CN106573335A - 金属形变的激光矫正 - Google Patents

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艾哈迈德·卡迈勒
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Abstract

一种用于确定和矫正物件(44)中的形变的设备(20A‑C)和方法。诸如激光束的能量束(29)被导引至区域(42AC)以逆转(46、72、74)存在的形变或控制额外的制造(86、88)期间的形变。可以同时加热形变(50A/50C、52/54)的两个截面弯曲区域以使两个截面弯曲区域之间的凸起变平坦。可以通过表面扫描(40)来确定存在的或发展中的形变和/或可以预测性地确定形变以在通过额外的制造建立或重建物件的一部分的同时预先矫正并防止该形变。

Description

金属形变的激光矫正
技术领域
本发明涉及用于通过用诸如激光束的能量束进行选择性的加热来矫正金属部件中的形变的设备和方法，特别地，本发明涉及对燃气轮机部件中的形变的矫正。
背景技术
零部件的制造或维修通常需要对零部件进行加热。这会导致零部件的应变和畸变。例如，焊接制造件经受由于焊接金属固化期间的收缩应变而导致的畸变。在一些合金中，热影响区域中的微观结构转变使材料发生应变并且造成畸变。由于服役而导致其他畸变。残余加工应力能够通过高温操作得以释放，从而导致零部件中的几何变化。此外，零部件由于在长时间在高温下经历稳定状态或循环应力可发生蠕变。可通过诸如牢固固定、低热焊接、焊接过程的反向递推以及激冷块材以使输入基体的热量最小化的方法来减少加工畸变。可以通过作用力使部件塑性弯曲来部分地矫正畸变。然而，这种恢复是不精确的，会使零部件发生应变硬化(冷加工)，会引入额外的应力，并且会损坏零部件，特别是当零部件处于弱化或裂纹倾向的情况下时更是如此。
热矫直是另一种矫正畸变的方法。管道的两个直段之间的焊缝可能导致焊缝处的弯曲。将弯曲段的钝侧上的焊缝重熔能够引入焊缝收缩以促进矫直。这用于在原始制造期间和维修操作期间对燃气涡轮发动机的燃烧支承壳体中的燃料喷射箭进行矫直。这种热矫直通常采用与用以进行原始焊接的焊接过程(例如，气体保护钨极电弧焊)相同的焊接过程来实施。不幸的是，这种热矫直是不精确的。过多的热量对畸变进行过度矫正，而过少的热量对畸变矫正不足。片状金属或较大的板状制造件中的焊缝能够使对诸如扭曲或三维凸起的畸变的预测变得复杂且难以进行。这些畸变难以通过任何已知的方法进行精确矫正。
激光提供热源以用于金属成形和矫直。一些已知的片状金属的激光弯曲机制包括：a)温度梯度机制；b)屈曲；以及c)缩短。这些机制是本领域已知的并且是公众可使用的，因而在此不做赘述。例如，参见船厂工业应用激光论坛(Shipyard Applications forIndustrial Lasers Forum(SAIL)),Williamsburg,VA,2003年6月2-4日，由利物浦大学(University of Liverpool)的G.Dearden和S.P.Edwardson发表的“用于船舶建造的激光辅助成形(Laser Assisted Forming for Ship Building)”的第2.0章节。
附图说明
下文参照附图对本发明进行了描述，在附图中：
图1为执行本发明的方法的设备的示意图；
图2为具有由待平整的凸起的外周限定的激光加热区域的工件的俯视图，其中，示出了两种类型的激光扫描图样；
图3为示出两种类型的扫描图样的工件的俯视图；
图4示出同心类型的激光扫描图样；
图5为执行本发明的方法的设备的第二实施方式的示意图；
图6为在沿着图7的线6-6所观察的燃气涡轮叶片上执行本发明的方法的设备的第三实施方式的示意图；
图7为具有以虚线轮廓表示畸变的燃气涡轮叶片的俯视图，其中，该畸变在如图6中所示的额外处理期间、在吸入侧无热补偿的情况下由于压力侧的热膨胀而产生。
具体实施方式
本发明人意识到通过用镜子使光束以光栅的方式进行扫描(rastering)能够使激光能量精确地扫描金属表面的所限定的一个或多个区域，从而使物件精确的弯曲以对该物件的复杂的畸变进行矫正。
