CN107378251B - 一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与装置，采用双光束同时工作的复合加工工艺方法对大型金属零件进行表面修复。其中第一束连续激光利用热效应熔融金属粉末对待修复大型金属零件进行修复，同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对易塑性变形温度区熔覆区材料最佳温度下进行同步冲击锻打。最终减少大型金属零件修复层气孔，致密性差等缺陷，消除内应力，提高大型金属零件综合机械性能。

Description

一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与 装置

技术领域

本发明涉及一种大型金属零件表面修复领域，特别涉及一种脉冲激光冲击锻打表面修复加工工艺，还涉及一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法的工艺系统。

背景技术

大型金属零件在机械中应用广泛，并且其在机械设备中起着重要的作用。由于大多是非标零件，实行小批量生产，甚至定制生产，大型零件破坏后，难以马上得到成品进行替换。除此之外，大型金属零件生产周期长，造价高，如果重新设计并制造新的零件，不仅花费非常高，而且需要非常长的时间。但是一旦设备停止运行，将会造成非常大的经济损失。比如轧辊、风能发电机组叶片和模具等大型金属零件等。对大型零件进行修复是一种非常有效的方法，有时间短，造价低的特点。如今常用的修复方法是激光熔覆对零件进行修复。以轧辊为例，其主要的破坏形式是辊颈和辊身的磨损，运用激光熔覆技术进行修复后，零件便能正常使用。

中国专利CN104651832A用于大型零件的表面修复工艺，其特征在于运用激光熔覆技术对表面进行修复，采用单纯激光熔覆3D成形工艺其实质是“自由增材成形”工艺。本发明是激光熔覆和冲击锻打的复合工艺，目的在于解决传统激光熔覆普遍存在如下共性技术问题。如内部缺陷：工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等。这些内部缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，其影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。

激光冲击锻打工艺是利用短脉冲激光(脉冲能量10-50J，脉冲宽度10-30ns)直接作用在高温激光熔敷金属表面，金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波，利用脉冲激光诱导的冲击波(冲击波峰值压力为GPa量级)对中高温度区金属进行冲击锻打。经过激光冲击锻打之后能大大减少熔覆工艺的缺陷，提高零件的性能。

中国专利CN 103862050 A基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机及打印方法，该发明专利的特殊之处在于，采取每熔敷一定的层数后，停止3D打印成形，然后通过加热装置将熔覆层上表面加热到100℃-700℃，再对熔覆层进行激光冲击强化或机械喷丸强化。这是熔敷-加热-强化三道工序的组合。另外，对于大型金属零件表面修复工艺而言，如果进行机械喷丸，复杂表面会有干涉，不能进行强化，而且废渣难清理。如果进行激光喷丸强化，对大型金属零件加热到100℃-700℃需要很长时间，效率低，并且操作困难，很难控制强化区域的温度大小。另外此方法在结晶温度以下对零件进行冲击，不能很好的消除产生的裂纹等缺陷。

为了解决以上问题，本发明提出一种激光熔覆与激光冲击锻打同步进行耦合加工的工艺方法，一道工序完成熔覆和强化。强化光束紧随熔覆光束同步进行冲击锻打强化，使得强化光束在一个更合适的温度状态下冲击锻打，使得大型金属零件修复层缺陷更少，获得更好的机械性能，同时也大大提高了加工效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与装置，能在进行激光熔覆修复大型金属零件的同时进行激光冲击锻打，减少激光熔覆所产生的气孔、缩松、集中应力等缺陷，消除残余应力，达到更好的修复零件的目的。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法，包括如下步骤：

1.模型重构:利用逆向重构技术和反求测量方法求出模型的三维模型。

2.建立修复方案:目标模型与待修复模型进行比对分析，并找出修复区域以及修复面积和厚度。从而得出熔覆喷头的运动轨迹以及相应区域的出粉量。

3.设计夹具:根据待加工大型金属零件的结构特点以及修复位置的不同，设计专用的夹具或者选择合适的通用夹具。一般情况下，由于修复对象是大型金属零件，修复区域会有多处，根据需要，可能一个零件不同区域就要选用不同的夹具。

4.配置合金粉末:根据对零件修复处所要求的机械性能和其结构特点，设计出最优化的合金粉末配方。由于大型金属零件不同区域对性能要求不同，不同结构特点的区域对熔覆的难易程度也不同，因此应该按需配置不同的合金粉末，以便达到降低成本和提高综合性能的目的。

