CN113927169A - 一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法；包括计算机控制系统、可移动式激光增材修复系统、粉末混合送进系统。所述可移动式激光增材修复系统可以实现受损结构件的激光增材现场原位修复。本发明从激光增材修复技术出发，以激光为基础采用同轴送粉的方式进行工艺材料耦合，利用三维扫描重构仪获取具体损伤的形状和尺寸，能够实现修复用合金粉末的灵活选择与自由组合，满足不同受损结构件在复杂多样服役环境中的修复再制造需求。为战场环境下装备的现场原位修复提供了一种经济且便捷的途径，可以有效提高受损结构件的修复效率与质量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种现场原位修复的装置与方法，具体涉及一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法。
背景技术
装备在服役过程中，由于受环境和各种应力的作用，不可避免地会发生腐蚀、磨损及疲劳损伤等破坏行为，出现性能降低的问题，影响装备的服役能力和服役寿命。对于战争条件下装备已损结构件的处理一般是返厂修复、或更换结构件。但这种处理方法会浪费时间且材料往往不能达到预期的效果。为此，针对战争条件下受损结构件维修保障工作呈现紧迫性、复杂性、临时性和随机性等特点，亟待研究出一种适合战时环境中受损结构件的现场原位修复技术，实现日常地面修复与特殊在轨修复，以满足日常维护与紧急修复的需求。
传统的修复方法有电镀、热喷涂、钎焊、电弧补焊等，但在面对修复质量和修复精度要求高的情景时应用受限。激光加工制造技术作为一种具有高能量密度、无模具、快速、近净加工等特点的21世纪先进制造技术，不但可以用于三维实体金属零件的制造，而且也可以应用于零部件上具有较复杂形状、一定深度缺陷或损伤区域的快速修复，且易与基材成冶金结合，可达到极低的稀释率。与传统电弧、等离子弧、燃料气等能源相比，激光能源具有能量集中、热影响区小、精度高、适用材料广泛、工艺柔性高、操作场地不受限制等优点。与传统制造工艺相比，激光加工技术加工精度高，柔性化程度高，可高效实现数字化、智能化和并行化制造，同时节约材料、降低成本。
本发明从现场原位修复角度出发，以激光为基础，利用激光增材修复技术及成分可设计的合金粉末，实现受损结构件高质量、高精度、高效率的现场原位修复，延长装备典型零件的使用寿命，旨在改变现有装备关键结构件的战场维修方法。
发明内容
针对战场装备现有受损结构件修复存在的问题，本发明提供一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，为受损结构件的修复再制造提供了一种适用且便捷的途径，有效提高受损件的修复效率与修复质量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，包括计算机控制系统、可移动式激光增材修复系统、粉末混合送进系统，所述计算机控制系统连接并控制可移动式激光增材修复系统与粉末混合送进系统。
进一步，一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，包括以下步骤：
步骤一、采用砂纸对受损结构件的待修复区域进行打磨，并使用酒精或丙酮进行擦拭，以去除待修复区域表面的杂质以及氧化物；
步骤二、采用三维扫描重构仪对待修复区域进行扫描，重构受损区域三维模型，并将扫描重构数据传输至计算机控制系统，进而规划修复路径；
步骤三、根据待修复区域具体材料，设计确定修复用合金粉末具体成分，选定所需合金粉末并从各粉末储存室按量输送至混粉室混合均匀；
步骤四、通过操作机器人操控激光熔覆头对焦至初始修复位置，并通过纵轴运动使激光熔覆头移至待修复区域上方5-10cm；
步骤五、在激光熔覆头关闭情况下进行操作机器人行走程序试运行，以确保修复路径的准确可靠；
步骤六、激光熔覆头同轴输出激光束与修复用合金粉末，对受损结构件进行逐层修复，某些特殊情况可采取逐点修复，直至修复结束。
进一步，所述可移动式激光增材修复系统包括操作机器人、便携式激光发生器、激光熔覆头、光纤、三维扫描重构仪；所述计算机控制系统通过操控操作机器人实现激光熔覆头的多维自由运动，以适应不同受损部位具体的修复要求。所述便携式激光发生器用于产生激光增材修复所需激光束，所述光纤用于传递便携式激光发生器所产生的激光束，所述三维扫描仪用于扫描重构受损区域三维模型。
