CN109158599B - 金属零部件损伤的3d打印原位修复系统及其修复方法 - Google Patents

金属零部件损伤的3d打印原位修复系统及其修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统及其修复方法，可对高速列车零部件的损伤进行快速原位地修复，修复质量好，效率高。所述系统包括机械臂、安装在机械臂末端的激光‑TIG复合焊枪和送丝装置、空间扫描摄像装置、打印路径设计装置、层间温度监测装置、层间质量控制装置和和控制终端；空间扫描摄像装置包括对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描的激光轮廓扫描仪；打印路径设计装置用于获确定将要打印层面的打印起始点并确定所述将要打印层面的打印路径；层间质量控制装置包括层间温度控制子装置和熔覆层质量优化子装置。

Description

金属零部件损伤的3D打印原位修复系统及其修复方法
技术领域
本发明涉及一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统及其修复方法，属于金属零部件修复技术领域。
背景技术
3D打印，也称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)，是一个从三维模型数据出发，将材料逐层堆积制造物体的过程，而不是传统的减法制造方法。这种无需原胚和模具的制造方法可以给行业带来新的设计灵活性，减少能源使用和缩短上市时间。
高速列车运行环境复杂多变，高速列车的零部件是保证行车及制动的关键基础部件。金属损伤尤其是腐蚀和应力腐蚀是高速列车领域容易遇到的问题，这些问题可能会导致高速列车故障，存在安全隐患。通过3D打印的方法可实现对零部件损伤进行原位及快速地修复，无需传统的主要结构修复或部件更换。该过程将允许在不拆卸和运输回中央维护设施的情况下进行修理，大大提高了修复效率。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统及其修复方法，可对高速列车零部件的损伤进行快速原位地修复，修复质量好，效率高。
本发明实现其发明目的首先提供了一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：包括机械臂、安装在机械臂末端的激光-TIG复合焊枪和送丝装置，所述修复系统还包括空间扫描摄像装置、打印路径设计装置、层间温度监测装置、层间质量控制装置和和控制终端；
所述送丝装置中装配有修复药芯焊丝，其具体制备过程为：将与待修复零部件相同材料的基体加工成中空管状焊丝，将预制的合金粉末紧密填充至所述中空管状焊丝的管芯中，即得修复药芯焊丝；所述修复药芯焊丝的直径为0.8-1.6mm，管芯的直径为0.5-1.1mm；
所述空间扫描摄像装置包括对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描的激光轮廓扫描仪；
所述打印路径设计装置用于获取空间扫描摄像装置得到的零部件缺损部位三维轮廓数据，设置将要打印层面的层厚，确定将要打印层面的打印起始点并确定所述将要打印层面的打印路径；
所述层间温度监测装置包括每完成一个层面打印扫描后，对所述层面熔覆层表面温度进行监测的红外测温仪；
所述层间质量控制装置包括层间温度控制子装置和熔覆层质量优化子装置，所述层间温度控制子装置可对熔覆层进行冷却处理和加热处理；所述熔覆层质量优化子装置为可对熔覆层进行晶粒细化、减少气孔，从而使得熔覆层组织致密化的设备；
所述控制终端与激光-TIG复合焊枪、送丝装置、空间扫描摄像装置、打印路径设计装置、层间温度监测装置和层间质量控制装置的控制端电连接。
激光与TIG电弧作为复合热源可改善成形质量，减少成形缺陷。激光的作用使得加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等缺陷。而且激光与TIG电弧复合可增加成形过程的稳定性，由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，对电弧有吸引作用，从而增加了成形的稳定性，而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。同时激光与电弧的相互作用会提高成形速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的成形效果，所以激光与TIG电弧作为复合热源可提高生产效率，降低生产成本。
进一步，本发明系统所述激光-TIG复合焊枪中的激光为振动激光；所述激光-TIG复合焊枪中的TIG电弧焊枪所用的电源为双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源。