图1示出实施本发明的方法的设备20A。该设备包括：固定机构或工作台22、控制器24、表面成像扫描器26、能量束29的可控制的发射器28以及可选的额外的一个或多个可控制的能量束发射器30。控制线32由从控制器指向外围装置L、G的箭头表示。“L”表示激光发射器，“G”表示检流计致动镜。替代性地，可以使用其他类型的能量束和致动器。感测线34由从图像传感器36指向控制器的箭头表示。成像扫描器26可以包括：具有激光发射器38的三角测量激光扫描器，激光发射器38产生的激光束40通过诸如检流计G的致动器而扫描工件44的表面42；包括透镜45和诸如电荷耦合装置(CCD)的传感器36的摄像头。这种扫描器目前能够以至少几十微米或千分之几英寸的精度对表面进行三维成像。表面42具有中央凸起，该中央凸起具有沿第一方向弯曲的外周区域42A和42B以及沿相反的方向弯曲的中间区域42C。
控制器24可以是储存由计算机辅助工程软件和数字储存介质提供的表面42的规格的计算机。工件被固定至工作台22或其他固定装置。扫描器26对表面进行成像并且向控制器提供表面坐标。控制器将实际的表面形状与特定的形状进行比较并且确定待进行的矫正。在此示例中，工件具有的凸起待被逆转(reversed)以提供平坦的工件。这可以通过加热该凸起的外周来实现。加热激光29的参数决定矫正性弯曲的方向和程度。在图1中，采用温度梯度机制通过使工件的较近侧塑化或熔融同时使工件的较远侧热膨胀来使该凸起的外周沿朝向激光的方向弯曲46以矫直工件44。
当如图1所示地去除凸起时，有利的是同时使凸起的相反的两侧弯曲以防畸变的一侧阻碍对相反侧的矫正。为此，两个激光发射器28、30可以同时分别处理凸起外周的相反的两侧。替代性地，可以以足够快速的方式执行单个激光源发射器的分时操作以对工件的分离的区域进行加热。
图2示出具有如下激光加热区域48的工件44的俯视图，该激光加热区域48已被控制器24围绕凸起的外周识别以使凸起变平坦。此加热区域具有一个或多个如图1的截面图中可见的截面弯曲的表面区域42A和42B。第一种类型的光栅扫描图样(50A-C)形成横跨凸起外周的轨迹。加热部分50A、50C位于激光加热区域48的相反的两侧上。轨迹的跨越部分50B横跨该凸起，并且该跨越部分50B对应于激光关闭或如下的激光束速度：该速度为使得跨越部分50B上积累有最小能量的较大的速度。替代性地，跨越部分50B可以将不同的激光能量施加至凸起的中央部分以使该中央部分变柔软以及/或者如随后将描述的那样使该中央部分沿与外周相反的方向弯曲。通过此图样，可以采用单个激光在凸起外周的相反的两侧上有效地同时加热。此处的“有效地同时加热”意指如下的加热：尽管能量束不能一次处于两个区域中，但凭借多次通过的方式使能量在区域50A、50C中积累而实现在两个单独的区域50A、50C中同时进行加热。所示出的第二种类型的激光扫描图样52、54具有位于凸起外周的相反的两侧上的单独的扫描图样。这两个图样52、54可以由如图1所示的两个激光同时实施。
图3为具有如下激光加热区域48的工件44的俯视图，该激光加热区域48已被控制器24围绕凸起的外周识别以使凸起变平坦。图3示出具有同心的加热轨迹的第三种类型的激光扫描图样56。第四种类型的激光扫描图样60具有平行于加热区域48的外周的轨迹。这些扫描图样56和60可以有效地同时被施加至凸起外周的相反的两侧上或通过分别使用1个或2个激光而被同时施加至凸起外周的相反的两侧上。可以选择性地使用一个或多个激光连续地围绕整个加热区域48以图样60进行扫描。由于激光束在远离发射器时保持强度，因此发射器可以定位在距离工件的最优距离处以使发射器覆盖较宽的角度。如图5所示，该距离足以使激光能够通过采用2轴枢转驱动器而从一个发射器位置扫描加热区域48的大部分或全部区域。
