CN106148944A - 一种大型钛合金零件激光修复装备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光修复装备,具体地说是一种大型钛合金零件激光修复装备。包括惰性气体保护箱及设置于惰性气体保护箱内的运动执行系统、移动平台机构、激光熔覆头及主体框架,其中移动平台机构设置于惰性气体保护箱的底部、并可由惰性气体保护箱内进出,所述运动执行系统设置于主体框架上,所述激光熔覆头设置于运动执行系统上、并通过运动执行系统的驱动对放置在移动平台机构上的待修复零件进行多角度的修复。本发明修复效果显著、修复加工效率高、设备运行成本低、无污染。

Description

一种大型钛合金零件激光修复装备
技术领域
本发明涉及一种激光修复装备,具体地说是一种大型钛合金零件激光修复装备。
背景技术
钛合金材料具有密度小、比强度高、工作温度范围宽、抗蚀性好等优点。目前,在航空航天领域,钛合金材料的应用越来越广泛,例如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零件。目前,钛合金零件加工制造的成本非常高,一方面原因是由于钛合金原料价格较高;另一方面是由于钛合金材料加工过程中十分容易导致刀具后刀面的剧烈摩擦和粘结磨损,这类零件往往需要花费数百小时的加工工作量,并且磨损大量的刀具。
大型钛合金零件激光修复装备的研制具有非常重大的现实意义。由于人们期待飞机寿命不断延长,因此需要更加复杂的修复和检测工艺。在航空、航天领域中,钛合金零件经常产生一些裂纹或磨损,并且裂纹或磨损的深度难以直接测量,采用其它修复技术无法发挥作用。大型钛合金零件一般高达几十万元甚至上百万元,一旦在加工过程中出现失效现象只能报废处理,这将造成巨大的经济损失。
采用激光修复技术,可以根据裂纹或磨损情况多次打磨,将裂纹或磨损逐步清除,打磨后的沟槽用激光修复技术添加粉末的多层熔覆工艺填平,即可重建损伤结构件,恢复其使用性能。激光修复技术利用高能密度的激光束所产生的快速熔凝作用,在被修复零件表面形成与基材相互熔合的合金覆层,从而实现对修复损伤部位的修复作用。钛合金材料零件的激光修复工艺具有易于实现自动化、热应力低、热变形小、与基材结合程度好等优点,涡轮和涡扇发动机叶片、叶盘、大型框架结构等,都可以通过激光修复技术得到修复。因此,采用激光修复技术进行钛合金零件的损伤修复具有非常好的发展前景。
目前,现有的大型钛合金零件激光修复装备存在一些待改进之处:
(1)需要解决修复过程中大型钛合金零件的防氧化问题。由于钛合金材料化学活性比较强,在修复过程中钛合金材料极易与空气中的氧气和水发生化学反应,从而导致熔覆材料发生氧化而使修复失效。因此,必须将待修复零件放置到没有氧气和水的环境中进行激光修复,才能确保熔覆材料的组织性能和结合性能。本发明通过设计位于设备外部的惰性气体保护箱,较好地解决了激光修复过程中大型钛合金零件的防氧化问题。
(2)需要解决修复过程中激光熔覆头与待修复零件之间的位置干涉问题。传统激光修复设备的激光熔覆头不具备摆动坐标,因此激光熔覆头只能进行X、Y、Z三个方向运动。而待修复零件的损伤位置可能位于侧面、底侧甚至构件内侧,采用传统激光修复设备进行这些零件的修复加工时,不可避免地会发生激光熔覆头与待修复零件之间的干涉现象,导致修复工作无法进行。为解决这一问题,传统方法是为不同的修复零件设计并制造不同的工装,这种方法费时费力,成本很高,无法适应大型钛合金零件激光修复多品种、小批量的要求。
(3)需要解决大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上料和下料问题。待修复大型钛合金零件一般尺寸较大、重量较重,有的框梁结构零件尺寸可能长达2米,重量达几百公斤,人工搬运十分困难。此外,惰性气体保护箱设计比较紧凑,由操作者进入到惰性气体保护箱内部放置待修复零件十分不便。因此,必须解决待修复大型钛合金零件的上料和下料问题,才能方便地实现大型钛合金零件的激光修复。
