CN112743105A - 活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于外场增材修复技术领域，涉及一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法，包括伞帽、伞面以及真空带状吸盘；伞帽、伞面以及真空带状吸盘自上而下依次连接并形成钟罩式密封结构；伞面上设置有进气管路以及排气管路；真空带状吸盘吸附在待修复零件表面上；伞帽顶端开设有激光修复机械手臂贯穿孔。本发明提供了一种优化外场修复气氛保护环境、可根据修复区域面积自由调整以及可有效确保修复质量的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法。

Description

活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法
技术领域
本发明属于外场增材修复技术领域，涉及一种增材修复的气氛保护装置及修复方法，尤其涉及一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法。
背景技术
在对现代航空航天大型装备零部件进行修复时，某些结构庞大的受损零部件拆卸、运输过程较为复杂，极大程度加剧了维修复杂程度。因此，简化修复流程，建立外场条件下的修复环境，对减少受损零部件的修复周期具有重大指导意义。
激光立体成形技术是一种以高能激光束为热源熔化金属粉末后快速成形并凝固的先进制造技术。该技术特有的无模具、近净成形特性，可以成功实现大型金属零部件的外场修复。
在外场增材修复过程中，某些活泼金属(如钛合金、铝合金等)在大气环境中较易被氧化，修复此类合金材料时必须在惰性气氛保护下进行。而现有气氛保护方式一般在金属密封保护舱中进行。对于外场环境下的小区域修复，使用真空密闭舱进行保护时，一则由于零件尺寸过大不容易放进密闭舱内，二则修复区域面积较小，将零件整体放进密闭舱中需要消耗大量保护气体，造成资源及成本的浪费。受限于零部件尺寸及外场环境，成形舱亦存在封箱时间久、不易携带等缺点，这将极大程度降低外场修复效率。此外，若不采用密闭气氛保护舱而直接在外场环境中修复活泼金属材料，将导致修复材料及修复区域发生严重氧化而引起修复区域材料性能不达标的后果，进而影响零部件的正常使用，严重时甚至将导致零部件的整体报废。
目前针对上述问题最多的解决方式为：不使用大型密闭舱，直接采用胶带纸将塑料袋等透明、透光塑料袋粘附在修复基体及机械臂上，用送气管路将塑料袋穿孔而后充入保护气体。采用该方式虽然可以缓解密闭成形舱带来的设备进出难、封箱时间久等缺点，但在实际操作过程中，由于视野受限，在塑料袋内进行修复时红光对点困难、难以实现修复过程中的全程监控，将导致修复质量难以保证。此外，塑料袋材质难以保障，胶带粘附的紧贴程度有限，并且由于保护罩相对于激光处于运动状态，对机床的动态封闭有较高要求，简单的胶带纸粘附难以保证修复区气氛保护纯度。且当停止通入保护气体后，塑料袋易发生塌陷，若修复区未完全冷却，粘附到修复区时会导致该区域被污染，塑料袋的易燃性质存在较大程度的安全隐患。再者，当修复过程中结束时，由于缺少自洁系统，一般做法是将保护罩直接报废，造成资源浪费。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种优化外场修复气氛保护环境、可根据修复区域面积自由调整以及可有效确保修复质量的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置包括伞帽、伞面以及真空带状吸盘；所述伞帽、伞面以及真空带状吸盘自上而下依次连接并形成钟罩式密封结构；所述伞面上设置有进气管路以及排气管路；所述真空带状吸盘吸附在待修复零件表面上；所述伞帽顶端开设有激光修复机械手臂贯穿孔。
上述伞面包括多片伞骨支撑片；多片伞骨支撑片依次拼接形成筒状结构；所述伞面的顶部与伞帽的底部相接；所述伞面底部周向设置有真空带状吸盘。
上述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞面底部和真空带状吸盘之间的橡胶连接段。
上述伞骨支撑片选用透明不透气且耐高温的柔性高分子材料制成；所述伞骨支撑片的材料选用PVC或PA。
上述进气管路以及排气管路自下而上依次设置在伞骨支撑片上。