图4示出激光扫描图样，其中，激光束29遵循围绕第一中心C1的第一组同心轨迹56A-C，然后，激光束29遵循围绕第二中心C2的第二组同心轨迹58A-C，并且激光束29可继续遵循围绕后续的中心C3-C6的额外组的同心轨迹。每组同心轨迹可以包括至少两个同心轨迹、或至少三个同心轨迹并且与相邻的一组或多组的同心轨迹重叠。例如，该重叠可以为各组的最大的轨迹的直径的约1/3。此图样提供在有限区域内的可控制的多通路停留时间而不会在表面上出现热点，从而使得能够实现预期的加热规格。
图5示出执行本发明的方法的设备20B的第二实施方式。该设备具有固定机构或工作台22、控制器24、第一和第二二维扫描激光发射器62、64以及表面成像摄像头66。控制线32由从控制器指向发射器L、透镜68、70以及镜致动器G-G的箭头表示。感测线34由从摄像头66指向控制器的箭头表示。每个能量束63、65可以通过由检流计G-G或其他装置驱动的镜围绕两个轴线进行扫描。替代性地，可以设置单一枢转的镜致动器，并且由平移机构提供第二维度。作为聚焦深度的第三维度可以由透镜68、70进行控制以保持能量束在工件表面42上的预期的聚焦。可以为摄像头设置如图1所示的第三激光发射器38(此处未示出)。替代性地，主能量束63、65中的一者或全部可以被控制成以减小的能量提供表面成像扫描以将点像反射至摄像头中以供表面分析。
图5还示出使用弯曲和收缩来实现工件的尺寸规格的方法。可以使用诸如缩短(参见前述Dearden和Edwardson)的激光弯曲机制来使外周沿远离激光的方向72弯曲并使外周变短74。第一激光装置62可以使激光束63进行扫描以基本上同时加热凸起外周的相反的两侧或者基本上同时加热整个外周。第二激光装置64可以使第二激光束65扫描凸起的中间区域以使该中间区域软化并且可选地采用前述的温度梯度方法使该中间区域沿朝向发射器的方向46弯曲。然而，如果凸起的中间区域仅为由畸变引起的弹性弯曲而并非塑性弯曲，则不需要使凸起的中间区域发生塑性逆转变。在此情况下，两个激光装置62、64可以同时分别覆盖凸起外周的相反的两侧。
图6示出执行本发明的方法的设备的第三实施方式20C。该设备包括控制器24、表面成像摄像头66、可控制的激光发射器76以及可选的额外的一个或多个激光发射器78。可以为摄像头66设置额外的如图1所示的图像扫描激光发射器38(此处未示出)，或者可以控制主要发射器76、78以用于表面成像。该图示出了在部件的维修或制造期间使用的方法。燃气涡轮机叶片80具有压力侧PS、吸入侧SS以及在叶片稍端盖84的外周的上方延伸的振鸣(squealer)脊部82。位于压力侧上的振鸣脊部经受用于形成额外的超合金的熔融池86的额外制造处理88。此处理对叶片稍端的压力侧进行加热并且因此通过如图7中的虚线90所示的差异热膨胀使该稍端扭曲。为了防止上述问题，图6的设备经由扫描摄像头66在早期检测畸变和/或通过数学建模预测的方式来确定畸变并且将补偿性加热施加至叶片稍端的吸入侧。这避免了在处理过程中和振鸣脊部的冷却过程中由于形状变化而在叶片中引入应力。这也免于在烤箱中加热整个叶片来防止处理和冷却过程中的这种畸变，因此减少了能量和时间。
尽管本文中示出并描述了本发明的各种实施方式，显而易见的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。在不背离本发明的情况下，可以做出多种改变、变化和替代。因此，本发明仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
确定偏离金属物件的表面的特定形状的形变；
将第一能量束导引至金属表面的所确定的所述形变的如在截面图中观察到的第一截面弯曲区域；以及
控制第一能量束以通过沿所述金属物件的厚度的补偿性热效应来矫正所述形变,其中所述补偿热效应减小第一弯曲区域的弯曲。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一能量束导引成以一系列的组的同心轨迹的方式扫描所述第一截面弯曲区域，每组的同心轨迹与相邻组的同心轨迹重叠。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形变包括所述表面中存在的凸起，所述方法还包括将所述第一能量束导引成遵循沿着所述凸起的外周并且平行于所述凸起的外周的一系列光栅扫描轨迹。