(4)需要解决激光光束与待修复零件加工零点找正问题。在激光修复中工过程中,待修复工件被放置到惰性气体保护箱内部,与操作者距离很远,因此操作者无法直接观察激光光束与待修复零件零点位置之间的位置关系。因此,必须解决激光光束与待修复零件的加工零点对齐问题,才能确保大型钛合金零件激光修复的加工精度。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种大型钛合金零件激光修复装备。该激光修复装备解决修复过程中大型钛合金零件的防氧化问题、激光熔覆头与待修复零件之间位置干涉问题、大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上料和下料问题和激光光束与待修复零件加工零点找正等问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,包括惰性气体保护箱及设置于惰性气体保护箱内的运动执行系统、移动平台机构、激光熔覆头及主体框架,其中移动平台机构设置于惰性气体保护箱的底部、并可由惰性气体保护箱内进出,所述运动执行系统设置于主体框架上,所述激光熔覆头设置于运动执行系统上、并通过运动执行系统的驱动对放置在移动平台机构上的待修复零件进行多角度的修复。
所述惰性气体保护箱包括箱体、过渡舱及基座,其中箱体设置于基座上,所述过渡舱设置于箱体的一侧,用于小型待加工件的进出,所述过渡舱内设有滑动托盘;所述箱体的前面靠近过渡舱的一侧设有手套口,所述箱体的左、右两侧分别设有左侧入口舱门和右侧入口舱门,所述箱体的前后均设有观察窗。
所述运动执行系统包括依次相连接的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构、Z轴直线运动机构及机械摆头,所述X轴直线运动机构设置于主体框架上,所述激光熔覆头设置于机械摆头上。
所述X轴直线运动机构包括X轴直线导轨、X轴滑块、X轴驱动机构及横梁,所述主体框架顶部两侧分别设有X轴直线导轨,所述横梁的两端分别通过X轴滑块与两个X轴直线导轨滑动连接,所述X轴驱动机构设置于主体框架上、并与横梁连接,X轴驱动机构可驱动横梁沿X轴直线导轨作直线运动;
所述Y轴直线运动机构包括Y轴直线导轨、Y轴滑块及Y轴驱动机构,所述Y轴直线导轨和Y轴驱动机构设置于横梁上,所述Y轴滑块与Y轴直线导轨滑动连接,所述Y轴驱动机构与Y轴滑块连接,所述Y轴滑块通过Y轴驱动机构的驱动沿Y轴直线导轨作直线运动;
所述Z轴直线运动机构包括相连接的Z轴和一台电动引动器,所述电动引动器的滑块部分与Y轴滑块固定座固定在一起,本体部分作为悬伸轴、并与Z轴连接,所述Z轴的末端安装机械摆头和激光熔覆头,所述Z轴通过电动引动器的驱动带动机械摆头及激光熔覆头进行垂直方向的运动。
所述机械摆头包括B轴旋转机构和C轴旋转机构,其中C轴旋转机构与Z轴直线运动机构连接,所述B轴旋转机构安装在C轴旋转机构上、并与激光熔覆头连接。
所述C轴旋转机构包括伺服电机I、减速器I、C轴固定座、轴及行星传动机构,其中轴转动安装在C轴固定座上、并上端与Z轴直线运动机构连接,所述伺服电机I和减速器I连接、并均安装在C轴固定座上,所述减速器I的输出轴通过行星传动机构与轴连接,所述C轴固定座通过伺服电机I的驱动绕轴转动;
所述B轴旋转机构包括为B轴固定座、减速器II及伺服电机II,其中B轴固定座与C轴固定座连接,所述伺服电机II和减速器II连接、并均安装在B轴固定座上,所述减速器II的输出轴与激光熔覆头连接;所述B轴旋转机构和C轴旋转机构的旋转轴线垂直。
所述行星传动机构包括齿形带轮I、齿形带、齿形带轮II及张紧装置,其中齿形带轮I套设于减速器I的输出轴上,所述齿形带轮II套设于轴上、并通过齿形带与齿形带轮I连接,所述齿形带轮I通过伺服电机I的驱动自传的同时绕轴公转,所述张紧装置设置于C轴固定座上、并与齿形带啮合,用于对齿形带进行张紧。
所述移动平台机构包括工作台、支撑梁、平台直线导轨、承重滚轮、支承内轨道、平台滑块、调整板及平台驱动机构,其中工作台的上表面设有用于安装工装夹具的T型槽,下表面两侧分别连接有支撑梁,各支撑梁的底部与支承内轨道滑动连接,所述工作台的两端均设有承重滚轮,用于工作台伸出缩回时支撑工作台;所述支撑梁的两侧分别设有平台直线导轨,所述调整板一侧与支承内轨道固连,另一侧通过平台滑块与平台直线导轨滑动连接,所述工作台通过平台驱动机构的驱动沿支承内轨道作直线运动。
所述支承内轨道的外侧设有活动轨道,活动轨道分为箱内部分、折叠部分和箱外固定部分,所述折叠部分装有销轴关节与箱外固定部分相联接,开箱送料时绕箱外固定部分展开,一端搭接在箱外部分上,另一端搭接在箱内部分上。
所述平台驱动机构包括三相交流电机、齿轮及齿条,其中齿条设置于工作台的底部,所述齿轮设置于三相交流电机的输出轴上、并与齿轮啮合。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明中由于保护箱内部的气体压力与外部压力大体相当,避免了采用真空设计而导致的厚重结构,减轻了装备的整体尺寸和重量,提高了装备使用的安全性。惰性气体保护箱的设计还包括手套箱和过渡仓,这两项设计利于在不开启修复装备舱门的情况下将小型零件放置或取出惰性气体保护箱,减少了频繁开启装备舱门破坏保护箱内气体气氛而导致使用装备使用成本上升。