进一步，所述三维扫描重构仪连接于激光熔覆头侧壁，与所述激光熔覆头在一个平面内，且距离所述激光熔覆头侧壁距离及垂直高度均可通过滑轨调整。
进一步，所述粉末混合送进系统包括诸如TC4(Ti6Al4V)、WC、镍基高温合金粉末等多种常见修复用合金粉末储存室、混粉室、送粉喷嘴。
进一步，所述激光增材修复系统进行受损部位现场原位修复时，所述增材修复用合金粉末通过载粉气体输送至受损部位待修复表面。
进一步，所述送粉喷嘴送进的合金粉末与激光束同轴输出，且为光外送粉。
进一步，所述载粉气体为99.99％高纯氩气，用以在激光增材修复时输送合金粉末并保护修复区域不被氧化。
最后，待激光增材修复过程结束，关闭激光增材现场原位修复的装置、便携式激光发生器，停止合金粉末送进。
本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：
本发明与传统修复工艺相比，具有修复实时性好，修复响应速度快，修复效率高，材料适用性高，柔性化程度高等优点。本发明从激光增材修复技术出发，以激光为基础采用同轴送粉的方式进行工艺材料耦合，能够实现战场装备受损结构件不拆卸不移除情况下的原位修复。针对战争条件下航空技术维修保障工作呈现紧迫性、复杂性、临时性和随机性等特点，激光增材现场原位修复技术可以满足不同受损结构件在复杂多样服役环境中的修复再制造需求。本发明结构简单，可行性高，相对于现有技术具有突出的实质性进步。
附图说明
图1是本发明一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法示意图；
图1中编号表示：
1-计算机控制系统、2-修复用粉末A储存室、3-修复用粉末B储存室、4-修复用粉末C储存室、5-修复用粉末D储存室、6-混粉室、7-四路分粉器、8-激光熔覆头、9-受损结构件、10-待修复区域、11-三维扫描重构仪。
具体实施方法：
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步具体详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，包括包括计算机控制系统1、可移动式激光增材修复系统、粉末混合送进系统，所述计算机控制系统连接并控制可移动式激光增材修复系统与粉末混合送进系统。
具体地，所述可移动式激光增材修复系统包括操作机器人、便携式激光发生器、激光熔覆头8、光纤。所述计算机控制系统1通过操控操作机器人实现激光熔覆头8的多维自由运动，以适应不同受损部位具体的修复要求。所述便携式激光发生器用于产生激光增材修复所需激光束，所述光纤用于传递便携式激光发生器所产生的激光束。
具体地，所述粉末混合送进系统包括诸如TC4(Ti6Al4V)、WC、镍基高温合金粉末等多种常见修复用合金粉末储存室2、3、4、5、混粉室6、送粉喷嘴。
具体地，包括以下步骤：
步骤一、采用砂纸对受损结构件9的待修复区域10进行打磨，并使用酒精或丙酮进行擦拭，以去除待修复区域10表面的杂质以及氧化物；
步骤二、采用三维扫描重构仪对待修复区域进行扫描，重构受损区域三维模型，并将扫描重构数据传输至计算机控制系统，进而规划修复路径；
步骤三、根据待修复区域10具体材料，设计确定修复用合金粉末具体成分，选定所需合金粉末并从各粉末储存室2、3、4、5按量输送至混粉室6混合均匀；
步骤四、通过操作机器人操控激光熔覆头8对焦至初始修复位置，并通过纵轴运动使激光熔覆头8移至待修复区域上方5-10cm；
步骤五、在激光熔覆头8关闭情况下进行操作机器人行走程序试运行，以确保修复路径的准确可靠；
步骤六、激光熔覆头8同轴输出激光束与修复用合金粉末，对受损结构件9进行逐层修复，某些特殊情况可采取逐点修复，直至修复结束。
具体地，所述可移动式激光增材修复系统包括操作机器人、便携式激光发生器、激光熔覆头、光纤、三维扫描重构仪；所述计算机控制系统通过操控操作机器人实现激光熔覆头的多维自由运动，以适应不同受损部位具体的修复要求，所述便携式激光发生器用于产生激光增材修复所需激光束，所述光纤用于传递便携式激光发生器所产生的激光束，所述三维扫描仪用于扫描重构受损区域三维模型。
具体地，所述三维扫描重构仪连接于激光熔覆头侧壁，与所述激光熔覆头在一个平面内，且距离所述激光熔覆头侧壁距离及垂直高度均可通过滑轨调整。
