CN109967878A - 激光裂纹修复系统和激光裂纹修复方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光裂纹修复系统，所述激光裂纹修复系统包括第一激光单元和第二激光单元；其中，所述第一激光单元包括脉冲激光器，所述第一激光单元对裂纹进行减材处理；所述第二激光单元包括连续激光器，所述第二激光单元对裂纹进行增材修复；所述第一激光单元和第二激光单元交替工作。本申请还公开了一种激光裂纹修复方法，其特征在于，所述方法包括：a)识别、定位裂纹部分，并通过脉冲激光对裂纹部分进行挖除与清洗；b)使用连续激光对挖除后的待修复区域进行增材修复；c)使用脉冲激光对修复后的区域进行减材处理，精整修复后的表面。
Description
技术领域
本申请涉及一种激光裂纹修复系统和激光裂纹修复方法，属于光电领域。
背景技术
在航空/航海领域，特别是一些运动易疲劳零部件经常面临着修复问题，如燃汽轮机/航空发动机涡轮叶片、飞机起落架等。目前常用的修复方法一般采用机械去除与激光增材相结合的方式。即利用砂轮打磨的方式进行裂纹的前处理，易对基体材料造成机械损伤和机械应力残留。修复后的后处理一般采用机械铣削或磨削的方式进行减材加工，同样面临着机械损伤、机械应力等问题，影响到修复件的疲劳寿命。针对上述问题，本发明提出一种裂纹的全激光修复方法和系统，提高裂纹的修复质量和效率，提升修复件的疲劳寿命，在燃气轮机、航空发动机、飞机起落架、舰船零部件的修复上具有广阔的应用前景。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种激光裂纹修复系统，所述激光裂纹修复系统包括第一激光单元和第二激光单元；其中，
所述第一激光单元包括脉冲激光器，所述第一激光单元对裂纹进行减材处理；
所述第二激光单元包括连续激光器，所述第二激光单元对裂纹进行增材修复；
所述第一激光单元和第二激光单元交替工作。
优选地，所述激光裂纹修复系统包括送粉单元；
所述送粉单元与所述第二激光单元连接并同轴送粉。
优选地，所述激光裂纹修复系统包括中央控制单元1、信息采集处理单元2、送粉单元3、运动单元4、激光器单元5和工作单元6，其中，所述信息采集处理单元2将待修复的裂纹信息收集、处理并传送至所述中央控制单元1，所述中央控制单元依照所接收到的信息控制所述送粉单元3、运动单元4和激光器单元5并通过工作单元执行对待修复裂纹的修复。本发明的激光裂纹修复系统，能够以一体式的设计完成从修复前处理到修复后处理的完整修复工序。本发明的装置中的各单元是根据其在系统中起到的作用进行分类的，并不代表各单元中的每个器件需要集中分布在一起。
优选地，所述工作单元6包括复合加工头，所述复合加工头上设有激光位移传感器7、扫描振镜8和同轴送粉熔覆头9。
复合加工头指的是图中的6、7、8、9，主要包括光学、电子、机械构件。
优选地，所述激光位移传感器7用于扫描待测对象，并将得到的信息传送至所述信息采集处理单元，所述信息处理单元对待测对象进行三维建模，其中，所述待测对象包括待修复裂纹和修复后的裂纹。
优选地，所述扫描振镜8包括二维扫描振镜和三维扫描振镜。
优选地，所述激光器单元5中的激光器包括脉冲激光器和连续激光器。
优选地，所述脉冲激光器的脉宽包括纳秒、皮秒和飞秒，波长包括1064nm，532nm和355nm。
优选地，所述连续激光器的功率大于1000W，更优选地，所述连续激光器选自半导体激光器、固体激光器(光纤激光器、碟片激光器等)和气体激光器(CO2)中的至少一种；
根据本发明的另一个方面提供一种激光裂纹修复方法，所述方法包括：
a)识别、定位裂纹部分，并通过脉冲激光对裂纹部分进行挖除与清洗；
b)使用连续激光对挖除后的待修复区域进行增材修复；
c)使用脉冲激光对修复后的区域进行减材处理，精整修复后的表面。
优选地，所述同轴送粉熔覆头选自光内送粉头或者光外送粉头。
本发明的激光裂纹修复方法能够精确地定位和识别待修复裂纹，随后进行挖除-修复-精整，能够完全恢复待修复器件产生裂纹之前时的形态。
优选地，进行所述步骤1)前，对裂纹进行第一次三维建模；
优选地，所述步骤1)完成后，对挖除后的待修复区进行第二次三维建模；
优选地，所述步骤2)完成后，对修复后的修复区进行第三次三维建模。
三维建模能够使得修复工作在更为精准的控制下进行，通过对不同对象进行建模，可以分别取得更好的识别定位效果，修复效果和精整效果。
优选地，所述三维建模的具体过程包括：
1)确定激光位移传感器与待建模区域表面的垂直距离；
2)激光位移传感器沿待建模区域的延展方向步进运动，并获得待建模区域的三维尺寸数据；
