CN111058040A

CN111058040A - 一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法

Info

Publication number: CN111058040A
Application number: CN202010045528.6A
Authority: CN
Inventors: 占小红; 冯宇; 王磊磊; 高奇玉; 齐超琪
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-04-24

Abstract

本发明涉及一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法。针对Invar合金模具生产制造及使用过程中出现的不合格或失效的产品，结合逆向工程与激光熔覆技术对不合格或失效Invar合金模具曲面进行修复，不仅降低了生产制造成本，而且延长了模具的使用寿命。所述修复设备包括3D激光扫描仪、带同轴送粉喷嘴的机器人、激光器、激光水冷机、可调式送粉器、监控器、控制系统等。所述修复方法包括：(1)3D扫描获取待修复区域模型；(2)熔覆方案设计；(3)进行熔覆实验进行修复；(4)检查修复件尺寸等。

Description

一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法

技术领域

本发明属于激光熔覆修复领域，特别涉及一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法。

背景技术

Invar合金具有与复合材料相近的热膨胀系数，因此被广泛用作飞机复合材料结构件的模具材料。在复合材料制作过程中，Invar合金模具经受高温高压热循环与腐蚀作用，不可避免地发生失效，如裂纹，磨损等。因而亟待一种有效的修复手段以达到延长模具使用寿命的目的，同时还能对Invar合金模具生产过程中的不合格件进行修复，以节约成本。

目前广泛应用焊接、热喷涂、喷焊等方式对失效零部件进行修复，但对于一些大型且形状不规则的曲面结构件的修复尚存在自动化程度低、可达性低、效率低等问题，因而亟待一种对形状复杂的结构件进行修复的有效途径。

激光熔覆技术具有能量密度高、成型速度快、可达性高等特性，修复层成形可以通过控制激光参数来进行精准的控制，得到的熔覆层组织均匀、结构致密，可以用于复杂形状的修复，逆向工程技术可以节省大量修复材料，修复后可以再次通过三维数字测量检查修复后尺寸是否满足条件，减少人为因素的影响，提高修复效率。

发明内容

本发明针对Invar合金模具在制造和使用过程中出现的不合格或失效问题，提出了一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，通过逆向工程与激光熔覆技术相结合对模具进行修复，在修复前增加了3D激光扫描环节，利用机器人进行熔覆过程，熔覆结束后再次利用3D激光扫描仪对修复后的零部件进行扫描以检查尺寸是否满足条件。具有模具基体与激光修复区结合强度高、修复区和模具缺损部位形状及性能匹配好等优点，可以延长模具的使用寿命，降低生产制造成本。

本发明的技术方法是：一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，修复设备包括3D激光扫描仪、带同轴送粉喷嘴的机器人、激光器、激光水冷机、送粉器、监控器、控制系统等。修复过程包括如下步骤：

(1)利用3D激光扫描仪对待修复模具进行扫描，测量物体表面的三维坐标获取点云信息，对采集的点云数据进行优化处理，获得模具点云云图。将获得的点云数据导入逆向工程软件，将点云数据拟合出实体特征并生成产品的数字化模型。将获得的数字化模型通过三维模型处理软件与原始模具模型的三维实体进行布尔差运算，求解出待修复区域CAD模型。

(2)在修复方案设计模块中，将CAD模型转换为STL文件，并对STL文件进行分层切片处理，通过计算插补点法向矢量，获取激光枪头运行轨迹，对失效部位熔覆路径进行规划。并利用有限元模拟软件，对熔覆过程进行模拟和参数优化，以减小熔覆修复过程的残余应力和变形，获得最优的熔覆修复方案。

(3)根据之前规划的熔覆方案设置工艺参数，利用机器人进行激光熔覆对失效部位进行修复。对于形状不规则，尺寸范围为：高为30mm-50mm，长为120mm-150mm，宽为120mm-150mm的大型不规则Invar合金模具曲面，熔覆过程中须保持熔覆头始终沿曲面法线方向，以确保激光束和熔覆粉末束均能垂直于曲面进行熔覆，获得较好的熔覆效果。依据之前熔覆实验得到最优参数范围为：激光功率为2000W-6000W，光斑直径为2mm-8mm，熔覆速度为0.15-0.45m/min，熔覆过程中采用流量为15L/min的纯氩气作为保护气/输送气进行保护使熔覆层不被氧化，同时对试样进行冷却。

