CN113102771B - 一种基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，包括S1.利用五轴机器人控制激光熔融喷头方向，使得增材修复增长方向可变，定义增材方向与垂直方向的夹角为增材倾斜角θ。S2.在不同增材倾斜角θ下，进行熔融沉积单道实验、多道实验和多道多层实验，初步找到最优化的激光、喷头、送粉等工艺参数。本发明利用电磁线圈产生的磁场让金属液滴克服重力而悬浮，通过机器控制激光快速成形喷头方向，使得增材制造沿任意方向进行，该技术用于航空航天和船舶领域。本发明克服了目前增材制造只能沿垂直方向进行和增材修复只能将零件拆解后再行修复的缺点，大大提升了增材修复的应用范围，特别是使得现场原位修复成为可能。

Description

一种基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法

技术领域

本发明涉及金属零件修复领域，尤其涉及一种零件原位激光增材修复方法，尤其适用于航空航天、船舶等领域在突发情况下的快速修复。

背景技术

航空航天与船舶领域零件长期服役在恶劣的工作环境中，零件受震动、摩擦磨损、高低温冲击、冷热疲劳等作用后易产生裂纹、腐蚀和磨损等损伤。由于生产成本和周期的要求，常常采用先进修复技术实现损伤零部件的高质高效修复，延长其使用寿命，减少更换零件，减少巨额经济损失。常规的修复方法是将零件拆卸下来，进行修复后再进行安装。然后在某些极端条件下，修复周期要求极短，来不及将零件拆卸后再行修复，因此迫切需要有一种原位修复的方法，以便在极端条件下迅速修复受损部位。

激光增材修复技术是利用激光热源输入在零件受损位置处进行增材制造，修复回正常设计的形状。由于激光光斑直径小，熔池微小，热影响区可以控制在很小的范围，因此修复后零件的残余应力和变形都很小，使其非常适合用于航空航天和船舶领域一些关键零件的三维修复。

原位修复过程中，由于零件无法拆卸，修复体的增长方向随着零件在设备或部件中的位置及受损部位而变化，因此对增材修复提出了新的要求，即增材修复方向可控，可以在任意方向进行增材修复。然后激光增材制造通常要求增材的方向与重力方向相反，避免重力作用下造成熔池不稳定导致成形失败，这限制了增材制造技术进行原位修复中的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，以使得增材制造可以进行原位修复，解决极端条件下迅速修复零件的难题。

本发明采用如下技术方案：

S1.利用五轴机器人控制激光熔融喷头方向，使得增材修复增长方向可变，定义增材方向与垂直方向的夹角为增材倾斜角θ。

S2.在不同增材倾斜角θ下，进行熔融沉积单道实验、多道实验和多道多层实验，初步找到较优化的激光、喷头、送粉等工艺参数。

S3.在修复基板下面增加电磁线圈，通入交变电流；调整线圈与增材部位的距离L,进行熔融沉积实验，优化电磁参数(电磁线圈参数和交变电流参数)，并进一步找到较合适的增材工艺参数。

S4.根据S2和S3，建立增材工艺参数和增材倾斜角θ之间的关系F(P,v,L,θ,K)＝0，其中P为激光功率，v为扫描速度；建立电磁参数与距离L之间的关系F(p,f,n,d,L,K)＝0，其中p为电磁线圈加载功率，f为电磁频率，n为线圈匝数，d为线圈线径。

S5.对待修复区域进行预处理，利用三维扫描技术快速生成预处理过的零件，通过数据处理重建待修复零件的模型。

S6.对比S5重建的模型与原始设计CAD，生成增材扫描路径及喷头较优方向。

S7.根据S6中确定的增材方向，选取S4中优化的增材修复工艺参数，并控制机器手带动激光熔融喷头按照S6中生成的扫描路径进行，对待修复金属零件进行修复。

S8.对修复部位打磨光洁。

作为本发明进一步改进，步骤S2中工艺参数包括激光功率、激光光斑直径、激光与粉末汇聚位置、送粉气压、激光扫描速率、激光扫描间距等。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，电磁线圈参数包括线圈直径、线圈匝数、线圈高度、交变电流参数包括电流大小、电流频率。