具体地，所述粉末混合送进系统包括诸如TC4(Ti6Al4V)、WC、镍基高温合金粉末等多种常见修复用合金粉末储存室、混粉室、送粉喷嘴。
具体地，所述激光增材修复系统进行受损部位现场原位修复时，所述增材修复用合金粉末通过载粉气体输送至受损部位待修复表面。
具体地，所述送粉喷嘴送进的合金粉末与激光束同轴输出，且为光外送粉。
具体地，所述载粉气体为99.99％高纯氩气，用以在激光增材修复时输送合金粉末并保护修复区域不被氧化。
激光增材现场原位修复的装置与方法，可通过如下步骤实现：
具体地，受损结构件9为钛合金平板结构，尺寸为200mm×100mm×6mm。便携式激光发生器选用使用功率为5KW的光纤激光器。
本次实例是通过一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法对待修复区域10进行同轴送粉式激光增材现场原位修复。具体实施工艺如下：
可选地，激光增材现场原位修复前采用80目砂纸对待修复区域10进行打磨，去掉毛刺。并使用丙酮试剂对待修复区域10进行擦拭，除去表面油污等杂质以提高增材修复质量。
具体地，控制操作机器人操控三维扫描重构仪11移动至钛合金平板待修复区域10上方。对待修复区域10进行扫描获得精确的三维点云，并将数据传输至计算机控制系统1，由计算机曲面重构、拼接修剪得到修复目标的三维模型。根据具体损伤的形状和尺寸，设计合适的增材方式进行修复。
具体地，控制操作机器人操控激光熔覆头8移动至钛合金平板待修复区域10上方5cm处。由激光熔覆头8发射激光束，操作机器人操控激光熔覆头8按既定路线移动，实现钛合金平板的激光增材现场原位修复，对某些特殊情况采用逐点修复，修复完成后操控激光熔覆头8回到非工作区域。
具体地，修复用粉末选用(WC+TC4钛合金)混合粉末，粉末配比为6∶4，经混粉室6混合均匀后由四路分粉器7输送至激光熔覆头8，粉末流与激光束同轴耦合输出。
具体地，激光发生器的输出功率设置为1.8KW，送粉速度为20g/min，激光熔覆头8的移动速度设置为12mm/s，载粉气体为99.99％的高纯氩气。采用逐点修复时，激光停留时间设置为1.5s。
可选地，激光增材现场原位修复结束后，使用1000目的砂纸将修复后区域表面打磨至光亮平滑，并使用丙酮擦拭修复后区域表面，以去除氧化膜及油污等杂质。
修复过程结束后，关闭激光增材现场原位修复装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于激光增材现场原位修复的装置，其特征在于，包括计算机控制系统、可移动式激光增材修复系统和粉末混合送进系统；所述计算机控制系统连接并控制可移动式激光增材修复系统与粉末混合送进系统；所述可移动式激光增材修复系统包括操作机器人、便携式激光发生器、激光熔覆头、用于传导激光束的光纤和三维扫描重构仪，激光熔覆头安装在操作机器人上，实现多维自由运动，三维扫描重构仪连接于激光熔覆头侧壁，与所述激光熔覆头在一个平面内；所述粉末混合送进系统包括若干个粉末储存室、混粉室和送粉喷嘴。
2.一种基于激光增材现场原位修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对待修复区域进行打磨，使用酒精或丙酮进行擦拭，去除表面的杂质及氧化物；用三维扫描重构仪对待修复区域进行扫描，重构受损区域三维模型，并将扫描重构数据传输至计算机控制系统，进而规划修复路径；
步骤二、根据修复具体材料，设计确定修复用合金粉末成分配比，并从各粉末储存室按量输送至混粉室混合均匀；
步骤三、机器人操控激光熔覆头对焦至初始修复位置，在激光熔覆头关闭情况下试运行修复路径；
步骤四、激光熔覆头同轴输出激光束与修复用合金粉末，对受损结构件进行逐层修复，某些特殊情况可采取逐点修复，直至修复结束。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，其特征在于，所述三维扫描重构仪到所述激光熔覆头侧壁的距离及垂直高度均可通过滑轨调节。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光增材现场原位修复的装置与方法，其特征在于，所述送粉喷嘴送进的合金粉末与激光束为同轴输出，且为光外送粉，所述修复用合金粉末通过载粉气体输送至受损部位待修复表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220114 |