2.本发明通过增加两个自由度,可以实现大型钛合金零件侧面或底面损伤位置的激光修复,而不必为每个修复零件制作专门的工装或夹具,大大节约了大型钛合金零件激光修复的成本,缩短了零件修复的整体周期。
3.本发明通过可进出的工作台,解决大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上下料问题。
4.本发明通过在激光熔覆头上配备工业CCD,解决激光器光束与待修复零件加工零点之间的找正问题。
5.本发明基于激光熔覆技术实现大型钛合金构件损伤部位的激光修复,并解决修复过程中大型钛合金零件的防氧化问题、激光熔覆头与待修复零件之间位置干涉问题、大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上料和下料问题和激光光束与待修复零件加工零点找正等问题。
6.本发明修复效果显著、修复加工效率高、设备运行成本低、无污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明去掉惰性气体保护箱的结构示意图;
图3为本发明激光熔覆头的连接示意图;
图4为本发明机械摆头的结构示意图;
图5为本发明移动工作台的结构示意图;
图6为图5的左视图。
其中:1为惰性气体保护箱,101为箱体,102为观察窗,103为手套口,104为过渡舱,105为左侧入口舱门,106为右侧入口舱门,107为基座,2为运动执行系统,201为X轴直线导轨,202为Y轴直线导轨,203为Y轴驱动机构,204为X轴驱动机构,205为横梁,206为Z轴,207为机械摆头,208为联接法兰,211为伺服电机I,212为加速器I,213为C轴固定座,214为齿形带轮I,215为齿形带,216为张紧装置,217为轴,218为齿形带轮II,219为轴承座,220为隔套,221为轴承,222为锁紧套,223为压盖,224为锁紧螺母,225为B轴固定座,226为减速器II。227为伺服电机II,3为移动平台机构,301为工作台,302为支撑梁,303为直线导轨,304为承重滚轮,305为支承内轨道,306为滑块,307为调整板,308为箱内部轨道,309为折叠部分轨道,310为箱外部分轨道,311为三相交流电机,312为齿轮,313为齿条,314为行程开关,4为激光熔覆头,5为主体框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1-3所示,本发明包括惰性气体保护箱1及设置于惰性气体保护箱1内的运动执行系统2、移动平台机构3、激光熔覆头4及主体框架5,其中移动平台机构3设置于惰性气体保护箱1的底部、并可由惰性气体保护箱1内进出,所述运动执行系统2设置于主体框架5上,所述激光熔覆头4设置于运动执行系统2上、并通过运动执行系统2的驱动对放置在移动平台机构3上的待修复零件进行多角度的修复。
所述主体框架5作为设备的主体机架,用于安装支承激光修复装备的主要大型部件,如横梁、垂直轴、管线回路等,以及承受工作载荷和重力载荷。所述主体框架5采用方钢管焊接的空间框架结构,组成架体的连杆结合处设计有角支承,两侧作为梁使用的水平方钢管中点设有支承柱,因此有效减小了扭曲变形与下垂量。整个框架底面设计有六处焊接的底板,用于安装垫铁与地脚螺栓,并通过它们与地面紧固联接。这种架体作为空间超静定结构,无悬伸构件,刚度大承载力强,且经过有效的焊后热处理,尺寸稳定,可以满足激光修复加工的实际要求;此外采用焊接的方式,由于取材容易,制作简便,缩短了整个装备的研制周期,节约了时间和人力成本。