5.熔覆和锻打复合加工:本发明采用双光束同时工作的加工工艺方法。第一束连续激光利用热效应熔融金属粉末对待修复大型金属零件进行修复，同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对熔覆区材料进行同步冲击锻打，是一项复合加工工艺。两道激光相互耦合，对工件的影响也是相互作用的。

优选地，在加工过程中，利用温度传感器测量加工区域的温度场，测量信息反馈到控制系统，指挥脉冲光束在最佳的温度场下对修复区域进行冲击锻打，以达到最好的强化效果。

优选地，根据修复区域厚度和宽度的要求，控制出粉量，并且选择合适的光斑种类和光斑大小，并调整激光的脉冲，使得粉末熔融充分且均匀。

一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复装置，包括同轴送粉喷头(1)、送气/粉软管(2)、非接触式温度测量仪(3)、机座(4)、粉量控制器(5)、气压泵(6)、粉料罐(7)、电机(8)、激光熔覆机械臂(9)、三维光学扫描测试仪(10)、工件(11)、冲击强化激光喷嘴(12)、激光冲击强化机械臂(13)、夹具(14)、多轴联动工作台(15)、光路(16)、连续激光发生器(17)、脉冲激光发生器(18)、计算机控制系统(19)。

进一步地，同轴送粉喷头(1)安装在激光熔覆机械臂(9)上，多轴联动的机械臂更灵活的带动喷头工作。保护气和金属粉末配方通过软管(2)、激光束通过光路(16)送到同轴送粉喷头(1)。

进一步地，粉料罐(7)分为若干区域，按需要储存不同配方的金属粉末，内设装置可通过计算机控制系统(19)控制送粉的种类和量。

进一步的，激光冲击强化喷头实现对已修补区域激光锻打。非接触式温度测量仪(3)测量修复区域的温度场并反馈到计算机控制系统，计算机控制系统计算出最优的冲击锻打温度，并控制激光冲击锻打机械臂(13)对该区域进行冲击锻打，达到减少缺陷，消除内应力的目的，最终提高零件的机械性能。

特别的，熔覆光束和冲击锻打光束同时工作，其对工件的作用是相互影响相互耦合的。熔覆光束完成修复后，短脉冲光束紧随其后，选择最优温度的区域进行锻打，其中，温度场有非接触式温度测量仪测量。

进一步地，加工中只有对零件进行定位和夹紧，才能对零件进行修复加工。所以要根据不同金属零件结构特点，在工作台上安装不同的通用夹具或者专用夹具。

进一步地，熔覆激光束与冲击锻打激光分别由激光发生器(17)(18)产生，并通过光路(16)输送到喷头。其中激光发生器(17)产生的是连续激光束，利用其热效应熔化金属粉末；激光发生器(18)产生脉冲激光束，(脉冲能量10-50J，脉冲宽度10-30ns)直接作用在高温激光熔敷金属表面，金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波，利用脉冲激光诱导的冲击波(冲击波峰值压力为GPa量级)对中高温度区金属进行冲击锻打。

进一步的，计算机控制系统(19)根据修复区域的特点，一方面控制送粉系统输送特定的金属粉末的种类和数量；另一方面根据金属粉末的量和修复区域的形状等特点来控制激光发生器发出的激光束的光斑形状和大小以及脉宽和频率等参数，以便达到最好的修复效果。

进一步地，三维光学扫描仪(10)在加工过程中随时监控零件的应力与宏观形状，当发现局部应力过大时，可进行返回激光锻打。

进一步地，粉/气控制系统、机械臂运动系统、激光发生器、温度以及应力等数据的采集系统、工作台的运动都有计算机控制系统统一控制，形成一个智能制造系统。

本发明提供一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与装置与现有技术对比有以下优点：

1.现有大型零件表面修复工艺无强化过程或者复杂、低效率的后需热处理，修复零件存在较多缺陷，影响零件性能。本发明提供的复合加工工艺，操作简单，强化效果好。

2.运用双激光束同时修复和锻打强化复合加工工艺，不需预热再进行强化，大大提高加工效率。

3.最大的优势体现在加工效果上。熔覆一层或者若干层之后进行冲击强化，材料已经冷却，属于冷加工范畴。而双激光束同时修复和锻打强化复合加工工艺是在结晶温度以上的锻造温度进行强化，属于热加工范畴。不仅能消除内应力，还能很好的消除内部的裂纹、宿松、气孔等缺陷，较冷加工的晶粒更加均匀细小，更大程度的提高零件的综合性能。