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一系列光栅扫描轨迹有效地同时加热所述外周的相反的两侧。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形变包括所述表面中存在的凸起，所述方法还包括将所述第一能量束导引成扫描所述凸起的外周的相反的两侧以塑性矫直所述外周并使所述凸起变平坦。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形变包括所述表面中存在的凸起，所述方法还包括将所述第一能量束导引成基本上同时加热分别位于所述凸起的第一外周侧和相反的第二外周侧上的所述第一截面弯曲区域和第二截面弯曲区域以塑性矫直所述第一截面弯曲区域和所述第二截面弯曲区域并使所述凸起变平坦。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形变包括所述表面中存在的凸起，所述方法还包括将所述第一能量束导引成加热所述凸起的外周的第一部分并且同时将第二能量束导引成加热所述凸起的外周的第二部分，从而塑性矫直所述外周的所述第一部分和所述第二部分并使所述凸起变平坦。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形变包括所述金属表面存在的如在其截面图中所观察到的所述第一截面弯曲区域和相反的第二截面弯曲区域，所述方法还包括：在将所述第一能量束导引至所述第一截面弯曲区域的同时将第二能量束导引至所述第二截面弯曲区域；使用使所述第一截面弯曲区域沿第一方向弯曲的用于所述第一能量束的第一能量参数；以及使用使所述第二截面弯曲区域沿与所述第一方向相反的方向弯曲的用于所述第二能量束的第二能量参数，从而矫直所述第一截面弯曲区域和所述第二截面弯曲区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一截面弯曲区域包括所述金属表面上的凸起的外周部分，第二弯曲表面包括所述凸起的中间部分。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在物件的维修或制造期间通过表面成形摄像头来确定所述物件的第一部分上的所述形变，在所述维修或制造中在所述物件的第二部分上采用额外的焊接，其中，所述额外的焊接使得在所述维修或制造期间由于差异热膨胀而形成所述形变。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括为所述物件进行维修和制造预测性地确定物件的第一部分上的形变，在所述维修和制造中，在所述物件的第二部分上采用额外的焊接，其中通过所述第一能量束在所述物件的所述第一部分上的补偿性热效应来防止所确定的所述形变。
12.一种方法，包括：
获得金属物件的表面的图像；
根据所述图像确定所述表面所包括的偏离所述表面特定形状的形变；以及
使第一激光束以光栅的形式在所述形变的第一区域上扫描以通过沿所述物件的厚度的补偿性热效应来矫正所述形变。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括使激光束以光栅的形式在所述形变的第二区域上扫描以基本上同时加热所述形变的所述第一区域和所述第二区域，从而基本上同时塑性矫正所述形变的所述第一区域和所述第二区域。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在使所述第一激光束以光栅的形式在所述形变的所述第一区域上扫描的同时使第二激光束以光栅的形式在所述形变的第二区域上扫描，以同时塑性矫正所述形变的所述第一区域和所述第二区域。
15.一种方法，包括：
通过在物件的第一部分上进行额外的制造增材制造来建立所述物件的金属部分；以及
通过使激光束在所述物件的第二区域上扫描以补偿由所述额外的制造导致的所述物件的差异热膨胀来防止所述物件在所述额外的制造期间形变。
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