所述振动激光的产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光，所述振动激光的振动频率为50～100Hz。振动激光可成形熔池进行搅拌，加速熔池中气泡的排出并均匀化熔池元素分布，改善接头的焊接质量。同时振动激光可引导电弧小范围摆动，改善加速熔池中气泡的排出并均匀化熔池元素分布，提高成成形质量。振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要修复的零部件缺损形状和零部件材料选择，主要振动方式是：激光按设定的频率沿扫描路径方向进行线性振动。
双脉冲调制变极性TIG焊接电弧在保证电弧稳定的前提条件下，可最大限度地减少钨极烧损，而且脉冲调制电弧可以减少气孔、提高成型质量。
本发明中所使用的双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源的优选参数如下，焊接中采用的基值电流、峰值电流等焊接参数根据要修复的零部件确定：
进一步，本发明系统所述填充至中空管状焊丝管芯中的预制的合金粉末包括根据所述待修复零部件材料中各合金元素组分比例制备的混合合金微米颗粒(混合合金微米颗粒中各合金元素比例与待修复零部件材料中各合金元素组分比例相同)，然后在所述混合合金微米颗粒表面从里到外依次修饰石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的1-3％；所述混合合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
本发明所采用的预制合金粉末的设计原理是：石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层结构的材料，凭借其独特的机械、电学、化学及光学等方面的优异性能。纳米增强颗粒可在3D打印成形过程中产生大量的异质形核质点，显著细化了晶粒，可实现金属零部件的3D打印修复，修复质量好。ZrB2和TiB2颗粒均属六方晶系的准金属化合物，稳定性好，熔点较高，且两种颗粒热膨胀系数相等，以此作为增强颗粒提升金属基体的综合力学性能。
进一步，本发明系统所述熔覆层质量优化子装置为搅拌摩擦设备和超声冲击设备。
进一步，本发明系统所述层间温度控制子装置包括布置于送丝装置外侧的惰性气体通道，所述惰性气体通道由一系列的微小等距均匀布置的气孔组成，可以喷出惰性保护气体，通过调节喷出惰性保护气体的温度，实现对熔覆层的冷却处理或加热处理。
惰性气体通道由一系列的微小等距均匀布置的气孔组成，可以使喷出的气体均匀，而且可通过调节喷气的速度、流量、温度，进行主加工、辅助加工、冷加工、热加工等，过程方便，效率高。
本发明实现其发明目的还提供了一种上述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法，其步骤如下：
S1、制备与待修复零部件材料完全相同的具有中间通孔的中空管状焊丝，预制合金粉末，然后将预制的合金粉末紧密填充至所述中空管状焊丝的管芯中，制得修复药芯焊丝；然后将给所述修复药芯焊丝装配在送丝装置中；
S2、激光轮廓扫描仪对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描，并将所述三维轮廓数据传给打印路径设计装置；
S3、打印路径设计装置将接收的零部件缺损部位三维轮廓扫描数据和金属零部件的原始模型数据进行三维重构，形成零部件缺损部位的三维模型，并对零部件缺损部位的三维模型数据进行二维化处理，设置当前层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数；
S4、用红外测温仪对待打印区域表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置控制待打印区域表面温度，当待打印区域表面温度为预先设定的扫描温度时，激光-TIG复合焊枪和送丝装置同时工作，按照步骤S3设置的打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数进行第一层面的扫描打印；
S5、完成当前层面扫描打印后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置控制熔覆层温度，当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置对熔覆层进行优化处理；对当前层面的熔覆层进行优化处理后，重复步骤S2-S3进行下一个层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数的设定；
S6、通过层间温度控制子装置控制优化处理后的熔覆层温度，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，所述激光-TIG复合焊枪和送丝装置同时工作，进行下一层面的扫描打印；
S7、重复步骤S5-S6-S5，直至完成对零部件的缺损部位的修复。
进一步，本发明方法中，所述整个3D打印原位修复过程均在惰性气体保护下，激光-TIG复合焊枪和送丝装置同时工作进行扫描打印时，所采用的惰性保护气体为70％氩气和30％氦气。