上述真空带状吸盘上设置有真空吸盘打气孔，所述真空吸盘打气孔是一个或多个，所述真空吸盘打气孔均布在真空带状吸盘上。
上述真空吸盘打气孔上设置有过渡区域橡胶活塞以及与真空带状吸盘内部相贯通的外部开关旋钮。
上述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在激光修复机械手臂贯穿孔内壁的橡胶保护层。
上述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞帽内部的氧气监测系统。
一种基于如前所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置进行活泼金属外场增材修复的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)对待修复零件表面进行打磨抛光预处理，去除表面氧化皮及杂质；
2)判断待修复零件表面是否需要气氛保护，若是，则直接进行步骤3)；若否，则退出本修复过程；
3)与增材修复机械臂同步移动，将真空带状吸盘移动至待修复零件表面上方；
4)确认真空带状吸盘与待修复零件表面的位置后，通过真空带状吸盘上的真空吸盘打气孔对真空带状吸盘抽真空，将与真空带状吸盘相连的伞面固定在待修复零件表面周边，确保伞面与待修复零件表面紧密贴合；
5)通过进气管路向由伞帽、伞面以及真空带状吸盘所形成钟罩式密封结构内充入保护气体，同时开启排气管路以及置于伞帽内的氧气监测系统，控制进气管路的气体流量l进气及排气管路的气体流量l排气，始终保持l进气＞l排气；通过氧气监测系统监测钟罩式密封结构内的氧气含量，若氧气含量低于设定的阈值时，进行步骤6)；若氧气含量高于设定的阈值时，继续充入保护气体直至钟罩式密封结构内的氧气含量低于设定的阈值后进行步骤6)；所述保护气体优选是氩气；
6)依据待修复零件表面的尺寸及材料，选择相应的金属粉末及工艺参数进行激光修复。
本发明的优点是：
本发明提供了一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置及修复方法，该保护装置包括伞帽、伞面以及真空带状吸盘；伞帽、伞面以及真空带状吸盘自上而下依次连接并形成钟罩式密封结构；伞面上设置有进气管路以及排气管路；真空带状吸盘吸附在待修复零件表面上；伞帽顶端开设有激光修复机械手臂贯穿孔。本发明与大型部件的气密舱相比，可以在较大程度上优化外场修复气氛保护环境，可以代替传统金属密闭舱形式，当伞面打开时，伞骨支撑部分可快速铺展立体空间，伞面底部的真空吸盘可在一定范围内自由选择吸附区域。本发明的柔性气氛保护伞所采用的真空吸盘，可以实现气氛保护伞与待修复工件的无缝连接，确保修复伞内气氛纯度，伞面材料的柔软、透明、透光特性有利于及时观测修复过程；保护伞保护面积可根据真空吸盘与修复工件相对位置自由调整；且真空吸盘固定范围可以根据修复区域面积自由调整。以上柔性特征可以实现大尺寸零件外场修复时大范围气氛保护情况，不必整体将待修复零件放入密闭保护舱中，即可避免活泼金属合金不被氧化。相对于保护舱体积，保护伞较小的气氛保护可以在一定程度上节约保护气体用量，节约成本，本发明有效解决目前外场修复条件的气氛保护难的问题。
附图说明
图1是本发明所提供的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置的结构示意图；
图2是本发明所采用的柔性气氛保护伞的整体结构示意图；
图3是图2的俯视结构示意图；
图4是本发明所采用的柔性气氛保护伞在吸附至待加工零件上的结构示意图；
图5是本发明所采用的真空吸盘的结构示意图；
其中：
1-待修复零件表面；2-真空吸盘打气孔；3-真空带状吸盘；4-进气管路；5-伞骨支撑片；6-排气管路；7-伞帽；8-激光修复机械手臂；9-氧气监测系统；10-修复机械臂；11-橡胶保护层；12-伞面；13-外部开关旋钮；14-过渡区域橡胶活塞；15-橡胶连接段。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，该活泼金属外场增材修复的气氛保护装置包括伞帽7、伞面12以及真空带状吸盘3；伞帽7、伞面12以及真空带状吸盘3自上而下依次连接并形成钟罩式密封结构；伞面12上设置有进气管路4以及排气管路6；真空带状吸盘3吸附在待修复零件表面1上；伞帽7顶端开设有激光修复机械手臂贯穿孔。本发明所提供的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置位于激光修复机械手臂8轴端。