如图1所示,所述惰性气体保护箱1包括箱体101、过渡舱104及基座107,其中箱体101设置于基座107上,以提高整机底部密封性。基座7为钢板,落于地基地面上,四周地脚螺栓固定在安装地面上。所述过渡舱104设置于箱体101的一侧,用于小型待加工件的进出。所述箱体101的前面靠近过渡舱104的一侧设有两个手套口103,手套口直径为8英寸,厚度为0.4mm,手套采用丁基手套,手套箱底部用40*10扁钢与底座连接。过渡舱104的形状为圆柱形,材料为304不锈钢,与手套箱103连接,并采用阀门控制;过渡舱104具有弹簧门,采用抛光处理,内有可滑动托盘,托盘采用不锈钢材料,背面具有加强筋,可自由移动延伸(大过渡舱配置),过渡舱的工作压力为≤-0.1MPa。所述箱体101的左、右两侧分别设有左侧入口舱门105和右侧入口舱门107,左侧入口舱门105和右侧入口舱门107均采用平开结构。左侧入口舱门105主要用于进出待修复零件,右侧入口舱门107主要用于箱体内部设备的检修。所述箱体101的前后均设有观察窗102,该观察窗102具有保护玻璃,用于操作者在加工过程中观察加工情况。惰性气体保护箱1的材质为全不锈钢结构(Type 304),厚度为3mm,外形尺寸为3400mm(长)×2000mm(高)×2300mm(宽)。使用过程中可保持一定的正负压力(-10mbar~10mbar)。常温、恒温状态下,保持泄漏率≤0.05vol%/h。箱体101设置多个标准KF-40接口,用于实现与箱体外部设备的电气连接;此外,箱体101内还加装了多个循环风扇。箱体内部还配置有防反射照明节能灯。
由于钛合金材料化学活性比较大,在修复过程中钛合金材料极易与空气中的氧气和水发生化学反应。本发明通过设计惰性气体保护箱隔绝钛合金材料与空气中的氧气和水,从而保护修复过程中钛合金材料不被氧化。惰性气体保护箱1,在不锈钢板接缝处采用防气体渗漏措施,确保在使用过程中保护箱内部的惰性气体不会泄露到外部。由于保护箱内部的气体压力与外部压力大体相当,避免了采用真空设计而导致的厚重结构,减轻了装备的整体尺寸和重量,提高了装备使用的安全性。惰性气体保护箱上的手套箱和过渡仓,这两项设计利于在不开启修复装备舱门的情况下将小型零件放置或取出惰性气体保护箱,减少了频繁开启装备舱门破坏保护箱内气体气氛而导致使用装备使用成本上升。
如图2所示,所述运动执行系统2包括依次相连接的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构、Z轴直线运动机构及机械摆头207,所述X轴直线运动机构设置于主体框架5上,所述激光熔覆头4通过联接法兰208与机械摆头207连接。
所述X轴直线运动机构包括X轴直线导轨201、X轴滑块、X轴驱动机构204及横梁205,所述主体框架5顶部两侧分别设有水平加工面,用来安装X轴直线导轨201,所述横梁205的两端分别通过X轴滑块与两个X轴直线导轨201滑动连接,导轨安装面设计有调整措施,用于X轴精度的调整。所述X轴驱动机构204设置于主体框架5上、并与横梁205连接。所述X轴驱动机构为丝杠螺母机构,X轴电机通过一台精密减速机和胀套联轴器向滚珠丝杠提供动力。滚珠丝杠的丝杆两端使用角接触轴承单元进行支承定位,丝杠的螺母部分通过螺母座与横梁205紧固联接,当X轴电机驱动丝杆旋转时,丝杠螺母带动横梁205沿X向作直线运动。
所述Y轴直线运动机构包括Y轴直线导轨202、Y轴滑块及Y轴驱动机构203,所述Y轴直线导轨202和Y轴驱动机构203设置于横梁205上,所述Y轴滑块与Y轴直线导轨202滑动连接,所述Y轴驱动机构203与Y轴滑块连接。Y轴的驱动机构203由一台电动引动器和外置直线导轨组成。电动引动器内置驱动电机和运动机构,结构紧凑,减小了设计空间占用率。外置的直线导轨不但提高了Y轴的承载能力,还增强了Y轴的刚性。电动引动器和外置直线导轨通过一个经精密加工的滑块固定座联接为一体,共同搭载Z轴直线运动机构进行Y向水平运动。
所述Z轴直线运动机构包括Z轴206和一台电动引动器,所述电动引动器的滑块部分与Y轴滑块固定座固定在一起,本体部分作为悬伸轴、并与Z轴206连接,Z轴206的末端通过螺钉与定位销安装机械摆头207,Z轴206通过电动引动器的驱动带动机械摆头207及激光熔覆头4进行垂直方向的运动。
如图4所示,所述机械摆头207包括B轴旋转机构和C轴旋转机构,其中C轴旋转机构与Z轴直线运动机构连接,所述B轴旋转机构安装在C轴旋转机构上、并与激光熔覆头4连接。所述机械摆头207具有两个自由度,可带动激光熔覆头4做C/B两轴独立旋转运动,所述B轴旋转机构和C轴旋转机构的旋转轴线垂直。
所述C轴旋转机构包括伺服电机I 211、减速器I 212、C轴固定座213、轴217及行星传动机构,其中轴217转动安装在C轴固定座213上、并上端与Z轴直线运动机构连接,即C轴固定座213上设有轴承座安装孔,所述轴承座219设置于该轴承座安装孔内。轴217上安装有一对轴承221,两个轴承221之间装有内外隔套220,用以调整轴承游隙,提高C轴的回转精度。轴承221的外圈与轴承座219接触,并通过压盖223压紧在轴承座219当中。轴承221的内圈与锁紧套222接触,通过一组锁紧螺母224将轴承221的内圈锁紧,所述伺服电机I 211和减速器I 212连接、并均安装在C轴固定座213的下方,所述减速器I 212的输出轴通过行星传动机构与轴217连接,所述C轴固定座213通过伺服电机I 211的驱动绕轴217转动。