与氩气相比，氦气密度低，电离电位高，传热性好，在相同电弧长度条件下，氦气保护氛围下的电弧电压比氩弧的高，使电弧有较大的功率，除了有更好的保护作用外，也使得熔池流动性更强，更利于气体从熔池中溢出；但是由于氦气质量分数较小，要达到相同的保护效果，氦气的流量应是氩气的3-4倍，所以单独使用氦气作为保护气体，电弧不稳定，容易产生飞溅。经实验验证，采用70％氩气和30％氦气得到的修复质量最好。
进一步，本发明方法中所述步骤S5中当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置对熔覆层进行优化处理的具体操作是：当熔覆层表面温度为预先设定的第一优化温度(通过层间温度控制子装置控制熔覆层温度至第一优化温度)，用搅拌摩擦焊的搅拌头对熔覆层进行搅拌摩擦处理，完成一次优化；完成一次优化后，当熔覆层表面温度为预先设定的第二优化温度(通过层间温度控制子装置控制熔覆层温度至第二优化温度)，用超声工具头对熔覆层进行超声冲击，完成二次优化；所述第一优化温度为打印材料熔点的3/5-3/4，第二优化温度为打印材料熔点的1/5-1/4。
用搅拌摩擦焊的搅拌头对熔覆层进行搅拌摩擦处理的具体方式是调整搅拌工具头对准熔覆层，高速旋转下沉压入熔覆层内进行搅拌，同时移动搅拌工具头，使其覆盖整个待优化熔覆层区域进行搅拌摩擦加工处理；通过调控搅拌摩擦焊转速和行进速度，使搅拌摩擦焊塑性变形层厚度稍大于熔覆层厚度。搅拌头轴肩直径为2～5mm，转速为700～1200rpm，行进速度为500～700mm/min，下压量为0.01～0.03mm。搅拌摩擦的优化处理可使得激光-TIG打印所产生的裂纹、球化、孔隙消除，提高成形质量；还可以使得网状碳化物破碎为弥散分布，并将组织调整为纳米晶，从而实现对零部件高质量的修复。
超声冲击处理的参数为：冲击频率18-20kHz，冲击电流0.4-0.6A，冲击振幅18-20μm，冲击速度0.8-1m/min，往复冲击次数为3次。所述超声冲击枪的冲击针直径为3mm，冲击针个数为1～3。
采用超声冲击在选区熔化成形过程中实时“逐层”处理，可有效消除内应力和内部缺陷、细化晶粒，使成形构件组织致密，提高零部件缺损部位的修复质量。本发明通过设置第二优化温度，即冲击温度，配合小冲击电流即可达到较好的超声冲击效果，同时减少了超声冲击针的磨损。
进一步，本发明方法中所述预先设定的扫描温度为打印材料熔点的1/4-1/3。
预设扫描温度可对3D打印的层间温度进行控制：层间温度过高，熔液流动性较强，导致熔池的抗干扰能力低，尤其在成形件边缘部分极易产生流淌现象，严重降低了零部件尺寸的尺寸精度；当层间温度过低时，熔池凝固速度过快，熔液的流动性较低，极易导致层间形成未熔合缺陷，严重降低了零部件的力学性能，因此，在3D打印成形过程中，有效地控制层间温度，降低成形过程中的温度梯度，可减小零部件中的残余应力和气孔的形成，提高零部件修复的成形质量。控制层间温度为打印材料的1/4-1/3熔点既可以保证熔池的抗干扰能力，避免成形件边缘部分极易产生流淌现象，又可避免出现未熔合缺陷，保证了成形零部件的力学性能。
本发明修复系统及方法逐层扫描和修复的有益效果是：现有的修复打印方法是先建立完整的三维模型，按照既定模型逐层打印，如果在修复打印过程中某一层出现缺陷时，仍按部就班地打印，该缺陷无法及时修正，对后续打印有很大影响甚至造成打印结构塌陷。本发明基于扫描当前层的三维信息进行下一层的打印，实时控制每一层的打印过程，当打印对象发生移动时，可实时扫描同步运动的方式，大大减少了对下一次打印结果的影响。总之，采用本发明3D打印原位修复系统及方法，可提高修复质量，减少结构损伤。
所述填充至中空管状焊丝管芯中的预制的合金粉末由以下方法制备：
a、获取各合金元素比例与待修复零部件材料中各合金元素组分比例相同的10μm-60μm粒度范围的混合合金粉末(可通过雾化法)；然后将混合合金粉末送入整形设备，在所述整形设备内，混合合金粉末的颗粒间相互摩擦、揉搓、研磨及与设备相互作用下形成球形颗粒，通过筛分、得到混合合金微米颗粒；
b、将混合合金微米颗粒加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使混合合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的混合合金微米颗粒；；
c、将步骤b得到的带正电荷的混合合金微米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声分散得到混合合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液，将石墨烯分散液加入到混合合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的混合合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的混合合金微米颗粒悬浮液；
