CN114807927A - 一种用于部件修复的激光熔覆设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于部件修复的激光熔覆设备，所述设备包括六轴机器人系统、焊缝引导系统、同轴送粉式激光熔覆系统、PLC总控制系统，所述同轴送粉式激光熔覆系统安装在焊缝引导系统上，所述六轴机器人系统包括六轴机器人本体、机器人控制柜，所述六轴机器人本体的前端通过连接板固定安装有焊缝引导系统；所述焊缝引导系统包括前端陶瓷引导体、六维力传感器、Y向运动补偿装置、Z向运动补偿装置、焊缝引导系统控制器。本发明一方面能避免常规激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片裂缝过程中，熔覆轨迹很难与裂缝保持一致，熔覆道脱离裂缝；另一方面，有效解决工程人员需要大量编程机器人示教点来拟合熔覆修复路径的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于部件修复的激光熔覆设备及方法，属于激光熔覆技术领域。
背景技术
燃气轮机是船舶、飞机、火力发电机等大型机械的关键、昂贵构件，对其维护和保养能保证安全的机械运作，节约经济成本。但是，燃气轮机叶轮叶片一般在高温、高压、高腐蚀性的环境运行，极易产生裂纹、缺口等缺陷，导致燃汽轮机工作失效，降低使用寿命。传统的熔焊、钎焊修复热输入大，而较薄的叶片容易变形，限制了叶片的修复次数；钎焊修复的表面性能很低，不能满足高性能高温合金的修复需求。
激光熔覆修复技术能利用高能量激光束使粉末与基体快速熔化、凝固形成良好的冶金结合，对基体热影响区小、熔覆层厚度可控、性能高等优点，已在燃气轮机叶轮叶片修复中得到广泛的应用。目前，常规的激光熔覆装备修复燃气轮机叶轮叶片工艺，需要对叶片的裂纹、缺口提前打磨，通过工业机器人对不同形状和尺寸的裂缝缺口熔覆路径进行独立编程，尺寸较大的裂缝路径程序需要大量的轨迹编程点来拟合裂缝走向，导致编程人员工作量巨大。同时，由于熔覆路径的规划影响熔覆层的形成，形状不规则、深浅不同的长裂缝极易导致熔覆过程轨迹偏离裂缝，影响熔覆道的精确性。
申请号为CN202022697075.3的中国实用新型专利公开了一种焊接装置，提供了一种高精度焊缝指定路径焊接机器人工艺系统，通过电动转盘设置于行走小车上的竖向电动推杆，竖向电动推杆顶部连接有水平套筒，水平套筒内周向旋转配合插入有水平转动柱，水平转动柱伸出水平套筒的短端连接有第一伺服电机，水平转动柱伸出水平套筒的长端依次连接有水平电动推杆、U型架、转轴以及隔板，隔板的一侧设置有焊缝追踪器，实现提高车架焊接效率与精度。
发明内容
本发明提供了一种用于部件修复的激光熔覆设备，并提供了一种采用上述设备来修复部件的方法，上述设备可用于追踪待修复部件的焊缝，特别是用于修复损坏的燃气轮机叶轮叶片，能够解决激光熔覆修复叶片过程中路径程序编程点难以拟合裂缝形状、熔覆轨迹容易偏离裂缝走向的问题，实现激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片过程的精确度引导、高效率熔覆、智能化操作。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于部件修复的激光熔覆设备，所述设备包括六轴机器人系统、焊缝引导系统、同轴送粉式激光熔覆系统、PLC总控制系统，所述同轴送粉式激光熔覆系统安装在焊缝引导系统上，所述六轴机器人系统包括六轴机器人本体、机器人控制柜，所述六轴机器人本体的前端通过连接板固定安装有焊缝引导系统。
所述焊缝引导系统包括前端陶瓷引导体、六维力传感器、Y向运动补偿装置、Z向运动补偿装置、焊缝引导系统控制器，X向为所述六轴机器人系统推进方向，X向、Y向与Z向相互垂直，所述同轴送粉式激光熔覆装置与所述Z向运动补偿装置固定连接。
所述Y向运动补偿装置内固定安装有Y向运动补偿直线电机模块，所述Z向运动补偿装置内固定安装有Z向运动补偿直线电机模块，所述Y向运动补偿直线电机模块的Y向运动部和Z向运动补偿直线电机模块的Z向运动部固定连接，所述Y向运动部带动焊缝引导系统沿Y向运动，所述Z向运动部带动引导系统Z向运动。