所述行星传动机构包括齿形带轮I 214、齿形带215、齿形带轮II 218及张紧装置216,其中齿形带轮I 214套设于减速器I 212的输出轴上,所述齿形带轮II 218套设于轴217上、并通过齿形带215与齿形带轮I 214连接,所述齿形带轮I 214通过伺服电机I 211的驱动自传的同时绕轴217公转,所述张紧装置216设置于C轴固定座213上、并与齿形带215啮合,张紧装置216上装有调节螺杆,用以调整齿形带的张紧强度。若要C轴旋转时,伺服电机I 211输出的动力驱动齿形带轮I 214自转。齿形带轮I 214转动时,齿形带215绕轴217同时作公转与自转的行星转动。
因为轴217与Z轴206末端固定在一起,不发生转动,运动时整个摆头装置随齿形带215做行星转动,旋转轴线为C轴。为减小反向误差,通过张紧装置216来对齿形带215进行张紧。相比齿轮传动的方式,C轴采用的同步带传动具有无反向间隙,无噪音,冲击小且节约成本的特点。因负载较小,采用摆头随齿形带绕轴转动方式的C轴有效减小了结构尺寸,节省设计空间。
所述B轴旋转机构包括为B轴固定座225、减速器II 226及伺服电机II 227,其中B轴固定座225与C轴固定座213连接,所述伺服电机II 227和减速器II226连接、并均安装在B轴固定座225上,所述减速器II 226的输出轴通过联接法兰208与激光熔覆头4连接。
B轴旋转机构的运动与C轴旋转机构独立,当伺服电机II 227得到驱动器的运动指令转动时,减速器II 226直接驱动激光熔覆头4摆动。B轴采用直接联接的方式将过渡零件的数量降到了最低,有效利用了伺服电机的绝对式编码器的高精度,能明显提高B轴的回转精度。整个摆头选用高强度铝合金作为主要制造材料,满足双摆头类部件的重量轻和耐腐蚀的通用要求,而且其性能指标完全适应本发明装备的具体工艺条件。
在激光熔覆头4上设置两个摆动坐标,解决激光熔覆头与待修复零件之间的位置干涉问题。由激光发生器产生的高能激光束通过光纤传导到激光熔覆头,由于激光熔覆头本身具有一定的体积,因此不可避免地会产生干涉现象。本发明设计的激光修复装备除了可以实现激光熔覆头X、Y、Z三个方向平动以外,还为激光熔覆头设置了两个回转轴,即B轴和C轴。这样,通过增加两个自由度,可以实现大型钛合金零件侧面或底面损伤位置的激光修复,而不必为每个修复零件制作专门的工装或夹具,大大节约了大型钛合金零件激光修复的成本,缩短了零件修复的整体周期。
如图5、图6所示,所述移动平台机构3设计为上层活动部分和下层固定部分,具体包括工作台301、支撑梁302、平台直线导轨303、承重滚轮304、支承内轨道305、平台滑块306、调整板307及平台驱动机构,其中工作台301由铸铁整体铸造而成,内有加强筋,可承受较大载荷。工作台301的台面上配有标准T型槽,用于安装工装夹具,底部有两个纵向贯通的凹槽,槽上留有螺栓孔,用于安装两条支撑梁302(钢梁)。两条支撑梁302采用结构钢板焊接组成,每条支撑梁302通过一组螺栓与工作台301的下部分凹槽螺栓孔联接;每条支撑梁302下侧各安装有一条直线导轨303和承重滚轮304,其中承重滚轮304安装在工作台301上、并布置在两条支撑梁302的两端,用在工作台伸出或缩回时承受重量载荷。支撑梁302下面是起到支撑作用的两条支承内轨道305,它们分别位于支撑梁302的正下方。每条平台直线导轨303各有两个平台滑块306,每个平台滑块306通过螺栓联接在调整板307上。调整板307坐在支承内轨道305上,并通过螺栓固定,调整板307以便安装调整平台滑块306的位置。所述支承内轨道305的外侧设有活动轨道,活动轨道分为箱内部分308、折叠部分309和箱外固定部分310三部分组成。折叠部分309装有销轴关节与箱外固定部分310相联接,开箱送料时绕箱外固定部分310展开,一端搭接在箱外部分310上,另一端搭接在箱内部分308上。在不用时将309折叠起来平放在310上,使用方便,占用空间小。使用安装在支撑梁302上的一台三相交流电机311提供工作台活动部分移动时所需的动力,工作台运动时电机功率经直连的蜗杆减速机输出,齿轮312随减速机轴转动,并与齿条313啮合,齿条313设置于工作台301上、并带动工作台301移动。具体操作时,工作台301可由上位机控制,依靠事先调整好的行程开关314来提供位置信号,以此判断加减速及定位。此外,在工作台轨道的极限位置处设有挡块,以防止电气故障时工作台超程过冲,因此具有足够的可靠度。
