CN112404883B - 一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，所述方法包括以下：步骤110：获取焊接材料的类型以及相应的焊接需求，根据所述焊接材料的类型以及焊接需求确定填充粉末以及保护气体；步骤120：进行预备试验，所述预备试验包括，初步设置第一激光以及第二激光的工艺参数，利用视觉追踪系统以及温度传感系统确定最佳的液态微锻的区域，并优化第一激光以及第二激光的工艺参数对所述工艺参数进行更新；步骤130：根据所述预备试验所优化的相关参数，完成一种实时精准液态微型锻造增材再制造。

Description

一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置
技术领域
本发明涉及激光增材再制造技术领域，具体涉及一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置。
背景技术
海上风电是可再生清洁能源，具有风资源大、风能密度高、风湍流小、发电量大、环境影响小、靠近工业中心输送距离短、电网消纳能力强等一系列优点，随着平台服役年限的增长，出现的问题也日益增多，其桩腿齿条磨损问题尤为突出。齿轮齿条的修复与再制造是一个困扰装备技术维修工作人员的难点，采用普通激光熔覆修复的齿轮齿条因为各种缺陷往往使用寿命较短。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置。
提出了一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，所述方法包括以下：
步骤110：获取目标再制造零件的当前三维模型，将所述当前三维模型与目标再制造零件的标准三维CAD模型进行坐标对齐，结合允许误差，计算出目标再制造零件与标准零件的缺损尺寸，并据此确定激光增材再制造的路径及增材量；
步骤120：根据所述激光增材再制造的路径及增材量确定喷粉式激光熔覆器的各项参数以及熔覆头的运动轨迹；
步骤130：进行目标再制造零件的熔覆操作，获取多光学传感器所采集到的熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息，并获取CCD摄像机拍摄的熔池的实时图像；
步骤140：将所述实时图像导入熔池数据库，进行数据比对，分析熔覆过程中熔池的变化情况，结合所述变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数；
步骤150：根据确定的所述液态微锻激光的各项参数，控制所述液态微锻激光直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌，最终完成再制造操作。
进一步，所述方法还包括：所述熔池数据库通过将每一次对目标再制造零件进行再制造操作后的熔池的监测结果以及最终熔覆质量结果导入计算机，并通过大数据算法进行修正得到，并在每一次再制造操作后进行更新完善，所述熔池数据库中的熔池的监测结果与最终熔覆质量结果一一对应。
进一步，所述多光学传感器包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
进一步，所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
本发明还提出一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置，包括，
三维轮廓仪，用于获取目标再制造零件的当前三维模型；
数据采集系统，用于采集所述三维轮廓仪获取的目标再制造零件的当前三维模型；
喷粉式激光熔覆器，用于对目标再制造零件进行熔覆，连接有激光熔覆控制系统并由所述激光熔覆控制系统控制运行；
微锻激光器，用于产生液态微锻激光，所述液态微锻激光用于直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌；
熔覆机器人，用于控制所述喷粉式激光熔覆器移动；
微锻机器人，用于控制所述微锻激光器移动；
微锻激光控制系统，连接所述微锻激光器以及微锻机器人，并对所述微锻激光器以及微锻机器人进行控制；
激光熔覆控制系统，连接所述喷粉式激光熔覆器以及熔覆机器人，并对所述喷粉式激光熔覆器以及熔覆机器人进行控制；
多光学传感器，用于采集熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息；
CCD摄像机，用于拍摄熔池的实时图像；
工作平台，用于为所述制造过程提供场地；
缺陷检测系统，用于获取所述多光学传感器以及CCD摄像头采集的相关数据，结合变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数。
进一步，所述多光学传感器包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
进一步，所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
相较于现有技术，本发明提供的所述一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法具有以下有益效果：