所述六维力传感器固定安装在所述Z向运动补偿装置下方，所述六维力传感器包括内环、外环、弹性梁，所述弹性梁位于所述内环和所述外环之间，所述前端陶瓷引导体通过其后端与所述内环过盈配合安装在所述六维力传感器上。
所述机器人控制柜控制所述六轴机器人本体的六维运动轨迹，所述焊缝引导系统控制器根据六维力传感器所采集的焊缝实时受力数据计算出Y向和Z向的运动补偿值，通过Y向运动补偿装置和Z向运动补偿装置实时进行Y向和Z向的运动量补偿。
进一步，所述同轴送粉式激光熔覆系统包括激光器、送粉头、激光头、激光源控制器、同轴送粉装置控制器；所述激光器控制器和所述同轴送粉装置控制器控制激光功率和送粉量；PLC总控制系统与所述机器人控制柜、所述激光器控制器、所述同轴送粉装置控制器、所述焊缝引导系统控制器连接，对激光熔覆过程协同控制。
进一步，所述连接板包括相对设置的焊缝引导系统安装面和机器人本体安装面，在所述连接板上设置第一螺柱通孔、定位槽、第二螺柱通孔，所述第一螺柱通孔用于将所述连接板固定连接至所述六轴机器人本体，所述定位槽位于所述焊缝引导系统安装面上，用于定位与焊缝引导系统；所述第二螺柱通孔用于将所述连接板与焊缝引导装置固定连接。
进一步，所述激光头还包括接触式跟踪控制镜组，通过Y向和Z向的运动补偿值跟踪控制镜组自动对焦等。
进一步，所述前端陶瓷引导体的材质为耐高温氧化铝陶瓷，在1500℃环境中稳定工作，表面粗糙度≤0.2μm。
一种激光熔覆修复部件的方法，具体步骤包括：
对待修复部件表面进行清理，将红色渗透剂对叶片损伤位置进行湿式显像渗透探伤，确定裂纹的具体位置和尺寸，然后沿着裂纹的走向将待修复位置打磨成截面为V型的裂缝；
机器人控制柜分析裂缝的轨迹，并编写裂缝路径程序，拟合裂缝走向，编写裂缝路径程序过程中，使前端陶瓷引导体顶部与V型的裂缝一侧保持接触；
同轴送粉装置控制器、激光器控制器、机器人控制柜协同作业来设置粉末送给量、激光功率参数、扫描速度参数；
控制六轴机器人本体按照预定的程序路径进行运动，六维力传感器前端的陶瓷引导体与裂缝一侧接触，并采集接触力的数据，焊缝引导系统控制器控制前端陶瓷引导体与裂缝一侧的保持支撑力在一定范围内调整；焊缝引导系统控制器计算实际接触力与设定的保持支撑力的差值，通过差值数据处理计算出Y向和Z向的运动补偿值，保证熔覆轨迹始终在裂缝中。
进一步，Y向运动补偿装置通过直线电机模块高速控制Y向的运动补偿，Z向运动补偿装置(34)通过直线电机模块高速控制Z向的运动补偿量。
进一步，所述保持支撑力在0-25N范围内调整。
进一步，所述补偿值精度在0.1mm。
有益效果：
本装置的焊缝引导系统，能通过六维力传感器得到前端陶瓷引导体与裂缝一侧接触力，数据分析后，实时精确调整熔覆过程Y向、Z向的运动补偿，克服激光熔覆修复路径容易偏离裂缝走向的问题。同时，对机器人路径程序编程只需要拟合裂缝走向，解决了需要大量编程路径示教点来完全拟合裂缝轨迹的问题。
本发明充分利用激光熔覆成形的特点，结合本装置中的六轴机器人系统、同轴送粉式激光熔覆系统、焊缝引导系统、PLC总控制系统，实现了激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片过程的精确度引导、高效率熔覆、智能化操作，具有节约昂贵粉末材料、缩短修复时间和提高修复精度的优势。
附图说明
图1为用于部件修复的激光熔覆设备的结构示意图；
图2为焊缝引导系统在熔覆过程Y向运动补偿的状态示意图；
图3为焊缝引导系统在熔覆过程Z向运动补偿的状态示意图；
图4为连接板的结构示意图；
图5为Y向运动补偿装置和Z向运动补偿装置连接结构示意图；
图6为前端陶瓷引导体与六维力传感器配合结构示意图；
图7为采用部件修复的激光熔覆设备修复燃气轮机叶轮叶片的流程图。