d、将纳米增强颗粒加入到去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入表面修饰有石墨烯的混合合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的混合合金微米颗粒；
e、将步骤d制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的混合合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；并进行真空脱气处理，即得。所述真空脱气的条件为，在2*10-3-1*10-2Pa真空度下，依次在100-200℃保温1-2h，在300～400℃保温2～5h。
所述步骤a中所用的所述整形设备为盘磨装置；所述盘磨装置包括两个相对运动的磨盘，粉末在两个磨盘之间依靠颗粒间的研磨、揉搓和摩擦的相互作用及与磨盘的相互作用形成球形粉末。步骤a的处理可改善粉末形貌和降低粉末团聚的能力，能够极大提高粉末的流动性度，提高获得颗粒的球形度，也可以直接购买高球形度、高流动性的混合合金微米颗粒。
上述制备方法的原理是：首先在通过静电组装混合合金微米颗粒表面包裹石墨烯，再利用物理吸附作用将TiB2和/或ZrB2纳米粒子吸附在石墨烯表面，得到表面修饰有石墨烯和纳米增强颗粒的混合合金微米颗粒。碳原子的p电子组成的大π和TiB2和/或ZrB2中的B原子外的p空轨道结合，形成p电子与p轨道的物理吸附，将TiB2和/或ZrB2吸附在石墨烯表面，宏观上分析，石墨烯表面带有电负性，TiB2和ZrB2的Zeta电位均在正46mV以上，可与石墨烯形成静电物理吸附。
粉末颗粒粒径越小，表面能越大，也就越容易吸附气体，吸附的气体会进一步加剧粉末的粘连、团聚，真空脱气过程可使粉末间隙或者表面的气体释放出来，从而可提高3D打印金属粉末的流动性。制备的用于3D打印修复的合金粉末氧含量低于800ppm，粉末流动性小于55s/50g。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图。
图2为本发明实施例激光-TIG复合焊枪和送丝装置同时工作进行修复的工作示意图。
图3为本发明实施例送丝装置及层间温度控制子装置的仰视示意图。
图4为本发明实施例振动激光的线性振动示意图。
图2中，1.2为激光头，1.1a为电弧焊枪产生的电弧，8.1为有损伤的零部件，8.2为零部件的缺损部位。图4中，a为激光振动路径。
具体实施方式
实施例
图1示出，一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其结构特点是：包括机械臂、安装在机械臂末端的激光-TIG复合焊枪1.0和送丝装置2.0，所述修复系统还包括空间扫描摄像装置3.0、打印路径设计装置4.0、层间温度监测装置5.0和层间质量控制装置6.0和控制终端7.0；
所述送丝装置2.0中装配有修复药芯焊丝2.1，其具体制备过程为：将与待修复零部件相同材料的基体加工成中空管状焊丝2.1a，将预制的合金粉末2.1b紧密填充至所述中空管状焊丝2.1a的管芯中，即得修复药芯焊丝2.1；所述修复药芯焊丝2.1的直径为0.8-1.6mm，管芯的直径为0.5-1.1mm；
所述空间扫描摄像装置3.0包括对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描的激光轮廓扫描仪；
所述打印路径设计装置4.0用于获取空间扫描摄像装置3.0得到的零部件缺损部位三维轮廓数据，设置将要打印层面的层厚，确定将要打印层面的打印起始点并确定所述将要打印层面的打印路径；
所述层间温度监测装置5.0包括每完成一个层面打印扫描后，对所述层面熔覆层表面温度进行监测的红外测温仪；
所述层间质量控制装置6.0包括层间温度控制子装置6.1和熔覆层质量优化子装置6.2，所述层间温度控制子装置6.1可对熔覆层进行冷却处理和加热处理；所述熔覆层质量优化子装置6.2为可对熔覆层进行晶粒细化、减少气孔，从而使得熔覆层组织致密化的设备。优选的，所述熔覆层质量优化子装置6.2为搅拌摩擦设备和超声冲击设备；
所述控制终端7.0与激光-TIG复合焊枪1.0、送丝装置2.0、空间扫描摄像装置3.0、打印路径设计装置4.0、层间温度监测装置5.0和层间质量控制装置6.0的控制端电连接。
优选的，所述填充至中空管状焊丝管芯中的预制的合金粉末包括根据所述待修复零部件材料中各合金元素组分比例制备的混合合金微米颗粒，然后在所述混合合金微米颗粒表面从里到外依次修饰石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的1-3％；所述混合合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm；所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