附图说明

图1：大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法与装置；

图2：大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法实施流程图。

其中1是同轴送粉喷头、2是送气/粉软管、3是非接触式温度测量仪、4是机座、5是粉量控制器、6是气压泵、7是粉料罐、8是电机、9是3D打印机械臂、10是三维光学扫描测试仪、11是工件、12是冲击强化喷头、13是激光冲击机械臂、14夹具、15是多轴联动工作台、16是光路、17是连续激光发生器、18是脉冲激光发生器、19是计算机控制系统

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详述：

1.模型重构 利用激光扫描仪等非接触式测量装置获得待修复零件的数据，通过计算机分析获得破坏零件的实际模型，优化出零件修复的目标模型。

2.建立修复方案 目标模型与待修复模型进行比对分析，得出修复区域以及修复面积和厚度。从而得出熔覆喷头的运动轨迹以及相应区域的出粉量。

3.设计夹具 根据待加工大型金属零件的结构特点以及修复位置的不同，设计专用的夹具或者选择合适的通用夹具。一般情况下，由于修复对象是大型金属零件，修复区域会有多处，根据需要，可能一个零件不同区域就要选用不同的夹具。加工好的夹具安装在工作台(15)上。

配置合金粉末根据对零件修复处所要求的机械性能和其结构特点，设计出最优化的合金粉末配方。不同配方分别放置于粉料罐(7)不同的区域中。

4.熔覆和锻打复合加工

把工件(11)装夹在夹具(14)上，激光熔覆机械臂(9)带动同轴送粉喷头(1)按照预定的轨迹运动，金属粉末经过气压泵(6)加压后与惰性气体通过软管(2)送到同轴送粉器(1)，计算机控制系统(19)根据零件的特点控制连续激光发生器(17)发射的连续激光的参数(脉宽、频率等)，并通过光路(16)送到同轴送粉器(1)熔化金属，实现对零件的修复。根据零件对性能的要求需要，可以通过计算机控制系统(19)控制粉料控制器(5)喷出不同的金属粉末，对零件进行梯度修复，达到里韧外硬的效果。

5数据采集 非接触式温度测量仪(3)、ATO三维光学扫描仪(10)与步骤4同步进行工作，采集整个加工过程的温度场、应力场和宏观形状，并将数据传送到计算机控制系统，形成一个闭环的加工系统。

6.激光锻打 激光锻打工序与激光熔覆同步进行，通过分析采集的数据，然后根据温度场确定激光冲击锻打的最佳温度区域和尺寸范围及冲击锻打参数，计算机控制系统(19)控制锻打机械臂(18)的运动路径，对该区域和尺寸范围进行锻打，直至该最新的修复层完全锻打完毕。

7.局部锻打与偏差调整 完成一层修复后，根据测量反馈数据，如局部应力大于预设应力值时，则进行局部激光锻打。修复区域尺寸与预设尺寸有偏差，反馈到计算机控制系统(19)，从而调整下一层该区域熔覆修复时的出粉量。

8.换区域修复 重复4-8步骤直到完成该区域修复，然后重新装夹该零件，进行该大型金属零件的其他区域的修复，直至完成整个零件的修复。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种大型金属零件的去应力激光冲击锻打表面修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据逆向重构技术所获得的模型，获得大型金属零件的修复方案；

根据所述的修复方案，运用连续激光的热效应熔化金属粉末对大型金属零件修复，与此同时，运用脉冲激光的冲击波力效应冲击锻打当前修复层，提高零件综合性能；

本修复方案采用双光束同时工作的加工工艺方法，第一束连续激光利用热效应熔融金属粉末对待修复大型金属零件进行修复，同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对熔覆区材料进行同步冲击锻打，是一项复合加工工艺，锻打光束必须在熔池温度下降到最佳温度以下之前完成锻打，两束激光束是同时作用在同一区域的；

利用温度传感器测量加工区域的温度场，测量信息反馈到控制系统，控制脉冲光束在易塑性变形温度区修复层进行冲击锻打，以达到最好的强化效果，根据修复区域厚度、宽度和性能的要求，控制出粉量和出粉种类，并且选择合适的激光熔覆光斑种类和光斑大小，并调整激光锻打脉冲频率、脉冲能量和光斑尺寸，使得粉末充分均匀熔融且冲击锻打晶粒细化、消除气孔和裂纹。