通过为大型钛合金零件激光修复装备设计可进出的工作台,解决大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上下料问题。所设计的可进出工作台下部由滑轮支撑,由齿轮齿条传动系统进行驱动,可以在操作者的操控下自动地实现工作台进出。在进行大型钛合金零件修复过程中,通过吊车或叉车将待修复工件放入到工作台上或从工作台上取出,解决大型钛合金零件在惰性气体保护箱内的上下料问题。
本发明的大型钛合金零件激光修复装备还包括激光器及其光路系统、氩气保护系统、送粉系统、控制系统、专用软件系统及可视化监控等。
激光修复装备采用的激光器为光纤传输结构,能够提供稳定的输出功率和光束质量。激光光路具有免维护功能,性能稳定可靠,适合工业环境及生产线连续作业。激光修复装备采用光纤激光熔覆头。该激光熔覆头为四路供粉喷嘴,可以在恶劣工作条件下稳定工作,十分适合应用于激光修复。
氩气保护系统由氩气箱、净化系统、充排气装置、冷却水路等组成。氩气箱的外形和尺寸根据三轴平移机构工作行程的最大工作空间确定,构建出全封闭的固定式氩气箱,可以实现运动执行系统的完全封闭。箱体材料满足如下条件:气密性好,不渗漏,不存在多孔性的渗漏源;饱和蒸气压足够底,不致影响系统真空度;材料的吸气尽量少,并且易于除去;化学稳定性好,不易被氧化和腐蚀;温度稳定性好,在工作温度范围内,其真空性能和机械性能不致变坏;加工容易,经济合算。
激光修复工艺送粉系统采用双料仓负压式送粉器,可以实现长距离的粉末输送,是实施激光修复的辅助设备,可实现激光修复的同步送粉。送粉器主要由载气送粉器、气固分离均分器等组成。载气送粉器采用载气方式输送的气粉两相混合物经管路进入气固分离均分器,大部分载气与粉末分离后排出,剩余小部分载气和粉末均分四路后进入送粉头,激光束经光路系统穿过送粉头,与由喷嘴喷射而出的粉末流同轴输出,粉末进入激光束在基材表面形成的熔池内。高能量的激光束使进入熔池的粉末完全熔化,而基材微熔,冷却后在基材表面形成与基材相。
通过在激光熔覆头上配备工业CCD,解决激光器光束与待修复零件加工零点之间的找正问题。基于通过流体分析的方法,对激光熔覆头送粉角度和送粉嘴内部芯径尺寸进行优化设计,确保在相同气流量的情况下,喷粉嘴喷射的粉末流具有较小的发散角和较高的挺度,解决激光熔覆中送粉精度不高,粉末利用率低的问题。
修复装备控制主要由数控系统、激光器控制单元、送粉器控制单元、氩气保护系统控制单元、手持式控制盒及配电控制设备组成。运动控制功能:数控系统实现通过激光头的三轴平移运动和摆动坐标控制,构成待修复零件修复轨迹运动,并控制扫描速度。此外还对激光器控制单元、送粉器控制单元、运动控制单元、氩气保护系统控制单元等进行集成控制调度。激光器控制功能:结合扫描轨迹需求,采用基于PLC架构的控制器实现对激光器功率大小、激光开关等的匹配控制。送粉器控制:结合修复工艺,实现对送粉器转盘转速的控制,实现送粉速度的控制。氩气保护系统控制:具有自诊断,断电自启动特性,具备压力、氧含量控制和自适应控制功能。报警功能:修复装备控制系统具有常规的报警、自锁等功能,在发生意外时,可自动停机。
数据处理专用软件系统主要包括模型匹配、分层计算、扫描路径生成、扫描路径编辑、扫描路径验证、后置处理等模块。
氩气房内设有监控系统,用户可以在监控系统的显示器上观察到加工区内的工作情况,当发生意外时可以及时停机。可视化监控系统的基本功能包括:监视系统安装在氩气保护系统内部床身上和加工头附近;监视系统的显示器位于机床外部数控系统附近;监视系统具有录放功能以方便存档、分析;监控系统负责将图像在显示器上显示,不负责自动报警、停机。
本发明的操作步骤是:
(1)确定待修复零件的裂纹或磨损部位,根据裂纹或磨损情况对该部位进行多次打磨,将裂纹或磨损逐步清除,形成打磨后的沟槽。接下来采用多层熔覆工艺填平沟槽,即可重建损伤结构件,恢复其使用性能。
(2)根据打磨形成的沟槽的几何形状,在CAD软件中建立该几何形状的数学模型。然后将该数学模型导入本发明开发的数据处理专用软件系统,由该软件系统实现模型的分层计算、扫描路径生成、扫描路径编辑、扫描路径验证、后置处理等功能。最终获得修复该磨损部位所需要的数控系统NC代码。之后,将NC代码传输到激光修复系统的数控系统中。