优选的，所述激光-TIG复合焊枪1.0中的激光1.2a为振动激光；振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光，所述振动激光的振动频率为50～100Hz；如图4所示，所述振动方式是：激光按设定的频率沿扫描路径方向进行线性振动，a为激光振动路径；图4仅为了说明振动方式，省略TIG电弧焊枪和送丝装置等部分。
优选的，所述激光-TIG复合焊枪1.0中的TIG电弧焊枪1.1所用的电源为双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源。
图3为本发明实施例送丝装置及层间温度控制子装置(图2中的A部分)的仰视示意图。图3示出，所述层间温度控制子装置6.1优选方式是包括布置于送丝装置2.0的修复药芯焊丝2.1外侧的惰性气体通道，所述惰性气体通道由一系列的微小等距均匀布置的气孔6.1a组成，可以喷出惰性保护气体，通过调节喷出惰性保护气体的温度，实现对熔覆层的冷却处理或加热处理。
上述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法是：其步骤如下：
S1、制备与待修复零部件材料完全相同的具有中间通孔的中空管状焊丝2.1a，预制合金粉末2.1b，然后将预制的合金粉末2.1b紧密填充至所述中空管状焊丝2.1a的管芯中，制得修复药芯焊丝2.1；然后将给所述修复药芯焊丝2.1装配在送丝装置2.0中；
S2、激光轮廓扫描仪对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描，并将所述三维轮廓数据传给打印路径设计装置4.0；
S3、打印路径设计装置4.0将接收的零部件缺损部位三维轮廓扫描数据和金属零部件的原始模型数据进行三维重构，形成零部件缺损部位的三维模型，并对零部件缺损部位的三维模型数据进行二维化处理，设置当前层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数；
S4、用红外测温仪对待打印区域表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置6.1控制待打印区域表面温度，当待打印区域表面温度为预先设定的扫描温度时，激光-TIG复合焊枪1.0和送丝装置2.0同时工作，按照步骤S3设置的打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数进行第一层面的扫描打印；图2为本发明实施例激光-TIG复合焊枪和送丝装置同时工作进行修复的工作示意图。
S5、完成当前层面扫描打印后，用红外测温仪对所述层面的熔覆层表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置6.1控制熔覆层温度；当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置6.2对熔覆层进行优化处理；对当前层面的熔覆层进行优化处理后，重复步骤S2-S3进行下一个层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数的设定；
S6、通过层间温度控制子装置6.1控制优化处理后的熔覆层温度，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，所述激光-TIG复合焊枪1.0和送丝装置2.0同时工作，进行下一层面的扫描打印；
S7、重复步骤S5-S6-S5，直至完成对零部件的缺损部位的修复。
所述整个3D打印原位修复过程均在惰性气体保护下，激光-TIG复合焊枪1.0和送丝装置2.0同时工作进行扫描打印时，所采用的惰性保护气体为70％氩气和30％氦气。可通过激光-TIG复合焊枪1.0的电弧焊枪和布置在送丝装置2.0的修复药芯焊丝2.1外侧的惰性气体通道送出惰性气体，保证激光-TIG复合焊枪1.0和送丝装置2.0同时工作进行扫描打印时的惰性气体保护氛围；同时可通过修复环境的密闭和专门的惰性气体送气装置保证整个3D打印原位修复过程均在惰性气体保护下，使用者可根据实际情况选择。
所述步骤S5中当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置6.2对熔覆层进行优化处理的具体操作是：当熔覆层表面温度为预先设定的第一优化温度，对熔覆层进行搅拌摩擦处理，完成一次优化；完成一次优化后，当熔覆层表面温度为预先设定的第二优化温度，用超声工具头对熔覆层进行超声冲击，完成二次优化；所述第一优化温度为打印材料熔点的3/5-3/4，第二优化温度为打印材料熔点的1/5-1/4。所述预先设定的扫描温度为打印材料熔点的1/4-1/3。
本发明3D打印原位修复方法可应用于高铁列车零部件的原位修复，所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。
下面以使用本发明修复系统及修复方法修复零部件为例对本发明实施方式进行进一步详细描述。
