CN109338354A - 一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄壁结构超快脉冲激光‑冷喷涂表面加工方法，主要用于解决金属薄壁结构的表面缺陷问题，实现快速和高质量的修复。该技术方案首先基于三维测量反向重构技术，构建薄壁结构缺陷表面模型；结合人工智能技术，构建工艺参数数据库；利用机器人技术对各运动部位轨迹进行合理规划；通过粉末荷电装置约束粉末颗粒流态；将超短脉冲激光技术引入到冷喷涂修复技术中，实现对金属薄壁构件表面的快速修复。应用本发明的加工方法可解决常规激光冷喷涂过程中因高热输入导致的铝合金薄壁结构变形、性能下降问题，同时可实现高工艺稳定性和质量可靠性的快速表面修复。

Description

一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法

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-冷喷涂表面加工方法。

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-冷喷涂表面加工方法。基于三维测量反向重构技术，构建薄壁结构缺陷表面模型。结合人工智能技术，构建工艺参数数据库；利用机器人技术对各运动部位轨迹进行合理规划；通过粉末荷电装置约束粉末颗粒流态；将超短脉冲激光技术引入到冷喷涂修复技术中，实现对金属薄壁构件表面的快速修复。

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-冷喷涂表面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建缺陷工艺参数数据库；

构建待修复工件三维模型；

提取缺陷表面形貌，并识别缺陷特征；

计算缺陷表面修复量参数；

计算工艺路径轨迹，并规划运动部件轨迹；

提供激光-冷喷涂系统，该系统包括激光系统、冷喷涂系统和粉末荷电装置，所述激光系统用于发射超短脉冲激光；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；

开启粉末荷电装置，在冷喷涂系统的超音速喷嘴和工件之间形成电场，同时使得喷出的粉末颗粒带电；

开启冷喷涂系统和激光系统，利用超短脉冲激光技术对薄壁结构的缺陷进行修复。

进一步地，所述构建待修复工件三维模型具体过程为：首先基于三维测量反向重构技术，建立三维空间坐标，获取薄壁构件整体外形和表面形貌，在计算机中重建待修复工件的三维模型。

进一步地，所述提取缺陷表面形貌，并识别缺陷特征具体过程为：利用深度卷积神经网络方法，通过卷积核以滑移的方式对整个三维模型缺陷表面形貌进行扫描，初步提取缺陷表面三维形貌主要特征，然后通过池化(最大值池化、平均池化等)的手段，获得三维形貌重要特征，再与所构建的工艺参数库中数据进行比对，实现对缺陷特征的识别。

进一步地，所述计算缺陷表面修复量参数的具体过程为：采用缺陷表面模型与原设计模型比对的方法，计算表面修复量参数。

进一步地，所述计算工艺路径轨迹为：参考所构件的工艺参数数据库，并采用曲线插值计算得到工艺路径轨迹。

进一步地，所述规划运动部件轨迹具体采用D-H参数法插值计算。

进一步地，所述规划运动部件轨迹还包括利用仿真软件进行仿真分析。

基于机器人仿真软件，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。

本发明的优点在于：

本发明将超短脉冲引入到激光-冷喷涂技术中，并结合粉末荷电装置、人工智能技术和机器人技术：

1、可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、以工艺参数数据库为样本，以各工艺参数为模型变量，以薄壁构件设计指标为最终优化目标，在获得表面缺陷特征识别和修复量的基础上，运用前馈神经网络-遗传混合算法(BP-GA)，挖掘工艺参数与表面修复质量和力学性能之间的内在关系，实现工艺参数智能优化；

4、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4为本发明总体方案图；

图5为基于遗传算法的工艺参数优化流程图；

图6为三维重建及轨迹规划流程图。

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：

本发明提供的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，包括以下步骤：

构建缺陷工艺参数数据库；

构建薄壁结构缺陷的表面三维模型；

识别缺陷特征，并计算缺陷修复参数；

计算各运动部件轨迹；

提供激光-冷喷涂系统，包括冷喷涂系统、控制模块、激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述激光系统用于发射超短脉冲激光，使基体材料和粉末颗粒迅速达到热塑性状态；所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于运动系统上，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。

开启粉末荷电装置，在冷喷涂系统的超音速喷嘴和工件之间形成电场，同时使得喷出的粉末颗粒带电；

开启冷喷涂系统和激光系统，利用超短脉冲激光技术对薄壁结构的缺陷进行修复。

其中，构建缺陷工艺参数数据库的具体过程为：

首先，制作典型结构缺陷表面试样，利用实验平台，采用正交实验法等系统实验研究方法选择不同工艺参数组合，开展航天器铝合金薄壁典型结构表面修复实验，揭示各工艺参数对表面修复质量的影响规律，据此构建工艺参数与缺陷间的对应关系；

然后，采用各种测试方法研究应力分布规律、基体变形规律、显微组织结构规律、机械性能演变规律等，结合现有的铝合金材料显微组织-性能规律模型进行综合分析，建立工艺—组织-性能关联规律模型，其中，所述测试方法包括X射线衍射、显微硬度分析仪、疲劳试验机等；