参见图1、图2以及图3，伞面12包括多片伞骨支撑片5；多片伞骨支撑片5依次拼接形成筒状结构；伞面12的顶部与伞帽7的底部相接；伞面12底部周向设置有真空带状吸盘3。活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞面12底部和真空带状吸盘3之间的橡胶连接段15。伞骨支撑片5选用透明不透气且耐高温的柔性高分子材料制成，例如PVC或PA，伞面材料透明透光、可以反复折叠不损坏，无折痕。排气管路6以及进气管路4自上而下依次设置在伞骨支撑片5上。真空带状吸盘3上设置有真空吸盘打气孔2，真空吸盘打气孔2是一个或多个，真空吸盘打气孔2均布在真空带状吸盘3上，例如为了保证真空吸附效果，每隔20厘米配置一个真空吸盘打气孔2。伞帽7的一端直接与激光修复机械手臂8连接，另一端与伞面12连接。伞面12呈扇面分布，当激光修复机械手臂8在行程范围内移动时，伞面12可以跟随激光修复机械手臂8进行相应移动而不影响整体气氛保护。伞骨支撑片5以耐高温PVC材料为伞骨，用于支撑整个伞面保持形状，可以做到即使保护气体断开亦能保证保护伞不会因漏气而产生的塌陷。进气管路4以及排气管路6与外部保护气路、空气气路保持为螺纹连接。充入的气体优选是氩气，由于ρ氩气＞ρ空气，因此为保证空气排出量，将进气管路4设置于排气管路6下方。真空带状吸盘3位于伞面12与待修复零件表面1之间，该部位长度约为10～20厘米。真空带状吸盘3在单面外圈整体配置真空吸附盘，使其形成环形气密通道，依靠外部手动抽取真空后可以紧紧吸附在工件上。真空带状吸盘3材质为橡胶材质，可以实现负压状态下的自由吸附。
参见图4以及图5，本发明所采用的真空吸盘打气孔2上设置有过渡区域橡胶活塞14以及与真空带状吸盘3内部相贯通的外部开关旋钮13。抽真空过程中，将外部开关旋钮13打开，用抽真空泵将泵嘴与过渡区域橡胶活塞14连接便可将气体抽取出来。与此同时，真空带状吸盘3内部由于气体被吸出，整体处于负压状态，在负压条件影响下真空带状吸盘3便可实现与零件紧密结合。真空带状吸盘3与伞体保持为胶制连接，如图4中橡胶连接段15所示，真空吸盘的橡胶连接段15一端与伞状组织紧密连接，可以保证伞状结构与真空吸盘间的气密性。
参见图1以及图2，活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在激光修复机械手臂贯穿孔内壁的橡胶保护层11。活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞帽7内部的氧气监测系统9。
一种基于如前的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置进行活泼金属外场增材修复的方法，该方法包括以下步骤：
1)对待修复零件表面1进行打磨抛光预处理，去除表面氧化皮及杂质；
2)判断待修复零件表面1是否需要气氛保护，若是，则直接进行步骤3)；若否，则退出本修复过程；当待修复区域无需气氛保护时，该保护伞可以收起而无需打开，而当待修复区域材料为钛合金等易氧化材料时，可以手动开启保护伞开关，进而开启气氛保护伞。
3)与增材修复机械臂同步移动，将真空带状吸盘3移动至待修复零件表面1上方；
4)确认真空带状吸盘3与待修复零件表面1的位置后，通过真空带状吸盘3上的真空吸盘打气孔2对真空带状吸盘3抽真空，将与真空带状吸盘3相连的伞面12固定在待修复零件表面1周边，确保伞面12与待修复零件表面1紧密贴合；
5)通过进气管路4向由伞帽7、伞面12以及真空带状吸盘3所形成钟罩式密封结构内充入保护气体，同时开启排气管路6以及置于伞帽7内的氧气监测系统9。控制进气管路4的气体流量l进气及排气管路6的气体流量l排气，始终保持l进气＞l排气；通过氧气监测系统9监测钟罩式密封结构内的氧气含量，若氧气含量低于设定的阈值时，进行步骤6)；若氧气含量高于设定的阈值时，继续充入保护气体直至钟罩式密封结构内的氧气含量低于设定的阈值后进行步骤6)；保护气体优选是氩气，由于ρ氩气＞ρ空气，因此当从进气管路4处充入氩气时，保护伞底部充满氩气并依次向上填充，伞内空气由排气管路6处被挤出。在充气过程中，观察氧气监测系统9显示数值，当伞内氧含量低于规定数值时，即可进行修复准备。
6)依据待修复零件表面1的尺寸及材料，选择相应的金属粉末及工艺参数进行激光修复。