(4)熔覆过程结束后，再次利用3D激光扫描仪对修复后的模具进行扫描，生成数字化模型后与原始模具模型进行对比，以检查修复后尺寸是否满足条件。

进一步地，3D激光扫描仪组成器件由电脑、软件、控制器、彩色相机等部分构成。扫描得到物体的三维坐标，根据三维坐标构建出目标物体的三维点云信息。

进一步地，为了保证修复准确度，机器人与3D激光扫描仪坐标系设置为同一个原点，且每次实验前对其进行调零。

进一步地，为了防止熔覆过程中与原始规划熔覆路径出现差异，实验过程中设置监控系统，通过监控器对熔覆过程进行实时监测，将熔覆数据传输到电脑，与原始设计方案进行对比，同时设置急停措施，以确保熔覆过程顺利进行。

进一步地，熔覆过程结束后，再次利用3D激光扫描仪对修复后的模具进行扫描，生成数字化模型后与原始模具模型进行对比，以检查修复后尺寸是否满足条件。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明装备图；

图3为Invar合金模具不规则曲面细节图。

其中：

1-3D激光扫描仪；2-工作台；3-Invar合金不规则曲面；4-送粉器；5-激光熔覆头；6-机器人；7-氩气瓶；8-激光器；9-激光水冷机；10-监控器；11-电脑；12-模具损伤。

本发明具有如下优势：

本发明结合了逆向工程与激光熔覆修复方法的优点对失效或不合格Invar合金曲面进行修复，提高生产效率，解决了模具的经常更换导致的复合材料结构件生产效率的降低，延长模具寿命，降低生产制造成本为企业创造巨大的经济效益，而且也提高了Invar合金模具的质量。

采用逆向工程技术节省了大量修复材料，降低了成本，修复后可以再次通过三维数字测量检查修复后尺寸是否满足条件，减少了人为因素的影响，提高了修复效率，整个过程易于控制。采用激光熔覆修复技术，提高了模具质量，解决了其他修复方法修复自动化程度不高，模具形状限制等问题，对模具修复区域母材热影响小、模具基体与激光修复区结合强度高、修复区和模具缺损部位形状及性能匹配好、整个修复过程可以由计算机控制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

针对尺寸为高40mm，长为120mm，宽120mm的不规则Invar合金模具曲面3。先对其进行清理：用打磨设备精细加工试样，去除表面的油污、锈迹等杂质，使用丙酮清洗工件，彻底清除表面的油污，然后用酒精擦拭工件，待酒精蒸发。使用的熔覆粉末为Invar合金球形粉末，将Invar合金棒材球磨所得，其颗粒粒度在50μm-150μm之间。

将3D激光扫描仪1与待修复区域模型生成模块中的软件测量系统(Polyworks)相连接并调试，利用3D扫描仪测量物体表面的三维坐标获取点云信息，将物体外形特征数字化，对离散点云进行降噪、光顺等优化处理，输出点云数据，扫描的点云数据直接在软件(Polyworks)界面以图像显示，获得失效模具数字化模型。通过三维模型处理软件把原始曲面模型和待修复的失效模具的模型进行布尔差运算，比较获取缺损量模型的数据模型，在逆向工程软件中对此数据模型进行优化处理，获得NUBERS模型，将其以step或igs格式导出，最后在三维设计软件中进行缝合实体化，获取待修复CAD模型。

在修复方案设计模块中将CAD模型转换为STL格式文件，对STL文件进行等层厚分层切片处理，进行熔覆加工插补点法向矢量的计算，并按加工点法向矢量方向偏置一定距离得到激光枪头运行轨迹，以保证熔覆过程中熔覆头始终保持沿曲面法线方向，确保光束和粉末束均能垂直曲面进行熔覆，获得较好的熔覆效果。利用有限元模拟软件，对熔覆过程进行模拟和参数优化，以减小熔覆过程中的残余应力和变形，获得最优的熔覆方案。

