CN102922139A

CN102922139A - 净形修复系统

Info

Publication number: CN102922139A
Application number: CN2012104885679A
Authority: CN
Inventors: 齐欢; 杨艳; 崔新宇
Original assignee: SHANGHAI CAISHI LASER SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI CAISHI LASER SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明提供一种净形修复系统，其用于修复高性能材料金属零部件，所述净形修复系统包括机械臂、激光器、激光头、喷嘴、控制装置、送粉器和光学测量仪器，该净形修复系统通过使用光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，将其位置信息传递给控制装置，所述控制装置再计算得出修复路径，进而实时控制激光加工参数与机械臂自动地带动激光头、喷嘴沿该路径进行金属零部件的修复工作，由于该系统中光学测量仪器与控制装置的使用，大大提高了该系统的金属零部件修复效率与修复质量。

Description

净形修复系统

技术领域

本发明涉及金属零部件的净形修复技术，尤其涉及一种净形修复系统。

背景技术

工业产品中有大量高性能、高附加值的金属零部件需要修复，例如燃气轮机和飞机发动机的涡轮叶片、注塑或冲压模具、轧辊、刀具等。这些高性能材料零部件往往是决定整个机器装备使用周期寿命的薄弱环节。采用先进的检测与修复技术对存在缺陷和损伤的零部件进行自动化地修复，使其重新满足工业装备的使用要求，延长其使用寿命，可获得可观的技术与经济效益。以涡轮叶片为例，由于工作环境恶劣，选用材料往往是性能优异的镍基高温合金，材料本身昂贵，并且它的形状和内部结构极其复杂，铸造合格率一般很低，因此涡轮叶片的造价非常高昂。现代燃气轮机上每片单晶叶片的造价可高达3万美元，一般来讲，叶片修复的成本费用平均值仅为更换新叶片成本费用的20％，因此高性能涡轮叶片的修复可获得可观的技术经济效益。

这些金属零部件常见的坏损模式是表面的磨损、腐蚀、裂纹、材料缺失等。修复工艺通常需要清洗、打磨受损部位，再利用堆焊技术涂覆或再生出新的材料。当前，针对高性能金属零件修复的熔焊方法有钨极氩弧焊、等离子焊、电子束焊以及激光焊等。其中手工氩弧焊和等离子焊是较成熟的熔焊修复工艺，但是这些方法在修复过程中热输入较大，易产生较大的热应力和热影响区。电子束焊需要较高的真空度和专门的真空设备，修复成本较高。而激光熔覆技术，不需要造价高昂的真空设备，其较好的灵活性、可控性和精确的能量输入，为修复形状复杂的叶片提供了经济可靠的柔性修复手段。

对于如涡轮叶片等高性能材料金属零部件还没有先进的自动化的熔焊修复技术能够与激光熔覆技术相匹敌。例如，在熔焊的修复材料上，还局限于使用有晶界的多晶材料(与叶片母材的定向结晶和单晶合金相比多晶材料的抗氧化和高温蠕变性能显著下降)，利用热输入较大、很难精确控制的手工氩弧焊的手段修复单晶叶片。这使得修复后的零件强度、寿命和可修复的部位都有很大的局限性。另外，手工修复的效率低，其结果大大地依赖于焊工技艺等不确定因素。

激光净形制造，或称为激光金属直接沉积(Laser Direct Metal Deposition)制造技术，是20世纪90年代在快速成形技术的基础上，结合激光熔覆技术发展起来的一种无模快速制造技术。如图1所示，现有的激光净形修复系统均使用高功率激光束1’通过聚焦镜2’熔化由送粉器3’同步输送的原料粉末，在基材4’的配合运动下，逐点逐层堆焊新材料，通过不断生长制备出三维结构的零件。但由于这种传统修复系统的修复技术需要先通过工作人员手动移动基材4’，在修复结构较为复杂的金属零部件时其修复时间很长，且修复精度较低，此外，传统的激光净形修复系统，没有对熔池大小、温度等重要工艺参数的闭环控制功能，其修复质量往往较低，可靠性不高，导致这种修复系统的修复效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种净形修复系统，以解决现有技术中的修复系统修复效率低下及修复质量与精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种净形修复系统，其用于修复高性能材料金属零部件，所述净形修复系统包括机械臂、激光器、激光头、喷嘴、控制装置、送粉器和光学测量仪器，所述激光器通过光纤与所述激光头连接，并为所述激光头提供高能量激光光束，所述激光头和送粉器均与所述喷嘴连接，所述机械臂控制所述激光头与喷嘴在六自由度内移动，所述激光头调整、聚焦所述激光光束，并将所述激光光束传递向所述喷嘴处，所述送粉器将原料粉末送入所述喷嘴处，所述激光光束及原料粉末通过所述喷嘴传递到位于所述喷嘴下方的金属零部件上，所述机械臂、激光器、送粉器和光学测量仪器均与所述控制装置电信连接，所述光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，并将其位置信息反馈给所述控制装置。

