样原理图（试样已加工和未加工部分的对比如图所示）；图7为本专利技术在用激光重熔与超声滚压复合的加工方法加工AZ31B镁合金时，所用镁合金试样的尺寸；图8为通过本专利技术加工方法处理前后镁合金试样表面形貌图；图9为通过本专利技术加工方法加工的试样金相组织图；图10为通过本专利技术加工过程加工后的镁合金的疲劳S-N曲线。图中：1、激光束；2、保护气；3、工作台；4、卡盘；5、卡爪；6、重熔焊道；7、冷却液喷嘴；8、冷却液；9、滚压头；10、超声滚压装置；11、光纤；12、激光器；13、激光加工机器人；14、激光枪；15、试样。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1，本专利技术的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：步骤1：将焊接接头疲劳试样固定于激光加工设备工作台3上，预设激光加工设备的加工参数；步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样15夹持于数控机床的卡盘4上，并通过卡爪5固定，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头9与试样15接触，施加预设的静压力；箭头方向为滚压装置静压力施加方向；步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；箭头所指的方向为滚压加工装置的移动方向；步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。将焊接接头疲劳试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，重熔道次之间的距离由材料的性能而定，然后在垂直于重熔的方向进行超声表面滚压处理。激光加工过程中，不同位置只重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：步骤1：将试样固定于激光加工设备工作台上，预设激光加工设备的加工参数；步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样夹持于数控机床的卡盘上，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头与试样接触，施加预设的静压力；步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。

【技术特征摘要】
1.一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：通过激光重熔技术实现焊接接头组织改性后，再利用超声表面滚压处理实现机械强化，包括如下步骤：步骤1：将试样固定于激光加工设备工作台上，预设激光加工设备的加工参数；步骤2：开启保护气开关，以防止试样在激光加工过程中发生氧化，然后开启激光加工设备启动开关进行激光重熔处理；步骤3：对激光加工后的试样进行超声表面滚压处理，首先将试样夹持于数控机床的卡盘上，调整好滚压设备的参数，然后使滚压头与试样接触，施加预设的静压力；步骤4：开启冷却液开关，对试样和滚压头接触位置进行冷却；步骤5：开启滚压装置开关，启动数控机床，进行超声滚压表面处理；步骤6：对加工完毕的试样进行疲劳性能测试。2.根据权利要求1所述的提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，其特征在于：将试样沿受载方向进行多道非搭接激光重熔，然后在垂直于重熔的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小辉，彭志刚，刘宇，赵博，张艳君，薛桂莲，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22