图中1.六轴机器人本体；2.送粉头及激光头；3.焊缝引导系统；31.前端陶瓷引导体；32.六维力传感器；321.内环；322.外环；323.弹性梁；33.Y向运动补偿装置；331.Y向运动补偿直线电机模块；332.Y向运动补偿直线电机运动部；34.Z向运动补偿装置；341.Z向运动补偿直线电机模块；342.Z向运动补偿直线电机运动部；35.定位部；4.连接板；41.第一螺柱通孔；42.定位槽；43.第二螺柱通孔；44.第一凹槽；45.第二凹槽；5.同轴送粉装置控制器；6.激光源控制器；7.焊缝引导系统控制器；8.六轴机器人控制柜；9.PLC总控制系统；10：激光源；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。如图1所示，一种用于部件修复的激光熔覆设备，其特征在于，所述设备包括六轴机器人系统、焊缝引导系统3、同轴送粉式激光熔覆系统、PLC总控制系统9，所述同轴送粉式激光熔覆系统安装在焊缝引导系统3上，所述六轴机器人系统包括六轴机器人本体1、机器人控制柜8，所述六轴机器人本体1的前端通过连接板4固定安装有焊缝引导系统3。
所述同轴送粉式激光熔覆系统包括激光器10、送粉头、激光头2、激光源控制器6、同轴送粉装置控制器5；所述激光器控制器11和所述同轴送粉装置控制器5控制激光功率和送粉量；PLC总控制系统9与所述机器人控制柜8、所述激光器控制器6、所述同轴送粉装置控制器5、所述焊缝引导系统控制器7连接，对激光熔覆过程协同控制。
所述激光头2还包括接触式跟踪控制镜组，通过Y向和Z向的运动补偿值跟踪控制镜组自动对焦。
如图1和图2所示，所述焊缝引导系统3包括前端陶瓷引导体31、六维力传感器32、Y向运动补偿装置33、Z向运动补偿装置34、焊缝引导系统控制器7，X向为所述六轴机器人系统推进方向，X向、Y向与Z向相互垂直，所述同轴送粉式激光熔覆装置与所述Z向运动补偿装置34固定连接。
如图4所示，所述连接板4包括相对设置的焊缝引导系统安装面A和机器人本体安装面B，在所述连接板4上设置第一螺柱通孔41、定位槽42、第二螺柱通孔43、第一凹槽44、第二凹槽45，所述第一螺柱通孔41贯穿焊缝引导系统安装面A和机器人本体安装面B，用于将所述连接板4固定连接至所述六轴机器人本体1；所述定位槽42和所述第一凹槽44位于所述焊缝引导系统安装面上，所述定位槽42与焊缝引导装置壳体上的定位部35配合安装，用于定位焊缝引导系统；所述第二螺柱通孔43贯穿所述第一凹槽44和所述第二凹槽45的底面，所述第二螺柱通孔43用于将所述连接板4与焊缝引导装置固定连接。
如图5所示，所述Y向运动补偿装置33内固定安装有Y向运动补偿直线电机模块331，所述Z向运动补偿装置34内固定安装有Z向运动补偿直线电机模块341，所述Y向运动补偿直线电机模块的Y向运动部332和Z向运动补偿直线电机模块的Z向运动部342固定连接，所述Y向运动部332带动焊缝引导系统3沿Y向运动，所述Z向运动部342带动引导系统3Z向运动。
如图6所示，所述六维力传感器32固定安装在所述Z向运动补偿装置34下方，所述六维力传感器32包括内环321、外环322、弹性梁323，所述弹性梁323位于所述内环321和所述外环322之间，所述前端陶瓷引导体31通过其后端与所述内环过盈配合安装在所述六维力传感器32上。所述前端陶瓷引导体31的材质为耐高温氧化铝陶瓷，在1500℃环境中稳定工作，表面粗糙度≤0.2μm。
如图2和图3所示，所述机器人控制柜8控制所述六轴机器人本体1的六维运动轨迹，所述焊缝引导系统控制器7根据六维力传感器32所采集的焊缝实时受力数据计算出Y向和Z向的运动补偿值，通过Y向运动补偿装置33和Z向运动补偿装置34实时进行Y向和Z向的运动量补偿。
如图7所示，该用于激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片焊缝追踪方法包括以下步骤：
步骤S101，轨迹引导控制程序通过PLC总控系统协同机器人系统、焊缝引导系统、同轴送粉式激光熔覆系统。
步骤S102，自适应对Y向、Z向运动量补偿，熔覆轨迹始终限定在裂缝中，实现熔覆过程的精确化引导、自动化操作。
具体的，上述装置对激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片的具体过程如下：