进一步的，所述净形修复系统还包括夹具和工件加热设备，所述夹具夹住所述金属零部件，所述工件加热设备为所述金属零部件提供预热。

进一步的，所述净形修复系统还包括水冷装置，所述水冷装置通过冷却水路与所述激光器、激光头、夹具和金属零部件连接，所述水冷装置与所述控制装置电信连接。

进一步的，所述工件加热设备为电磁感应加热器。

进一步的，所述工件加热设备为热辐射加热装置(如石英灯)。

进一步的，所述净形修复系统还包括温度测量设备，所述温度测量设备与所述控制装置电信连接，所述温度测量设备测量所述金属零部件的温度，并将其温度信息反馈给所述控制装置。

进一步的，所述净形修复系统还包括环境控制箱，所述激光头、喷嘴、光学测量仪器、工件加热设备和金属零部件均位于所述环境控制箱内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的净形修复系统主要用于修复涡轮叶片等高性能材料金属零部件的外形缺陷，该系统通过使用光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，将其位置信息传递给控制装置，所述控制装置再计算得出修复路径，进而实时控制激光加工参数与机械臂自动地带动激光头、喷嘴沿该路径进行金属零部件的修复工作，由于该系统中光学测量仪器与控制装置的使用，大大提高了该系统的金属零部件修复效率与修复质量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为现有技术中激光金属直接沉积成型工艺的示意图；

图2为本发明实施例提供的净形修复系统的模块结构示意图；

图3为本发明实施例提供的净形修复系统的结构示意图。

在图1至图3中，

1’：激光束；1：机械臂；2’：聚焦镜；2：激光器；21：光纤；3’：送粉器；3：激光头；4’：基材；4：喷嘴；5：控制装置；6：送粉器；61：送粉管路；7：光学测量仪器；8：水冷装置；81：冷却水路；9：夹具；10：工件加热设备；11：温度测量设备；12：环境控制箱；13：金属零部件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的净形修复系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种净形修复系统，其用于修复高性能材料金属零部件，所述净形修复系统包括机械臂、激光器、激光头、喷嘴、控制装置、送粉器和光学测量仪器，所述激光器通过光纤与所述激光头连接，并为所述激光头提供高能量激光光束，所述激光头和送粉器均与所述喷嘴连接，所述机械臂控制所述激光头与喷嘴在六自由度内移动，所述激光头调整、聚焦所述激光光束，并将所述激光光束传递向所述喷嘴处，所述送粉器将原料粉末送入所述喷嘴处，所述激光光束及原料粉末通过所述喷嘴传递到位于所述喷嘴下方的金属零部件上，所述机械臂、激光器、送粉器和光学测量仪器均与所述控制装置电信连接，所述光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，并将其位置信息反馈给所述控制装置，本发明提供的净形修复系统主要用于修复涡轮叶片等高性能材料金属零部件的外形缺陷，该系统通过使用光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，将其位置信息传递给控制装置，所述控制装置再计算得出修复路径，进而实时控制激光加工参数与机械臂自动地带动激光头、喷嘴与送粉器沿该路径进行金属零部件的修复工作，由于该系统中光学测量仪器与控制装置的使用，大大提高了该系统的金属零部件修复效率与修复质量。

请参考图2和图3，图2为本发明实施例提供的净形修复系统的模块结构示意图；图3为本发明实施例提供的净形修复系统的结构示意图。

本发明实施例提供一种净形修复系统，其用于修复高性能材料金属零部件，所述净形修复系统包括机械臂1、激光器2、激光头3、喷嘴4、控制装置5、送粉器6和光学测量仪器7，所述激光器2通过光纤21与所述激光头3连接，并为所述激光头3提供高能量激光光束，所述激光头3和送粉器6均与所述喷嘴4连接，所述机械臂1控制所述激光头2与喷嘴4在六自由度内移动，所述激光头3调整、聚焦所述激光光束，并将所述激光光束传递向所述喷嘴4处，所述送粉器6通过所述送粉管路61将原料粉末送入所述喷嘴4处，所述激光光束及原料粉末通过所述喷嘴4传递到位于所述喷嘴4下方的金属零部件13上，所述机械臂1、激光器2、送粉器6和光学测量仪器7均与所述控制装置5电信连接，所述光学测量仪器7测量所述金属零部件13的外形位置，并将其位置信息反馈给所述控制装置5。