作为本发明的进一步改进，步骤S5中，预处理包括：清除受损部位，光洁表面，对于空间狭小位置，在不影响快速组装的前提下，预处理前会将受损零件连同其组件一同拆下，以便进行原位修复。

作为本发明的进一步改进，步骤S5中，通过三维反求方式重建待修复零件的模型。

作为本发明的进一步改进，步骤S6中，扫描路径的生成需要通过编程来实现，并转化为机器受可识别的G代码。

本发明的有益效果：

鉴于此，本发明利用交变电源与线圈组成的交变磁场可以让金属液在线圈上面悬浮。金属液在线圈上方，被电磁感应，产生涡流，涡流磁场的方向与线圈交变磁场方向相反，产生相互推斥力，因此金属液受到向上的排斥力，抵消重力而悬浮。因此将交变磁场引入到增材修复中，可以使增材修复在任意方向上进行，大大提高增材修复的适应性，因此可以在不拆卸零件的情况下进行原位修复。

附图说明

图1为本发明的涡轮修复实物图；

图2为本发明的涡轮修复步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明总体思路是：利用电磁线圈产生的磁场让金属液滴克服重力而悬浮，从而摆脱目前增材制造方向的限制，可以现场对重要零部件进行任意方向的增材修复。

如图2所示，本发明的基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，包括以下步骤：

(1)工艺参数的摸索

具体包括：根据不同的材料类型，制备用于增材制造的粉末，优化激光快速成形技术的工艺参数(激光功率P、激光扫描速率v、送粉速度V等)；在倾斜基板下方增加电磁线圈，通入交变电流，并进一步优化电激光快速成形工艺参数及电磁线圈参数。最终建立不同增材倾角与增材修复工艺参数之间的关系F(P,v,L,θ,K)＝0，以及电磁参数与距离L之间的关系F(p,f,n,d,L,K)＝0。

(2)施工方案的选择

具体包括：分析受损部位大小及位置，若激光喷头能够进入受损区域,且增材修复过程中激光喷头按修复轨变行走不影响其他零部件的性能，则进行现场原位修复若空间不够或周围若干零部件在增材修复过程中易受损，则在不影响快速装配的原则下，拆解零部件，并在现场进行修复；

(3)对待修复区域进行预处理，清除受损部位，光洁表面；利用三维扫描技术快速生成预处理后的零件，通过数据处理重建待修复零件的模型；

(4)增材方案的确定

具体包括：对比重建的模型与原始设计CAD，确定增材修复的区域。根据组件的干涉情况，选定最优的激光喷头方向和增材方向，通过编程软件生成增材扫描路径，并依据步骤(1)选取合适的增材修复工艺参数。

(5)控制机器手带动激光熔融喷头按照生成的扫描路径进行，对待修复金属零件进行修复，最后将修复部位打磨光洁。

实施例1

(1)分析受损部位材料，如图1所示，确定材料为不锈钢,选定316L材料为修复材料。

(2)分析受损部位结构及成形倾角θ＝15°,若激光喷头能够进入受损区域,且增材修复过程中激光喷头按修复轨变行走不影响其他零部件的性能，则进行现场原位修复；若空间不够或周围若干零部件在增材修复过程中易受损，则在不影响快速装配的原则下，拆解零部件，并在现场进行修复。

(3)制备316L粉末,在倾角θ＝15°的任意零件上优化激光快速成形技术的工艺参数(激光功率P、激光扫描速率v、送粉速度V等),根据工艺优化实验得到，如P＝360W,v＝8.5mm/s,V＝0.09g/s，该参数可用于拟合方程F(P,v,L,θ,K)＝0并用于后续修复过程；在成形基板下方增加电磁线圈，通入交变电流，并进一步优化电磁线圈工艺参数,根据工艺优化实验得到，如在成形倾角为15°时,线圈匝数选择为20圈,线径为2mm,交变电流功率为100W。