对待修复部件表面进行清理，将红色渗透剂对叶片损伤位置进行湿式显像渗透探伤，确定裂纹的具体位置和尺寸，然后沿着裂纹的走向将待修复位置打磨成截面为V型的裂缝；
机器人控制柜6分析裂缝的轨迹，并编写裂缝路径程序，拟合裂缝走向，编写裂缝路径程序过程中，使前端陶瓷引导体31顶部与V型的裂缝一侧保持接触；
同轴送粉装置控制器5、激光器控制器6、机器人控制柜6协同作业来设置粉末送给量、激光功率参数、扫描速度参数；
控制六轴机器人本体1按照预定的程序路径进行运动，六维力传感器32前端的陶瓷引导体31与裂缝一侧接触，并采集接触力的数据，焊缝引导系统控制器7控制前端陶瓷引导体31与裂缝一侧的保持支撑力在0-25N范围内调整；焊缝引导系统控制器7计算实际接触力与设定的保持支撑力的差值，通过差值数据处理计算出Y向和Z向的运动补偿值，所述补偿值精度在0.1mm，保证熔覆轨迹始终在裂缝中。
Y向运动补偿装置33通过直线电机模块高速控制Y向的运动补偿，Z向运动补偿装置34通过直线电机模块高速控制Z向的运动补偿量。
根据本发明实施例的用于激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片焊缝追踪装置，充分利用激光熔覆成形的特点，结合本装置中的六轴机器人系统、同轴送粉式激光熔覆系统、焊缝引导系统、PLC总控制系统，实现了激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片过程的精确度引导、高效率熔覆、智能化操作，具有节约昂贵粉末材料、缩短修复时间和提高修复精度的优势。
根据本发明实施例的用于激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片焊缝追踪方法，通过上述的用于激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片焊缝追踪装置，可以充分利用激光熔覆成形的特点，结合本装置中的六轴机器人系统、同轴送粉式激光熔覆系统、焊缝引导系统、PLC总控制系统，实现了激光熔覆修复燃气轮机叶轮叶片过程的精确度引导、高效率熔覆、智能化操作，具有节约昂贵粉末材料、缩短修复时间和提高修复精度的优势。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种用于部件修复的激光熔覆设备，其特征在于，所述设备包括六轴机器人系统、焊缝引导系统(3)、同轴送粉式激光熔覆系统、PLC总控制系统(9)，所述同轴送粉式激光熔覆系统安装在焊缝引导系统(3)上，所述六轴机器人系统包括六轴机器人本体(1)、机器人控制柜(8)，所述六轴机器人本体(1)的前端通过连接板(4)固定安装有焊缝引导系统(3)。
所述焊缝引导系统(3)包括前端陶瓷引导体(31)、六维力传感器(32)、Y向运动补偿装置(33)、Z向运动补偿装置(34)、焊缝引导系统控制器(7)，X向为所述六轴机器人系统推进方向，X向、Y向与Z向相互垂直，所述同轴送粉式激光熔覆装置与所述Z向运动补偿装置(34)固定连接；
所述Y向运动补偿装置(33)内固定安装有Y向运动补偿直线电机模块(331)，所述Z向运动补偿装置(34)内固定安装有Z向运动补偿直线电机模块(341)
直线电机模块的Z向运动部(342)固定连接，所述Y向运动部(332)带动焊缝引导系统(3)沿Y向运动，所述Z向运动部(342)带动引导系统(3)Z向运动；
所述六维力传感器(32)固定安装在所述Z向运动补偿装置(34)下方，所述六维力传感器(32)包括内环(321)、外环(322)、弹性梁(323)，所述弹性梁(323)位于所述内环(321)和所述外环(322)之间，所述前端陶瓷引导体(31)通过其后端与所述内环过盈配合安装在所述六维力传感器(32)上；