本发明提出一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，通过喷粉式激光熔覆器对目标再制造零件进行作用形成熔池，微锻激光器进行液态微锻，在熔覆过程中，微锻激光搅拌熔池加快气体的聚集与溢出，对熔池内部进行微型冲击，改善熔覆层的组织结构；另外借助三维轮廓仪将再制造零件的测量模型与CAD模型对齐，计算出实际零件与标准零件的缺损尺寸，进而确定激光增材再制造的路径及增材量，能够对熔覆过程精准控制；将再制造零件的测量模型与CAD模型对齐，计算出实际零件与标准零件的缺损尺寸，进而确定激光增材再制造的路径及增材量，能够对熔覆过程精准控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法的流程原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。
参照图2，实施例1，是本发明提出的一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，所述方法包括以下：
步骤110：获取目标再制造零件5的当前三维模型，将所述当前三维模型与目标再制造零件5的标准三维CAD模型进行坐标对齐，结合允许误差，计算出目标再制造零件5与标准零件的缺损尺寸，并据此确定激光增材再制造的路径及增材量；
步骤120：根据所述激光增材再制造的路径及增材量确定喷粉式激光熔覆器10的各项参数以及熔覆头的运动轨迹；
步骤130：进行目标再制造零件5的熔覆操作，获取多光学传感器11所采集到的熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息，并获取CCD摄像机12拍摄的熔池的实时图像；
步骤140：将所述实时图像导入熔池数据库，进行数据比对，分析熔覆过程中熔池的变化情况，结合所述变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数；
步骤150：根据确定的所述液态微锻激光的各项参数，控制所述液态微锻激光直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌，最终完成再制造操作。
在实施例1中，通过喷粉式激光熔覆器10对目标再制造零件5进行作用形成熔池，微锻激光器13进行液态微锻，在熔覆过程中，微锻激光搅拌熔池加快气体的聚集与溢出，对熔池内部进行微型冲击，改善熔覆层的组织结构；另外借助三维轮廓仪1将再制造零件的测量模型与CAD模型对齐，计算出实际零件与标准零件的缺损尺寸，进而确定激光增材再制造的路径及增材量，能够对熔覆过程精准控制；将再制造零件的测量模型与CAD模型对齐，计算出实际零件与标准零件的缺损尺寸，进而确定激光增材再制造的路径及增材量，能够对熔覆过程精准控制。
作为本发明的优选实施方式，所述方法还包括：所述熔池数据库通过将每一次对目标再制造零件5进行再制造操作后的熔池的监测结果以及最终熔覆质量结果导入计算机，并通过大数据算法进行修正得到，并在每一次再制造操作后进行更新完善，所述熔池数据库中的熔池的监测结果与最终熔覆质量结果一一对应。
通过以上方式能够不断的优化熔池数据库，使液态微锻的相关参数不断优化。
作为本发明的优选实施方式，所述多光学传感器11包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
作为本发明的优选实施方式，所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
通过采用激光微锻的方式，使液态微锻需要的的激光能量大幅降低，仅为豪焦级即可满足需求。
参照图1，实施例2，本发明还提出一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置，包括，
三维轮廓仪1，用于获取目标再制造零件5的当前三维模型；
数据采集系统2，用于采集所述三维轮廓仪1获取的目标再制造零件5的当前三维模型；
喷粉式激光熔覆器10，用于对目标再制造零件5进行熔覆，连接有激光熔覆控制系统3并由所述激光熔覆控制系统3控制运行；
微锻激光器13，用于产生液态微锻激光，所述液态微锻激光用于直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌；
熔覆机器人9，用于控制所述喷粉式激光熔覆器10移动；
微锻机器人8，用于控制所述微锻激光器13移动；
微锻激光控制系统6，连接所述微锻激光器13以及微锻机器人8，并对所述微锻激光器13以及微锻机器人8进行控制；
激光熔覆控制系统3，连接所述喷粉式激光熔覆器10以及熔覆机器人9，并对所述喷粉式激光熔覆器10以及熔覆机器人9进行控制；
多光学传感器11，用于采集熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息；
CCD摄像机12，用于拍摄熔池的实时图像；
工作平台4，用于为所述制造过程提供场地；
缺陷检测系统7，用于获取所述多光学传感器11以及CCD摄像头采集的相关数据，结合变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数。
以上装置在应用了上述方法之后能够具备以下优势：
（1）借助三维轮廓仪1将再制造零件的测量模型与CAD模型对齐，计算出实际零件与标准零件的缺损尺寸，进而确定激光增材再制造的路径及增材量，能够对熔覆过程精准控制。
（2）借助多光学传感器11和CCD相机采集熔池实时状态，通过大数据挖掘方式确定液态微锻激光的实时参数，实现对熔覆过程中各处熔池的精准微型锻造。
（3）熔覆机器人9和微锻机器人8能够根据再制造零件的空间位置以及熔覆过程中零件形状大小的改变做相应的移动或转动，保证激光能量作用的最佳距离，提高再制造效果。
（4）在熔覆过程中，微锻激光搅拌熔池加快气体的聚集与溢出，对熔池内部进行微型冲击，改善熔覆层的组织结构。
作为本发明的优选实施方式，所述多光学传感器11包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