(4)对待修复区域进行预处理，清除受损部位，光洁表面；利用三维扫描技术快速生成预处理后的零件，通过数据处理重建待修复零件的模型；

(5)控制机器手带动激光熔融喷头按照生成的扫描路径进行，依据步骤(3)中参数对待修复金属零件进行修复，最后将修复部位打磨光洁。

实施例2

(1)分析受损部位材料，如图1所示，确定材料为钛合金,选定TC4材料为修复材料；

(2)分析受损部位结构及成形倾角θ＝30°,或激光喷头能够进入受损区域,且增材修复过程中激光喷头按修复轨变行走不影响其他零部件的性能，则进行现场原位修复；若空间不够或周围若干零部件在增材修复过程中易受损，则在不影响快速装配的原则下，拆解零部件，并在现场进行修复；

(3)制备TC4L粉末,在倾角θ＝30°的任意零件上优化激光快速成形技术的工艺参数(激光功率P、激光扫描速率v、送粉速度V等),根据工艺优化实验，如P＝445W,v＝13mm/s,V＝0.11g/s，该参数可用于拟合方程F(P,v,L,θ,K)＝0并用于后续修复过程；在成形基板下方增加电磁线圈，通入交变电流，并进一步优化电磁线圈工艺参数，根据工艺优化实验,如在成形倾角为30°时,线圈匝数选择为40圈,线径为2mm,交变电流功率为100W。

(4)对待修复区域进行预处理，清除受损部位，光洁表面；利用三维扫描技术快速生成预处理后的零件，通过数据处理重建待修复零件的模型；

(5)控制机器手带动激光熔融喷头按照生成的扫描路径进行，依据步骤(3)中参数对待修复金属零件进行修复，最后将修复部位打磨光洁。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.利用五轴机器人控制激光熔融喷头方向，使得增材修复增长方向可变，定义增材方向与垂直方向的夹角为增材倾斜角θ；

步骤2.在不同增材倾斜角θ下，进行熔融沉积单道实验、多道实验和多道多层实验，初步找到较优的增材工艺参数；

增材工艺参数包括激光功率、激光光斑直径、激光与粉末汇聚位置、送粉气压、激光扫描速率、激光扫描间距；

步骤3.在修复基板下面增加电磁线圈，通入交变电流；调整线圈与增材部位的距离L，进行熔融沉积实验，优化电磁线圈参数和交变电流参数，并进一步找到较合适的增材工艺参数；

电磁线圈参数包括线圈直径、线圈圈数、线圈高度，交变电流参数包括电流大小、电流频率；

步骤4.根据步骤2和步骤3，建立增材工艺参数和增材倾斜角θ之间的关系F(P,v,L,θ,K)＝0，其中P为激光功率，v为扫描速度；建立电磁参数与距离L之间的关系F(p,f,n,d,L,K)＝0，其中p为电磁线圈加载功率，f为电磁频率，n为线圈匝数，d为线圈线径；

步骤5.对待修复区域进行预处理，利用三维扫描方法快速生成预处理过的零件，通过数据处理重建待修复零件的模型；

分析受损部位大小及位置，若激光喷头能够进入受损区域,且增材修复过程中激光喷头按修复轨变行走不影响其他零部件的性能，则进行现场原位修复若空间不够或周围若干零部件在增材修复过程中易受损，则在不影响快速装配的原则下，拆解零部件，并在现场进行修复；

步骤6.对比步骤5重建的模型与原始设计CAD，生成增材扫描路径及喷头较优增材方向；

步骤7.根据步骤6中确定的增材方向，选取步骤4中优化的增材修复工艺参数，并控制机器手带动激光熔融喷头按照步骤6中生成的增材扫描路径行进，对待修复金属零件进行修复。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，其特征在于，步骤5中，预处理包括：清除受损部位，光洁表面；对于空间狭小位置，在不影响快速组装的前提下，预处理前会将受损零件连同组件一同拆下，以便进行原位修复。

3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮原理的原位激光增材修复方法，其特征在于，步骤5中，是通过三维反求方式重建待修复零件的模型。

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