所述机器人控制柜(8)控制所述六轴机器人本体(1)的六维运动轨迹，所述焊缝引导系统控制器(7)根据六维力传感器(32)所采集的焊缝实时受力数据计算出Y向和Z向的运动补偿值，通过Y向运动补偿装置(33)和Z向运动补偿装置(34)实时进行Y向和Z向的运动量补偿。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆设备，其特征在于，所述同轴送粉式激光熔覆系统包括激光器(10)、送粉头、激光头(2)、激光源控制器(6)、同轴送粉装置控制器(5)；所述激光器控制器(11)和所述同轴送粉装置控制器(5)控制激光功率和送粉量；PLC总控制系统(9)与所述机器人控制柜(8)、所述激光器控制器(6)、所述同轴送粉装置控制器(5)、所述焊缝引导系统控制器(7)连接，对激光熔覆过程协同控制。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆设备，其特征在于，所述连接板(4)包括相对设置的焊缝引导系统安装面(A)和机器人本体安装面(B)，在所述连接板(4)上设置第一螺柱通孔(41)、定位槽(42)、第二螺柱通孔(43)、第一凹槽(44)、第二凹槽(45)，所述第一螺柱通孔(41)贯穿焊缝引导系统安装面和机器人本体安装面，用于将所述连接板(4)固定连接至所述六轴机器人本体(1)；所述定位槽(42)和所述第一凹槽(44)位于所述焊缝引导系统安装面上，所述定位槽(42)与焊缝引导系统壳体上的定位部(35)配合安装，用于定位焊缝引导系统；所述第二螺柱通孔43贯穿所述第一凹槽(44)和所述第二凹槽(45)的底面，所述第二螺柱通孔(43)用于将所述连接板(4)与焊缝引导装置固定连接。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆设备，其特征在于，所述激光头(2)还包括接触式跟踪控制镜组，通过Y向和Z向的运动补偿值跟踪控制镜组自动对焦。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆设备，其特征在于，所述前端陶瓷引导体(31)的材质为耐高温氧化铝陶瓷，在1500℃环境中稳定工作，表面粗糙度≤0.2μm。
6.一种激光熔覆修复部件的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-4任意一项所述的设备进行修复，具体步骤包括：
对待修复部件表面进行清理，将红色渗透剂对叶片损伤位置进行湿式显像渗透探伤，确定裂纹的具体位置和尺寸，然后沿着裂纹的走向将待修复位置打磨成截面为V型的裂缝；
机器人控制柜(6)分析裂缝的轨迹，并编写裂缝路径程序，拟合裂缝走向，编写裂缝路径程序过程中，使前端陶瓷引导体(31)顶部与V型的裂缝一侧保持接触；
同轴送粉装置控制器(5)、激光器控制器(6)、机器人控制柜(6)协同作业来设置粉末送给量、激光功率参数、扫描速度参数；
控制六轴机器人本体(1)按照预定的程序路径进行运动，六维力传感器(32)前端的陶瓷引导体(31)与裂缝一侧接触，并采集接触力的数据，焊缝引导系统控制器(7)控制前端陶瓷引导体(31)与裂缝一侧的保持支撑力在一定范围内调整；焊缝引导系统控制器(7)计算实际接触力与设定的保持支撑力的差值，通过差值数据处理计算出Y向和Z向的运动补偿值，保证熔覆轨迹始终在裂缝中。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆修复部件的方法，其特征在于，Y向运动补偿装置(33)通过直线电机模块高速控制Y向的运动补偿，Z向运动补偿装置(34)通过直线电机模块高速控制Z向的运动补偿量。
8.根据权利要求6所述的激光熔覆修复部件的方法，其特征在于，所述保持支撑力在0-25N范围内调整。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的激光熔覆修复部件的方法，其特征在于，所述设备用于修复燃气轮机叶轮叶片。
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| CN117817213B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-24 | 泰州润伟机械有限公司 | 一种焊缝自动焊接机 |
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