(3)通过吊车或叉车等辅助工具,将待修复零件传送到激光修复设备附近。打开设备前门入口舱门,弹出工作台。将待修复钛合金零件放置并固定到可进出工作台上,并确保待修复零件的待修复部位朝于上方,以便于修复操作。操作工作台将其回到惰性气体保护箱内部,并使之固定。
(4)关闭前门入口舱门,并使之处于密封状态。启动气体净化系统,直至惰性气体保护箱内部的气体氛围满足钛合金激光修复加工的要求。
(5)通过打开激光的引导光,并通过位于激光熔覆头上的CCD系统观察激光引导光与待修复零件修复位置之间的相关位置关系。通过数控系统的运动控制功能光引导光与待修复零件修复位置之间的相关位置关系进行调整,直至二者之间的位置关系满足技术要求。通过对待加工零件找正操作,可以确保编程坐标系和加工坐标系的一致性。
(6)启动数控系统中用于修复该待修复零件的数控加工程序,开始激光修复加工。运动执行系统(五个轴的电机)、激光器、送粉系统等都在数控系统的控制下执行整个修复加工过程。操作者可以通过观察窗对整个加工过程进行观察,也可以通过视频监控系统对整个加工过程进行观察、回放和记录。
(7)对于小型钛合金零件的激光修复加工,可以通过过渡仓和手套口将待修复零件放入惰性气体保护箱内。这样可以在不破坏惰性气体保护箱内部的气体氛围,避免由于开启入口舱门而导致的惰性气体泄露,从而节约设备的使用成本。
(8)通过手套口,操作者可以将手伸到惰性气体保护箱的内部进行操作,如对待修复零件的位置进行调整等。
(9)在激光修复加工过程中,操作者通过数控系统、气体净化系统控制系统和视频监控系统等,对惰性气体保护箱内部的压力情况、泄漏率、水氧含量、激光加工功率、熔覆速度等工艺参数进行监控,以确保所有的技术参数指标在正确范围内。当出现异常情况时,应及时进行处理,以防止修复加工失效。
(10)激光修复加工结束后,开启设备前舱门,弹出可进出工作台。使用叉车或吊车等工具,将修复工件移出工作台,完成大型钛合金零件的激光修复工作。
(11)对零件进行后续机械加工和热处理,确保修复部位的表面形状精度和组织性能达到设计技术要求。

Claims (10)

1.一种大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,包括惰性气体保护箱(1)及设置于惰性气体保护箱(1)内的运动执行系统(2)、移动平台机构(3)、激光熔覆头(4)及主体框架(5),其中移动平台机构(3)设置于惰性气体保护箱(1)的底部、并可由惰性气体保护箱(1)内进出,所述运动执行系统(2)设置于主体框架(5)上,所述激光熔覆头(4)设置于运动执行系统(2)上、并通过运动执行系统(2)的驱动对放置在移动平台机构(3)上的待修复零件进行多角度的修复。
2.按权利要求1所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述惰性气体保护箱(1)包括箱体(101)、过渡舱(104)及基座(107),其中箱体(101)设置于基座(107)上,所述过渡舱(104)设置于箱体(101)的一侧,用于小型待加工件的进出,所述过渡舱(104)内设有滑动托盘;所述箱体(101)的前面靠近过渡舱(104)的一侧设有手套口(103),所述箱体(101)的左、右两侧分别设有左侧入口舱门(105)和右侧入口舱门(107),所述箱体(101)的前后均设有观察窗(102)。
3.按权利要求1所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述运动执行系统(2)包括依次相连接的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构、Z轴直线运动机构及机械摆头(207),所述X轴直线运动机构设置于主体框架(5)上,所述激光熔覆头(4)设置于机械摆头(207)上。
4.按权利要求3所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述X轴直线运动机构包括X轴直线导轨(201)、X轴滑块、X轴驱动机构(204)及横梁(205),所述主体框架(5)顶部两侧分别设有X轴直线导轨(201),所述横梁(205)的两端分别通过X轴滑块与两个X轴直线导轨(201)滑动连接,所述X轴驱动机构(204)设置于主体框架(5)上、并与横梁(205)连接,X轴驱动机构(204)可驱动横梁(205)沿X轴直线导轨(201)作直线运动;