然后，利用数据库技术，建立航天器铝合金薄壁典型结构表面超快激光-冷喷涂修复工艺参数数据库；

最后，以上述工艺参数数据库为样本，以各工艺参数为模型变量，以薄壁构件设计指标为最终优化目标，在获得表面缺陷特征识别和修复两的基础上，运用前馈神经网络-遗传混合算法(BP-GA)，挖掘工艺参数与表面修复质量和力学性能之间的内在关系，实现工艺参数智能优化。

以上工艺参数数据库，在实际应用中根据已修复的缺陷工艺不断进行扩充。

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。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，另一个为负极，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。

本发明中运动的规划具体过程为：根据待修复表面的参数，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。

本发明方法的具体实施过程如下：

1)首先基于三维测量反向重构技术，建立三维空间坐标，获取薄壁构件整体外形和表面形貌，在计算机中重建待修复工件的三维模型；

2)利用深度卷积神经网络方法，通过卷积核以滑移的方式对整个三维模型缺陷表面形貌进行扫描，初步提取缺陷表面三维形貌主要特征，然后通过池化(最大值池化、平均池化等)的手段，获得三维形貌重要特征，再与所构建的工艺参数库中数据进行比对，实现对缺陷特征的识别；

3)采用缺陷表面模型与原设计模型比对的方法，计算表面修复量等参数；

4)利用构件的工艺参数数据库，考虑不同情况薄壁结构的材料特性、表面缺陷、结构特点、工艺要求等因素，实现复合加工头轨迹和位姿的曲线插值计算，得到加工焦点的运动轨迹，即工艺路径轨迹；

5)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，并建立该机器人模型，对机器人运动学、轨迹规划进行仿真分析；

6)基于机器人仿真软件，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；

7)开启粉末荷电装置中的高压静电装置13，在冷喷涂系统的超音速喷嘴3和工件9之间形成电场，同时使得喷出的粉末颗粒带电；

8)在总控计算机上输入合适的加工参数并开启冷喷涂和激光系统；

9)机器人1和复合加工头3在控制系统作用下按预定设计的轨迹运动，超短脉冲激光使基体材料和粉末颗粒迅速达到热塑性状态，完成修复加工。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建缺陷工艺参数数据库；

构建待修复工件三维模型；

提取缺陷表面形貌，并识别缺陷特征；

计算缺陷表面修复量参数；

计算工艺路径轨迹，并规划运动部件轨迹；

提供激光-冷喷涂系统，该系统包括激光系统、冷喷涂系统和粉末荷电装置，所述激光系统用于发射超短脉冲激光；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；

开启粉末荷电装置，在冷喷涂系统的超音速喷嘴和工件之间形成电场，同时使得喷出的粉末颗粒带电；

开启冷喷涂系统和激光系统，利用超短脉冲激光技术对薄壁结构的缺陷进行修复。

2.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述构建待修复工件三维模型具体过程为：首先基于三维测量反向重构技术，建立三维空间坐标，获取薄壁构件整体外形和表面形貌，在计算机中重建待修复工件的三维模型。

3.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述提取缺陷表面形貌，并识别缺陷特征具体过程为：利用深度卷积神经网络方法，通过卷积核以滑移的方式对整个三维模型缺陷表面形貌进行扫描，初步提取缺陷表面三维形貌主要特征，然后通过池化的手段，获得三维形貌主要特征，再与所构件的工艺参数库中数据进行比对，实现对缺陷特征的识别。

4.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述计算缺陷表面修复量参数的具体过程为：采用缺陷表面模型与原设计模型比对的方法，计算表面修复量参数。

5.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述计算工艺路径轨迹为：参考构件的工艺参数数据库，并采用曲线插值计算得到工艺路径轨迹。

6.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述规划运动部件轨迹具体采用D-H参数法插值计算。

7.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述规划运动部件轨迹还包括利用仿真软件进行仿真分析。

8.根据权利要求1所述的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，其特征在于：所述构建缺陷工艺参数数据库的具体过程为：

首先，制作典型结构缺陷表面试样，利用实验平台，采用正交实验法等系统实验研究方法选择不同工艺参数组合，开展航天器铝合金薄壁典型结构表面修复实验，揭示各工艺参数对表面修复质量的影响规律，据此构建工艺参数与缺陷间的对应关系；

然后，采用各种测试方法研究应力分布规律、基体变形规律、显微组织结构规律、机械性能演变规律等，结合现有的铝合金材料显微组织-性能规律模型进行综合分析，建立工艺-组织-性能关联规律模型，其中，所述测试方法包括X射线衍射、显微硬度分析仪、疲劳试验机等；

然后，利用数据库技术，建立航天器铝合金薄壁典型结构表面超快激光-冷喷涂修复工艺参数数据库；

最后，以上述工艺参数数据库为样本，以各工艺参数为模型变量，以薄壁构件设计指标为最终优化目标，在获得表面缺陷特征识别和修复两的基础上，运用前馈神经网络-遗传混合算法(BP—GA)，挖掘工艺参数与表面修复质量和力学性能之间的内在关系，实现工艺参数智能优化。