本发明提供的净形修复系统主要用于修复涡轮叶片等高性能材料金属零部件的外形缺陷，该系统通过使用光学测量仪器7测量所述金属零部件13的外形位置，将其位置信息传递给控制装置5，所述控制装置5再计算得出修复路径，进而实时控制激光加工参数与机械臂1自动地带动激光头3、喷嘴4与送粉器6沿该路径进行金属零部件13的修复工作，所述控制装置还能够接收到所述喷嘴4与送粉器6的位置信息，进行控制所述机械臂1实时调整所述激光头3、喷嘴4与送粉器6的位置，由于该系统中光学测量仪器7与控制装置5的使用，大大提高了该系统的金属零部件修复效率与修复质量。

进一步的，所述净形修复系统还包括夹具9和工件加热设备10，所述夹具9夹住所述金属零部件13，所述工件加热设备10为所述金属零部件13提供预热。

进一步的，所述净形修复系统还包括水冷装置8，所述水冷装置8通过冷却水路81与所述激光器2、激光头3、夹具9和金属零部件13连接，所述水冷装置8与所述控制装置5电信连接，所述水冷装置8用于通过所述冷却水路81为所述激光器2、激光头3、夹具9和金属零部件13提供冷却水，以防止这些部件的温度过高而损坏该净形修复系统的性能。

激光金属沉积成形是一个十分复杂的非平衡短时物理冶金过程，涉及到激光作用下合金粉末的熔化、已沉积材料的表面重熔、连续移动小熔池的非平衡凝固等过程，成形时高的温度梯度及复杂的热作用过程将在金属零部件内部形成复杂的热应力、组织应力及外加约束力，导致零件的变形及开裂，对金属零部件13进行预热是对这些工艺缺陷的有效控制手段。

在本实施例中，工件加热设备为电磁感应加热器，可以想到的是，使用热辐射加热设备(如石英灯)或其他加热设备也可以实现金属零部件13的预热工作。

进一步的，所述净形修复系统还包括温度测量设备11，所述温度测量设备11与所述控制装置5电信连接，所述温度测量设备11测量所述金属零部件13的温度，并将其温度信息反馈给所述控制装置5，当金属零部件13的温度过高时，控制装置5会控制水冷装置8对金属零部件13进行冷却工作，以确保修复过程正常进行。

进一步的，所述净形修复系统还包括环境控制箱12，所述激光头3、喷嘴4、光学测量仪器7、工件加热设备10和金属零部件13均位于所述环境控制箱12内，所述环境控制箱12为修复工作提供密封箱体，和惰性气体循环系统，过滤除去氧气和水蒸气(含量小于10PPM)，保证金属零部件的修复材料不被氧化，并具有较好的质量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种净形修复系统，用于修复高性能材料金属零部件，其特征在于，包括机械臂、激光器、激光头、喷嘴、控制装置、送粉器和光学测量仪器，所述激光器通过光纤与所述激光头连接，并为所述激光头提供高能量激光光束，所述激光头和送粉器均与所述喷嘴连接，所述机械臂控制所述激光头与喷嘴在六自由度内移动，所述激光头调整、聚焦所述激光光束，并将所述激光光束传递向所述喷嘴处，所述送粉器将原料粉末送入所述喷嘴处，所述激光光束及原料粉末通过所述喷嘴传递到位于所述喷嘴下方的金属零部件上，所述机械臂、激光器、送粉器和光学测量仪器均与所述控制装置电信连接，所述光学测量仪器测量所述金属零部件的外形位置，并将其位置信息反馈给所述控制装置。

2.根据权利要求1所述净形修复系统，其特征在于，还包括夹具和工件加热设备，所述夹具夹住所述金属零部件，所述工件加热设备为所述金属零部件提供预热。

3.根据权利要求2所述净形修复系统，其特征在于，还包括水冷装置，所述水冷装置通过冷却水路与所述激光器、激光头、夹具和金属零部件连接，所述水冷装置与所述控制装置电信连接。

4.根据权利要求2所述净形修复系统，其特征在于，所述工件加热设备为电磁感应加热器。

5.根据权利要求2所述净形修复系统，其特征在于，所述工件加热设备为热辐射加热装置。

6.根据权利要求5所述净形修复系统，其特征在于，所述工件加热设备为石英灯。

7.根据权利要求1所述净形修复系统，其特征在于，还包括温度测量设备，所述温度测量设备与所述控制装置电信连接，所述温度测量设备测量所述金属零部件的温度，并将其温度信息反馈给所述控制装置。

8.根据权利要求1至7任一项所述净形修复系统，其特征在于，还包括环境控制箱，所述激光头、喷嘴、光学测量仪器和金属零部件均位于所述环境控制箱内。

9.根据权利要求2所述净形修复系统，其特征在于，还包括环境控制箱，所述工件加热设备位于所述环境控制箱内。