CN109295450A - 一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置 - Google Patents

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张臣
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Abstract

本发明提出了一种薄壁结构超快脉冲激光‑冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统和控制模块，还包括超短脉冲激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于所述运动系统上，所述运动系统用于调节冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的工作焦点；所述粉末荷电装置用于在冷喷涂系统的喷嘴和工件之间形成电场；所述控制模块用于控制冷喷涂系统的喷涂参数、超短脉冲激光系统的激光能量参数和运动系统的加工轨迹。本发明可在提高修复效率和质量的同时解决薄壁件常规修复方式容易产生的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。

Description

一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置
技术领域
本发明涉及金属薄壁件的表面修复领域，具体地涉及一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置。
技术背景
随着国际航天产业的发展，如何降低航天发射费用是整个航天工业界面临的主要挑战之一，而实现运载火箭的重复使用是降低成本的重要措施。航天回收件多采用薄壁高强铝合金，其返修温度必须控制在高强铝合金时效温度以下，因此无法使用目前常规的熔化焊、固相焊等方法进行修复。
目前代表性的金属构件修复技术主要有激光熔覆、等离子体喷涂、超音速冷喷涂等。激光熔覆修复技术在机电、航空发动机等高要求领域中具有广泛应用，英国Rolls-Royce公司最早将激光熔覆技术用于发动机零件的修复，并申请专利，国内包括北京航空航天大学、西北工业大学等单位也开展了较多研究，对原理与设备均具有一定突破，但激光熔覆修复过程是一个多因素影响的加工过程，实际形成的零件修复区存在一些缺陷，且对金属薄壁构件适应性较差，存在一定局限性；等离子体喷涂技术形成的涂层具有孔隙率较低，结合强度高的优点，冷喷涂技术产生的热影响非常小，对制备铜及其合金、钛合金、镁合金等易于氧化的图层具有重要的意义，可对废旧部件表面进行直接修复，但喷涂颗粒硬度较高时，沉积效果较差，且高压喷涂设备又过于笨重不易移动，不利于现场施工；为了减少冷喷涂气体压力、减小材料表面的孔隙率、提高冷喷涂质量，英国剑桥大学William O’Neill课题组提出了超音速激光沉积技术，利用激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，有效降低了临界沉积速度，同时拓宽了颗粒和集采的选材范围，实现了部分难沉积材料涂层的制备，但针对大型薄壁金属构件修复方面仍会产生较大热应力，造成材料的变形。
超短脉冲激光技术是随着锁模技术发展起来的，它能以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，可以避免线性吸收、能量转移和扩散过程的影响，几乎不会对周边材料造成热损伤，在加工金属薄壁结构件时热扩散小，可极大地减少修复过程中的材料变形。
针对上述问题和研究，本发明将超短脉冲激光引入到冷喷涂修复技术，结合AI技术中的深度卷积神经网络方法、粉末荷电装置和机器人轨迹规划技术，形成一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，解决现有冷喷涂及常规激光冷喷涂修复过程中导致的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置。将超短脉冲引入到激光-冷喷涂技术中，解决现有冷喷涂及常规激光冷喷涂修复过程中导致的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。
为了实现上述目的，本发明所设计的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统和控制模块，其特殊之处在于：