3)将所述三维尺寸数据传输至所述信息采集处理单元并形成待修复裂纹的三维形貌。
优选地，所述步骤a)中，使用短脉冲激光对裂纹部分进行挖除，并通过改变短脉冲激光参数对裂纹部分挖除后形成的凹槽进行激光清洗。
优选地，所述步骤b)中，使用连续激光器和同轴送粉熔覆头对待修复区域进行增材制造。
优选地，所述步骤c)中，使用脉冲激光器和扫描振镜对修复后的区域上的多余部分进行去除加工；优选地，修复后使用扫描振镜进行抛光处理。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的激光裂纹修复系统采用全激光对裂纹器件进行修复，从而避免传统修复方法中前处理采用机械挖除方式带来的对器件的损害，在提高修复效率和修复质量的同时，还能够延长器件的寿命。
2)本申请所提供的激光裂纹修复方法采用多次三维建模的方式做到对裂纹的精确识别和定位，并进而高效地对裂纹进行挖除和修补，通过激光增材和激光减材实现精整，保证了修复质量。
附图说明
图1为本发明的激光裂纹修复系统的示意图。
图2为本发明中使用激光位移传感器进行扫描和建模的示意图。
图3为本发明的裂纹修复流程图。
部件和附图标记列表：
1-中央控制单元 2-信息采集与处理单元 3-送粉单元
4-运动单元 5-激光器单元 6-工作单元
7-激光位移传感器 8-扫描振镜 9-同轴送粉熔覆头
10-待修复工件
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
图1为本发明的激光裂纹修复系统的示意图。
本发明的激光裂纹修复系统包括中央控制单元1、信息采集处理单元2、送粉单元3、运动单元4、激光器单元5和工作单元6，其中，所述信息采集处理单元2将待修复的裂纹信息收集、处理并传送至所述中央控制单元1，中央控制单元1依照所接收到的信息控制所述送粉单元3、运动单元4和激光器单元5并通过工作单元6执行对待修复裂纹的修复。
本发明的激光裂纹修复系统中，各单元的组件并非集中在实体上的同一部分。本发明的工作单元6上包括复合加工头，所述复合加工头上设有激光位移传感器7和高速扫描振镜8以及同轴送粉熔覆头9。
本发明的激光裂纹修复系统中，信息采集与处理单元2主要用来处理激光位移传感器采集到的Z向位移信息，生成裂纹、待修复区、修复区的三维图形，生成对应的路径信息，用于减材和增材的路径规划。送粉单元3主要为激光增材提供粉体材料，同时对修复过程的气氛、送粉量进行控制。运动单元4主要是指带动复合加工头的运动机构，本发明的一个优选实施方式中，运动单元4采用高精度的六轴工业机器人。中央控制系统1为整个裂纹修复系统的控制中枢，一方面接收信息采集与处理单元2的路径信息，另一方面把对应的控制信息发送给运动单元4、激光器单元5和送粉单元3，同时协同控制检测、增材、减材的工序切换。
在本发明的一个实施方式中，所述扫描振镜是二维扫描振镜；在本发明的另一个实施方式中，所述扫描振镜是三维扫描振镜。
本发明的激光裂纹修复系统中，激光器单元5包括不同种类的激光器，例如脉冲激光器和连续激光器，在不同的实施方式中，脉冲激光器的脉宽包括纳秒、皮秒和飞秒，波长包括1064nm、532nm和355nm，可以根据实际应用时的不同需求选用不同脉冲和波长的激光器。本发明的脉冲激光器的作用主要是激光减材，连续激光器主要用于激光增材。除了以上激光器外，激光器单元5还包括激光器的水冷系统，以及用于传导激光的光纤。
图3为本发明的裂纹修复流程图。
本发明的激光裂纹修复方法包括以下几个步骤：
a)识别、定位裂纹部分，并对裂纹部分进行挖除与清洗，即图3中的前处理；
b)通过激光增材修复挖除后的待修复区域，即图3中的增材修复；
c)对修复后的区域进行减材处理，精整修复后的表面，即图3中的后处理。
在本发明的一个实施方式中，前处理包括利用激光传感器对裂纹进行识别和定位，生成位置和形貌信息；而后利用短脉冲激光，通过扫描振镜对裂纹进行挖除，形成坡口。通过改变短脉冲激光参数，对凹槽进行激光清洗，去除氧化层和污渍，达到满足增材修复的要求。
在本发明的一个实施方式中，增材修复包括利用激光位移传感器对待修复区进行扫描和三维建模，分层并生成增材制造的路径，利用千瓦级连续激光器和同轴送粉熔覆头对修复区进行增材制造，完成裂纹的修复。
在本发明的另一个实施方式中，包括利用激光位移传感器对修复区进行扫描，对修复区多余部分三维建模，生成去除加工的路径，进而利用脉冲激光器和扫描振镜对修复区多余部分进行去除加工，使修复区与基体齐平；而后调整短脉冲激光参数，利用扫描振镜对修复区进行一遍精整(抛光)处理，满足工件服役要求。
其中，本发明中的三维建模方法如图2所示：
1)确定激光位移传感器与待建模区域表面的垂直距离(H)；