将上述修复系统及修复方法用于高强度铝合金零部件修复，所用修复药芯焊丝2.1的直径为1.0mm，管芯的直径为0.6mm；本例中所述预制的合金粉末包括根据所述待修复零部件材料中各合金元素组分比例制备的混合合金微米颗粒；石墨烯添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的0.4％，纳米增强颗粒总添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的2％；本例中所述混合合金微米颗粒的粒径为30μm-50μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm；本例中所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒。
所述第一优化温度为打印材料熔点的3/5，第二优化温度为打印材料熔点的1/5。所述预先设定的扫描温度为打印材料熔点的1/3。
本例中激光-TIG复合焊枪进行焊接的焊接参数是：激光功率为13kW，激光为振动激光，振动频率为50Hz；TIG电弧焊枪1.1所用的电源为双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源，参数如下：
送丝装置2.0的填丝速度为6m/min，打印扫描速度为3m/min，打印层厚为2mm。
本例中对熔覆层进行搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头轴肩直径为3mm，转速为1000rpm，行进速度为700mm/min，下压量为0.03mm。
本例中对熔覆层进行超声冲击处理的参数为：冲击频率20kHz，冲击电流0.5A，冲击振幅20μm，冲击速度0.8m/min，往复冲击次数为3次。所述超声冲击枪的冲击针直径为3mm，冲击针个数为3。
完成上述修复后，零部件的力学性能与未损伤零部件基本一致，通过对零部件表面缺陷的实时修复大大提高了零部件利用率，降低了生产成本，提高了修复效率。

Claims (10)

1.一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：包括机械臂、安装在机械臂末端的激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)，所述修复系统还包括空间扫描摄像装置(3.0)、打印路径设计装置(4.0)、层间温度监测装置(5.0)、层间质量控制装置(6.0)和控制终端(7.0)；
所述送丝装置(2.0)中装配有修复药芯焊丝(2.1)，所述修复药芯焊丝(2.1)的具体制备过程为：将与待修复零部件相同材料的基体加工成中空管状焊丝(2.1a)，将预制的合金粉末(2.1b)紧密填充至所述中空管状焊丝(2.1a)的管芯中，即得修复药芯焊丝(2.1)；所述修复药芯焊丝(2.1)的直径为0.8-1.6mm，管芯的直径为0.5-1.1mm；
所述空间扫描摄像装置(3.0)包括对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描的激光轮廓扫描仪；
所述打印路径设计装置(4.0)用于获取空间扫描摄像装置(3.0)得到的零部件缺损部位三维轮廓数据，设置将要打印层面的层厚，确定将要打印层面的打印起始点并确定所述将要打印层面的打印路径；
所述层间温度监测装置(5.0)包括每完成一个层面打印扫描后，对所述层面熔覆层表面温度进行监测的红外测温仪；
所述层间质量控制装置(6.0)包括层间温度控制子装置(6.1)和熔覆层质量优化子装置(6.2)，所述层间温度控制子装置(6.1)用于对熔覆层进行冷却处理和加热处理；所述熔覆层质量优化子装置(6.2)为对熔覆层进行晶粒细化、减少气孔，从而使得熔覆层组织致密化的设备；
所述控制终端(7.0)与激光-TIG复合焊枪(1.0)、送丝装置(2.0)、空间扫描摄像装置(3.0)、打印路径设计装置(4.0)、层间温度监测装置(5.0)和层间质量控制装置(6.0)的控制端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：所述填充至中空管状焊丝(2.1a)管芯中的预制的合金粉末(2.1b)包括根据所述待修复零部件材料中各合金元素组分比例制备的混合合金微米颗粒，然后在所述混合合金微米颗粒表面从里到外依次修饰石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的1-3％；所述混合合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm；所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：所述激光-TIG复合焊枪(1.0)中的激光(1.2a)为振动激光；所述激光-TIG复合焊枪(1.0)中的TIG电弧焊枪(1.1)所用的电源为双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源。
4.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：所述熔覆层质量优化子装置(6.2)为搅拌摩擦设备和超声冲击设备。