所述Y轴直线运动机构包括Y轴直线导轨(202)、Y轴滑块及Y轴驱动机构(203),所述Y轴直线导轨(202)和Y轴驱动机构(203)设置于横梁(205)上,所述Y轴滑块与Y轴直线导轨(202)滑动连接,所述Y轴驱动机构(203)与Y轴滑块连接,所述Y轴滑块通过Y轴驱动机构(203)的驱动沿Y轴直线导轨(202)作直线运动;
所述Z轴直线运动机构包括相连接的Z轴(206)和一台电动引动器,所述电动引动器的滑块部分与Y轴滑块固定座固定在一起,本体部分作为悬伸轴、并与Z轴(206)连接,所述Z轴(206)的末端安装机械摆头(207)和激光熔覆头(4),所述Z轴(206)通过电动引动器的驱动带动机械摆头(207)及激光熔覆头(4)进行垂直方向的运动。
5.按权利要求3或4所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述机械摆头(207)包括B轴旋转机构和C轴旋转机构,其中C轴旋转机构与Z轴直线运动机构连接,所述B轴旋转机构安装在C轴旋转机构上、并与激光熔覆头(4)连接。
6.按权利要求5所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,
所述C轴旋转机构包括伺服电机I(211)、减速器I(212)、C轴固定座(213)、轴(217)及行星传动机构,其中轴(217)转动安装在C轴固定座(213)上、并上端与Z轴直线运动机构连接,所述伺服电机I(211)和减速器I(212)连接、并均安装在C轴固定座(213)上,所述减速器I(212)的输出轴通过行星传动机构与轴(217)连接,所述C轴固定座(213)通过伺服电机I(211)的驱动绕轴(217)转动;
所述B轴旋转机构包括为B轴固定座(225)、减速器II(226)及伺服电机II(227),其中B轴固定座(225)与C轴固定座(213)连接,所述伺服电机II(227)和减速器II(226)连接、并均安装在B轴固定座(225)上,所述减速器II(226)的输出轴与激光熔覆头(4)连接;
所述B轴旋转机构和C轴旋转机构的旋转轴线垂直。
7.按权利要求6所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述行星传动机构包括齿形带轮I(214)、齿形带(215)、齿形带轮II(218)及张紧装置(216),其中齿形带轮I(214)套设于减速器I(212)的输出轴上,所述齿形带轮II(218)套设于轴(217)上、并通过齿形带(215)与齿形带轮I(214)连接,所述齿形带轮I(214)通过伺服电机I(211)的驱动自传的同时绕轴(217)公转,所述张紧装置(216)设置于C轴固定座(213)上、并与齿形带(215)啮合,用于对齿形带(215)进行张紧。
8.按权利要求1所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述移动平台机构(3)包括工作台(301)、支撑梁(302)、平台直线导轨(303)、承重滚轮(304)、支承内轨道(305)、平台滑块(306)、调整板(307)及平台驱动机构,其中工作台(301)的上表面设有用于安装工装夹具的T型槽,下表面两侧分别连接有支撑梁(302),各支撑梁(302)的底部与支承内轨道(305)滑动连接,所述工作台(301)的两端均设有承重滚轮(304),用于工作台(301)伸出缩回时支撑工作台(301);所述支撑梁(302)的两侧分别设有平台直线导轨(303),所述调整板(307)一侧与支承内轨道(305)固连,另一侧通过平台滑块(306)与平台直线导轨(303)滑动连接,所述工作台(301)通过平台驱动机构的驱动沿支承内轨道(305)作直线运动。
9.按权利要求8所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述支承内轨道(305)的外侧设有活动轨道,活动轨道分为箱内部分(308)、折叠部分(309)和箱外固定部分(310),所述折叠部分(309)装有销轴关节与箱外固定部分(310)相联接,开箱送料时绕箱外固定部分(310)展开,一端搭接在箱外部分(310)上,另一端搭接在箱内部分(308)上。
10.按权利要求8所述的大型钛合金零件激光修复装备,其特征在于,所述平台驱动机构包括三相交流电机(311)、齿轮(312)及齿条(313),其中齿条(313)设置于工作台(301)的底部,所述齿轮(312)设置于三相交流电机(311)的输出轴上、并与齿轮(312)啮合。
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