作为本发明的优选实施方式，所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
另外从本质上对冲击锻打以及液态微锻造进行说明如下：
液态微锻是在金属熔融状态下进行一种冲击搅拌作用的方式改善焊接缺陷，冲击锻打是对金属最佳塑性成型态进行冲击锻打，对固态的焊缝进行工艺强化，
从晶粒来说，冲击锻打主要起到对成型的粗大的晶粒进行冲击锻打，起一个细化晶粒的作用，增加晶界，使得硬度啊、金属强度啊在一定程度上提高；而液态微锻是引导晶粒的生长方向，由柱状晶向着等轴晶生长，且熔池区各成分不均匀兴减小。
可以说是锻打改变晶粒状态；液态微锻引导晶粒生长，向着细化晶粒且等轴方向变化。
从焊接缺陷来说，针对裂纹缺陷，
冲击锻打将颗粒状的杂志裂纹改善成条状或线状，减小内应力，但裂纹依旧存在，
液态微锻是在液态状态下进行改善焊接缺陷，冲击搅拌振动的帮助下消除裂纹缺陷；
针对气孔来说，冲击锻打锻合气孔，冲击搅拌是减少并抑制气孔的产生，且液态微锻也具有对气孔的压合作用；
针对裂纹气孔等缺陷，冲击锻打只是改善其缺陷，而液态微锻是抑制这些缺陷的存在，且液态微锻也有改善缺陷的作用。
在进行液态微锻时，应当注意如下技术点，
1.监测系统的准确性，不同材料不同工况下的融敷标准波动曲线需要多次实验，大数据统计计算得出；
2.波动信号不同异常情况对应的锻打激光不同参数选择；
激光是在金属处于熔融态时作用，具体作用的部位和能量大小根据监测熔池的实时状态来确定；
3.通过监测熔池反馈的光辐射和，热辐射值的波动确定缺陷。
以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，其特征在于，所述方法包括以下：
步骤110：获取目标再制造零件的当前三维模型，将所述当前三维模型与目标再制造零件的标准三维CAD模型进行坐标对齐，结合允许误差，计算出目标再制造零件与标准零件的缺损尺寸，并据此确定激光增材再制造的路径及增材量；
步骤120：根据所述激光增材再制造的路径及增材量确定喷粉式激光熔覆器的各项参数以及熔覆头的运动轨迹；
步骤130：进行目标再制造零件的熔覆操作，获取多光学传感器所采集到的熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息，并获取CCD摄像机拍摄的熔池的实时图像；
步骤140：将所述实时图像导入熔池数据库，进行数据比对，分析熔覆过程中熔池的变化情况，结合所述变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数；
步骤150：根据确定的所述液态微锻激光的各项参数，控制所述液态微锻激光直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌，最终完成再制造操作；
所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
2.根据权利要求1所述的一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，其特征在于，所述方法还包括：所述熔池数据库通过将每一次对目标再制造零件进行再制造操作后的熔池的监测结果以及最终熔覆质量结果导入计算机，并通过大数据算法进行修正得到，并在每一次再制造操作后进行更新完善，所述熔池数据库中的熔池的监测结果与最终熔覆质量结果一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法，其特征在于，所述多光学传感器包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
4.一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置，其特征在于，包括，
三维轮廓仪，用于获取目标再制造零件的当前三维模型；
数据采集系统，用于采集所述三维轮廓仪获取的目标再制造零件的当前三维模型；
喷粉式激光熔覆器，用于对目标再制造零件进行熔覆，连接有激光熔覆控制系统并由所述激光熔覆控制系统控制运行；
微锻激光器，用于产生液态微锻激光，所述液态微锻激光用于直接对熔池进行精确的冲击、震动以及搅拌；
熔覆机器人，用于控制所述喷粉式激光熔覆器移动；
微锻机器人，用于控制所述微锻激光器移动；
微锻激光控制系统，连接所述微锻激光器以及微锻机器人，并对所述微锻激光器以及微锻机器人进行控制；
激光熔覆控制系统，连接所述喷粉式激光熔覆器以及熔覆机器人，并对所述喷粉式激光熔覆器以及熔覆机器人进行控制；
多光学传感器，用于采集熔覆过程中产生的金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息；
CCD摄像机，用于拍摄熔池的实时图像；
工作平台，用于为所述制造过程提供场地；
缺陷检测系统，用于获取所述多光学传感器以及CCD摄像头采集的相关数据，结合变化情况、金属蒸汽、激光反射及熔池热辐射的相关信息评估激光熔覆过程中熔池的实时状态，根据熔池的实时状态对比熔池数据库，确定液态微锻激光的各项参数。
5.根据权利要求4所述的一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置，其特征在于，所述多光学传感器包括可见光传感器、反射光传感器和红外光传感器。
6.根据权利要求4所述的一种实时精准液态微型锻造增材再制造装置，其特征在于，所述液态微锻激光为脉冲激光，其相关参数为，锻造激光能力E在0-1mJ之间，光斑直径为3±1mm，激光脉冲宽度为2-500ns，脉冲重复频率1-2000kHz。
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