5.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统，其特征在于：所述层间温度控制子装置(6.1)包括布置于送丝装置(2.0)的修复药芯焊丝(2.1)外侧的惰性气体通道，所述惰性气体通道由一系列的微小等距均匀布置的气孔(6.1a)组成，通过喷出惰性保护气体，调节喷出惰性保护气体的温度，实现对熔覆层的冷却处理或加热处理。
6.一种权利要求1-5任一所述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法，其步骤如下：
S1、制备与待修复零部件材料完全相同的具有中间通孔的中空管状焊丝(2.1a)，预制合金粉末(2.1b)，然后将预制的合金粉末(2.1b)紧密填充至所述中空管状焊丝(2.1a)的管芯中，制得修复药芯焊丝(2.1)；然后将所述修复药芯焊丝(2.1)装配在送丝装置(2.0)中；
S2、激光轮廓扫描仪对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描，并将所述三维轮廓数据传给打印路径设计装置(4.0)；
S3、打印路径设计装置(4.0)将接收的零部件缺损部位三维轮廓扫描数据和金属零部件的原始模型数据进行三维重构，形成零部件缺损部位的三维模型，并对零部件缺损部位的三维模型数据进行二维化处理，设置当前层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数；
S4、用红外测温仪对待打印区域表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置(6.1)控制待打印区域表面温度，当待打印区域表面温度为预先设定的扫描温度时，激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作，按照步骤S3设置的打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数进行第一层面的扫描打印；
S5、完成当前层面扫描打印后，用红外测温仪对所述层面的熔覆层表面温度进行监测，通过层间温度控制子装置(6.1)控制熔覆层温度；当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置(6.2)对熔覆层进行优化处理；对当前层面的熔覆层进行优化处理后，重复步骤S2-S3进行下一个层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数的设定；
S6、通过层间温度控制子装置(6.1)控制优化处理后的熔覆层温度，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，所述激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作，进行下一层面的扫描打印；
S7、重复步骤S5-S6-S5，直至完成对零部件的缺损部位的修复。
7.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法，其特征在于：所述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法中的步骤S1-S7均在惰性气体保护下，激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作进行扫描打印时，所采用的惰性保护气体为70％氩气和30％氦气。
8.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法，其特征在于：所述步骤S5中当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时，熔覆层质量优化子装置(6.2)对熔覆层进行优化处理的具体操作是：当熔覆层表面温度为预先设定的第一优化温度，对熔覆层进行搅拌摩擦处理，完成一次优化；完成一次优化后，当熔覆层表面温度为预先设定的第二优化温度，用超声工具头对熔覆层进行超声冲击，完成二次优化；所述第一优化温度为打印材料熔点的3/5-3/4，第二优化温度为打印材料熔点的1/5-1/4。
9.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法，其特征在于：所述预先设定的扫描温度为打印材料熔点的1/4-1/3。
10.根据权利要求6所述的金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法的应用，其特征在于，所述3D打印原位修复方法应用于高铁列车零部件的原位修复，所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。
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