利用机器人6进行激光熔覆对失效部位进行修复。首先将机器人与3D激光扫描仪的坐标原点设为同一点。在进行Invar合金激光熔覆实验之前需要充入氩气作为保护气，进行气体循环，箱体内部压力保持在2.5mBar。设备中智能化送粉器4、激光器8与机器人6相连，保护气体7与送粉器4、熔覆头5相连，激光水冷机9与激光器8相连，送粉头根据预定轨迹输送合金粉末与激光器输出的激光同轴耦合输出。通过激光作用使熔覆材料和模具表面同时熔化后快速凝固，熔覆材料与模具实现很好的冶金结合，完成修复过程。熔覆过程的具体参数为：激光功率为3000W，光斑直径为3mm，熔覆速度为0.3m/min，且熔覆过程中采用流量为15L/min的纯氩气作为保护气/输送气进行保护使熔覆层不被氧化，同时对试样进行冷却。实验过程中设置监控系统，通过监控器10对熔覆过程进行监测，将检测结果传输到电脑11，与原始设计熔覆方案进行对比，同时设置急停措施，以保证熔覆过程顺利进行。熔覆过程结束后，再次利用3D激光扫描仪对修复后的模具进行扫描，生成数字化模型后与原始模具模型进行对比，以检查修复后尺寸是否满足条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改变，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，其特征在于所述修复设备包括3D激光扫描仪、监控器、控制系统、带同轴送粉喷嘴的机器人、激光器、激光水冷机、可调式送粉器等。控制系统分别与3D激光扫描仪、激光器和监控器相连；

控制系统包括一台工业控制计算机，该计算机包括待修复区域模型生成模块、修复方案设计模块和监控模块；

所述待修复区域模型生成模块主要是指逆向工程软件系统，该系统中存储着该模具的原始模型。利用该系统生成待修复模具的数字化模型，并与原始模具模型进行对比分析，获得待修复区域模型。

所述修复方案设计模块是指对待修复区域熔覆路径进行规划，对于形状不规则的曲面，熔覆过程中保持熔覆头始终沿曲面法线方向，以确保激光束和熔覆粉末束均能垂直于曲面进行熔覆，并对熔覆过程进行模拟和参数优化，以减小熔覆过程产生的残余应力和变形，获得较好的熔覆效果。

所述监控模块包括监控系统和急停系统，监控系统能根据监控器实时传输的熔覆数据与原始修复方案进行对比，一旦熔覆过程与原始方案出现偏差，立即启动急停系统，确保熔覆过程顺利进行。

所述带同轴送粉喷嘴的机器人的送粉头根据预定轨迹输送合金粉末与激光器输出的激光同轴耦合输出，提高熔覆效率。

2.如权利要求书1所述的Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，其特征在于：修复过程包括以下步骤：

(1)利用3D激光扫描仪扫描待修复模具获取其点云数据，在待修复区域模型生成模块中生成数字化模型，将数字化模型与原始模具模型进行偏差对比分析，得到待修复区域模型。

(2)利用修复方案设计模块规划熔覆路径并进行参数优化。

(3)根据之前规划的熔覆方案设置工艺参数，利用机器人对不合格或失效部位进行激光熔覆修复。在熔覆过程中，为了保证修复准确度，机器人与3D激光扫描仪坐标系设置为同一个原点，同时每次实验前对其进行调零。

3.如权利要求书1所述的Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，其特征在于：3D激光扫描仪组成器件由电脑、软件、控制电路板、接收器、时间计数器、彩色相机等部分构成。由激光发射器发射激光，通过激光测距提取物体的三维坐标，根据三维坐标构建出目标物体的三维点云信息。

4.如权利要求书1所述的Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，其特征在于：将待修复模具数字化模型通过三维模型处理软件与原始模具模型的三维实体进行布尔差运算，求解出待修复区域实体CAD模型，将CAD模型转换为STL文件，对STL文件进行切片分层处理，计算插补点法向矢量，获取激光枪头运行轨迹，对失效部位熔覆路径进行规划。