还包括超短脉冲激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于所述运动系统上，所述运动系统用于调节冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的工作焦点；
所述粉末荷电装置用于在冷喷涂系统的喷嘴和工件之间形成电场；
所述控制模块用于控制冷喷涂系统的喷涂参数、超短脉冲激光系统的激光能量参数和运动系统的加工轨迹。
进一步地，所述粉末荷电装置包括高压静电发生器，所述高压静电发生器通过电缆分别与冷喷涂系统的喷嘴和工件连接，使冷喷涂系统和喷嘴一个为正极另一个为负极。
进一步地，所述运动系统包括多自由度运动机构和多自由度夹具，所述多自由度夹具设置在多自由度运动机构上，所述冷喷涂系统的喷嘴和激光系统的喷嘴均设置在多自由度夹具上，所述多自由度夹具能单独调节喷涂系统的喷嘴和激光系统的喷嘴的加工焦点；所述多自由度运动机构和多自由度夹具均由控制模块控制。
进一步地，所述多自由度运动机构为机械臂或者多自由度运动平台或者工业机器人。
进一步地，所述冷喷涂系统包括高压气瓶、送粉器、气体加热器和超音速喷嘴，所述高压气瓶出口通过耐高压气管分别与送粉器和气体加热器入口连接，所述送粉器和气体加热器出口通过管道与超音速喷嘴连接。
进一步地，还包括保护罩，所述工件、运动系统、冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴均设置在保护罩内。
本发明的优点在于：
1、解决因高热输入导致的薄壁结构变形问题，同时打到提高效率、降低气体压力的目的。
2、通过静电场控制粉末流态，提高利用率和加工效率，降低了成本，同时减少了空气中悬浮的细小粉末颗粒，改善了工作环境和人员健康等问题。
3、激光能量、脉冲时间、粉末速度、扫描速度、焦点位置等参数均可有机联动调控，加工效果好、效率高、工艺稳定。
附图说明
图1为本发明装置原理图。
图2为冷喷涂系统装置原理图。
图3为粉末荷电装置原理图。
图中：机械臂1、耐高压气管2、超音速喷嘴3、气体加热器4、超短脉冲激光发生器5、光路传输系统6、工装夹具7、激光头8、工件9、工作台10、保护罩11、电缆12、高压静电发生器13、送粉器14、高压气瓶15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，包括机械臂1、耐高压气管2、超音速喷嘴3、气体加热器4、超短脉冲激光发生器5、光路传输系统6、工装夹具7、激光头8、工件9、工作台10、保护罩11、电缆12、高压静电发生器13、送粉器14。
本发明的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统、超短脉冲激光系统、运动系统、粉末荷电系统、工装夹具、保护罩、控制系统。
冷喷涂系统包括耐高压气管2、超音速喷嘴3、气体加热器4、送粉器14、高压气瓶15和控制单元。高压气瓶15将高压气体输入耐高压气管2中，一部分气体进入送粉器14将金属粉末带出，一部分气体进入气体加热器4进行预热，工作气体和送粉气体进入超音速喷嘴，粉末颗粒经过加速后撞击在工件表面沉积形成涂层，通过控制单元可调控工作气体压力、送粉气体压力、气体温度、送粉速率等参数。
超短脉冲激光系统包括超短脉冲激光发生器5、光路传输系统6、控制单元和激光加工头8。超短脉冲激光发生器5产生超短脉冲激光，通过光路传输系统6中不同光学镜头实现光束的整形与路径控制，配合机械臂1及工装夹具7可自由调整光束焦点位置。控制单元可调节激光束脉冲频率、脉冲宽度、脉冲功率、光束扫描速度等激光器参数。
运动系统包括多自由度运动机构1、多自由度夹具7和控制单元。其中多自由度运动机构1可为机械臂、多自由度运动平台、工业机器人等能实现三维空间任意点精准定位、自由位姿的设备，在本实例中为机械臂，但不限于机械臂。多自由度夹具7上安装冷喷涂超音速喷嘴3和激光头8集成为复合加工头，超音速喷嘴3和激光头8的加工焦点均可独立、自由调控。运动系统中的控制单元包括多自由度运动机构控制单元和复合加工头控制单元，多自由度运动机构控制单元可自由、准确、快速改变机构末端夹具部位空间位置和姿态，复合加工头控制单元可独立、自由改变超音速喷嘴3和激光头8的加工焦点。
粉末荷电装置包括超音速喷嘴3、工件9、电缆12和高压静电发生器13。其中高压静电发生器13通过电缆12分别连接超音速喷嘴3和工件9，使超音速喷嘴3和工件9一个为正极，一个为负极，在两者区间形成电场，引导金属粉末沿电场线运动。