2)激光位移传感器沿待建模区域的延展方向(x)做步进运动，步长为d(d可以根据实际情况调整)，并获得待建模区域的三维尺寸数据，即裂痕在Y轴上的偏移和Z轴上的深度；
3)将所述三维尺寸数据传输至所述信息采集处理单元并形成待修复裂纹的三维形貌。
实施例1
采用本发明的激光裂纹修复系统和方法修复带有裂纹的器件。系统中所选用的具体装置如表1所示：
表1
实验例1
采用实施例1中的5个系统分别对裂纹器件进行激光修复，作为对照，采用机械去除与激光增材结合的方式同样对裂纹器件进行修复，对修复过程中以及修复后的一些方面进行观察和测定，结果如以下表2所示。
表2
| 全激光增减材 | 机械减材+激光增材 | |
| 表面光洁度 | Ra<50nm | Ra>1um |
| 机械应力 | 无 | 有 |
| 处理效率 | >500cm<sup>3</sup>/h | <200cm<sup>3</sup>/h |
| 系统智能化程度 | 高 | 一般 |
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种激光裂纹修复系统，其特征在于，所述激光裂纹修复系统包括第一激光单元和第二激光单元；其中，
所述第一激光单元包括脉冲激光器，所述第一激光单元对裂纹进行减材处理；
所述第二激光单元包括连续激光器，所述第二激光单元对裂纹进行增材修复；
所述第一激光单元和第二激光单元交替工作。
2.根据权利要求1所述的激光裂纹修复系统，其特征在于，所述激光裂纹修复系统包括送粉单元；
所述送粉单元与所述第二激光单元连接并同轴送粉。
3.根据权利要求2所述的激光裂纹修复系统，其特征在于，所述激光裂纹修复系统包括中央控制单元、信息采集处理单元、送粉单元、运动单元、激光器单元和工作单元，其中，所述信息采集处理单元将待修复的裂纹信息收集、处理并传送至所述中央控制单元，所述中央控制单元依照所接收到的信息控制所述送粉单元、运动单元和激光器单元并通过工作单元执行对待修复裂纹的修复；
优选地，所述工作单元包括复合加工头，所述复合加工头上设有激光位移传感器、扫描振镜和同轴送粉熔覆头；
优选地，所述激光位移传感器用于扫描待测对象，并将得到的信息传送至所述信息采集处理单元，所述信息处理单元对待测对象进行三维建模，其中，所述待测对象包括待修复裂纹和修复后的裂纹；
优选地，所述扫描振镜包括二维扫描振镜和三维扫描振镜。
4.根据权利要求1所述的激光裂纹修复系统，其特征在于，所述脉冲激光器的脉宽包括纳秒、皮秒和飞秒，波长包括1064nm，532nm和355nm；
优选地，所述连续激光器的功率大于1000W，优选地，所述连续激光器选自半导体激光器、固体激光器和气体激光器中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的激光裂纹修复系统，其特征在于，所述同轴送粉熔覆头选自光内送粉头和/或光外送粉头。
6.一种激光裂纹修复方法，其特征在于，所述方法包括：
a)识别、定位裂纹部分，并通过脉冲激光对裂纹部分进行挖除与清洗；
b)使用连续激光对挖除后的待修复区域进行增材修复；
c)使用脉冲激光对修复后的区域进行减材处理，精整修复后的表面。
7.根据权利要求6所述的修复方法，其特征在于，进行所述步骤1)前，对裂纹进行第一次三维建模；
优选地，所述步骤1)完成后，对挖除后的待修复区进行第二次三维建模；
优选地，所述步骤2)完成后，对修复后的修复区进行第三次三维建模；
优选地，所述三维建模的具体过程包括：
1)确定激光位移传感器与待建模区域表面的垂直距离；
2)激光位移传感器沿待建模区域的延展方向步进运动，并获得待建模区域的三维尺寸数据；
3)将所述三维尺寸数据传输至所述信息采集处理单元并形成待修复裂纹的三维形貌。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，使用脉冲激光器对裂纹部分进行挖除，并通过改变脉冲激光的参数对裂纹部分挖除后形成的凹槽进行激光清洗；
优选地，所述步骤b)中，使用连续激光器和同轴送粉熔覆头对待修复区域进行增材制造。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，使用脉冲激光器和扫描振镜对修复后的区域上的多余部分进行去除加工；优选地，修复后使用脉冲激光器和扫描振镜进行抛光处理。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述的激光裂纹修复系统进行修复。
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