7)待修复过程结束，冷却恰当时间待修复区温度下降至适宜温度，反向操作步骤2)～步骤5)，修复过程结束。收起气氛保护伞，等待下次使用。

Claims (10)

1.一种活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置包括伞帽(7)、伞面(12)以及真空带状吸盘(3)；所述伞帽(7)、伞面(12)以及真空带状吸盘(3)自上而下依次连接并形成钟罩式密封结构；所述伞面(12)上设置有进气管路(4)以及排气管路(6)；所述真空带状吸盘(3)吸附在待修复零件表面(1)上；所述伞帽(7)顶端开设有激光修复机械手臂贯穿孔。
2.根据权利要求1所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述伞面(12)包括多片伞骨支撑片(5)；多片伞骨支撑片(5)依次拼接形成筒状结构；所述伞面(12)的顶部与伞帽(7)的底部相接；所述伞面(12)底部周向设置有真空带状吸盘(3)。
3.根据权利要求2所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞面(12)底部和真空带状吸盘(3)之间的橡胶连接段(15)。
4.根据权利要求3所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述伞骨支撑片(5)选用透明不透气且耐高温的柔性高分子材料制成；所述伞骨支撑片(5)的材料选用PVC或PA。
5.根据权利要求4所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述排气管路(6)以及进气管路(4)自上而下依次设置在伞骨支撑片(5)上。
6.根据权利要求5所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述真空带状吸盘(3)上设置有真空吸盘打气孔(2)，所述真空吸盘打气孔(2)是一个或多个，所述真空吸盘打气孔(2)均布在真空带状吸盘(3)上。
7.根据权利要求6所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述真空吸盘打气孔(2)上设置有过渡区域橡胶活塞(14)以及与真空带状吸盘(3)内部相贯通的外部开关旋钮(13)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在激光修复机械手臂贯穿孔内壁的橡胶保护层(11)。
9.根据权利要求8所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置，其特征在于：所述活泼金属外场增材修复的气氛保护装置还包括设置在伞帽(7)内部的氧气监测系统(9)。
10.一种基于如权利要求9所述的活泼金属外场增材修复的气氛保护装置进行活泼金属外场增材修复的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)对待修复零件表面(1)进行打磨抛光预处理，去除表面氧化皮及杂质；
2)判断待修复零件表面(1)是否需要气氛保护，若是，则直接进行步骤3)；若否，则退出本修复过程；
3)与增材修复机械臂同步移动，将真空带状吸盘(3)移动至待修复零件表面(1)上方；
4)确认真空带状吸盘(3)与待修复零件表面(1)的位置后，通过真空带状吸盘(3)上的真空吸盘打气孔(2)对真空带状吸盘(3)抽真空，将与真空带状吸盘(3)相连的伞面(12)固定在待修复零件表面(1)周边，确保伞面(12)与待修复零件表面(1)紧密贴合；
5)通过进气管路(4)向由伞帽(7)、伞面(12)以及真空带状吸盘(3)所形成钟罩式密封结构内充入保护气体，同时开启排气管路(6)以及置于伞帽(7)内的氧气监测系统(9)，控制进气管路(4)的气体流量l进气及排气管路(6)的气体流量l排气，始终保持l进气＞l排气；通过氧气监测系统(9)监测钟罩式密封结构内的氧气含量，若氧气含量低于设定的阈值时，进行步骤6)；若氧气含量高于设定的阈值时，继续充入保护气体直至钟罩式密封结构内的氧气含量低于设定的阈值后进行步骤6)；所述保护气体优选是氩气；
6)依据待修复零件表面(1)的尺寸及材料，选择相应的金属粉末及工艺参数进行激光修复。
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