工装夹具7一端固定在机械臂1手臂末端，超音速喷嘴3与激光头8被夹持在工装夹具7上，结构保证超音速喷嘴3与激光头8均可独立、自由地进行多个自由度的小范围运动，运动参数受控制单元作用。
保护罩11空间足够大，内部放置机械臂1、超音速喷嘴3、工装夹具7、激光头8、工件9和工作台10。保证安装工件的合理和修复施工的正常进行；有较好的密闭性，保证粉末不外泄；内部气压保持常压；排风装置保证气体和粉末能够快速排出；内部气固两相流动不受周围环境的影响。
控制系统包括冷喷涂系统控制单元、超快脉冲激光系统控制单元、运动系统控制单元、粉末荷电控制单元和复合加工头控制单元，将各控制单元有机结合至保护罩11外的总控计算机上。
具体工作方式为：如图1所示，机械臂1、超音速喷嘴3、工装夹具7、激光头8、工件9和工作台10合理布置在保护罩11内。在总控计算机上导入工件9的待修复区域参数，机械臂1和工装夹具7运动到修复初始位置，并保持合适位姿；打开粉末荷电装置中的高压静电发生器13，在超音速喷嘴3和工件9之间形成电场；在总控计算机上输入合适的冷喷涂和激光加工参数并开启，同时粉末颗粒带电；在总控计算机控制下，复合加工头的焦点按规划的加工轨迹运动，完成修复加工。
本发明中运动的规划具体过程为：根据待待修复表面的参数，实现加工头加工轨迹和位姿的曲线插值计算，得到加工轨迹，即加工焦点的运动轨迹；然后，分析所使用机器人的机械结构，基于D-H坐标系理论建立机器人的运动学方程，并对该方程进行求解，得到其运动学正反解；其次，在关节空间内，结合机器人操作空间运动参数对关节轨迹插值计算，实现对机器人关节空间的轨迹规划；然后，在Matlab平台上，利用机器人工具箱建立该机器人模型，并且对机器人运动学、轨迹规划进行仿真分析；最后，基于RobotArt机器人仿真软件，可以使用其他机器人仿真软件，实现整个轨迹的“试加工”，以进行干涉检查、轨迹和位姿的可视优化。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统和控制模块，其特征在于：
还包括超短脉冲激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于所述运动系统上，所述运动系统用于调节冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的工作焦点；
所述粉末荷电装置用于在冷喷涂系统的喷嘴和工件之间形成电场；
所述控制模块用于控制冷喷涂系统的喷涂参数、超短脉冲激光系统的激光能量参数和运动系统的加工轨迹。
2.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，其特征在于：所述粉末荷电装置包括高压静电发生器(13)，所述高压静电发生器(13)通过电缆分别与冷喷涂系统的喷嘴和工件连接，使冷喷涂系统和喷嘴一个为正极另一个为负极。
3.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，其特征在于：所述运动系统包括多自由度运动机构(1)和多自由度夹具(7)，所述多自由度夹具(7)设置在多自由度运动机构上，所述冷喷涂系统的喷嘴和激光系统的喷嘴均设置在多自由度夹具(7)上，所述多自由度夹具(7)能单独调节喷涂系统的喷嘴和激光系统的喷嘴的加工焦点；所述多自由度运动机构和多自由度夹具(7)均由控制模块控制。
4.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，其特征在于：所述多自由度运动机构为机械臂或者多自由度运动平台或者工业机器人。
5.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，其特征在于：所述冷喷涂系统包括高压气瓶(15)、送粉器(14)、气体加热器(4)和超音速喷嘴(3)，所述高压气瓶(15)出口通过耐高压气管(2)分别与送粉器(14)和气体加热器(4)入口连接，所述送粉器(14)和气体加热器(4)出口通过管道与超音速喷嘴(3)连接。
6.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，其特征在于：还包括保护罩(11)，所述工件、运动系统、冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴均设置在保护罩(11)内。
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