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CN104651832A - 用于大型金属零件的表面修复工艺 - Google Patents

用于大型金属零件的表面修复工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大型金属零件的表面修复工艺，其包括：S1.将激光熔覆喷头的工艺参数与激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度相关联；S2.建立三维模型；S3.生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径；S4.确定激光熔覆喷头的最大倾斜角度，根据步骤S1中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度，并控制激光熔覆喷头按照步骤S3中生成的扫描轨迹路径，对待修复的金属零件的表面进行修复。本发明的修复工艺中，激光熔覆喷头可连续变姿态运动，从而始终保持激光熔覆喷头轴线方向与被修复零件表面法向重合，实现了对于大型零件及设备的表面进行快速激光熔覆修复，减少修复前对工件进行搬运和装夹的繁琐工作量。

Description

用于大型金属零件的表面修复工艺
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种用于大型金属零件的表面修复工艺。
背景技术
激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。
激光熔覆技术由于具有冷却速度快、变形小、熔覆层性能优异等优点而得到广泛应用，例如，现有激光熔覆技术可对易于搬运和装夹的小尺寸金属零件进行水平面上的激光熔覆修复。该工艺中，主要依靠承载被修复零件的工作台的移动，实现零件表面的修复加工。
但上述激光熔覆表面修复工艺中，对于具有复杂曲面形状的大型零件及设备(如大型涡轮机叶片、轧机立柱、钢包等)的表面修复则不适用。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于大型金属零件的表面修复工艺，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述发明目的，本发明的一种用于大型金属零件的表面修复工艺，其特包括如下步骤：
S1.将激光熔覆喷头在相应倾斜角度下各工艺参数与激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度相关联；
S2.建立待修复金属零件的三维模型；
S3.根据步骤S2中的三维模型，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径；
S4.确定三维模型中的最大倾斜角度，根据步骤S1中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度，并控制激光熔覆喷头按照步骤S3中生成的扫描轨迹路径，对待修复的金属零件的表面进行修复。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，所述工艺参数包括：激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离、准直气速度、载气速度、粉末粒径、送粉速率、激光功率、扫描速度、多道熔覆搭接量。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，选择粉束汇聚长度时，以粉束汇聚长度最小值作为实际加工时的距离。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，所述步骤S3中，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径时可采用如下方式中一种：高级编程、离线编程、在线编程。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，所述在线编程包括如下步骤：实时检测待修复曲面轮廓，同时通过上位机实时计算被修复零件的曲面法向，并反馈至激光熔覆喷头的运动控制器，生成运动代码。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头产生熔覆激光以及粉束，其中，熔覆激光外侧具有保护气帘，熔覆激光为中空激光，粉束位于中空激光内部，保护气帘、熔覆激光、以及粉束同轴设置。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离保持恒定。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头的轴线方向与被修复表面相垂直。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，熔覆激光的功率密度保持恒定。
作为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺的改进，激光熔覆喷头按照扫描轨迹路径进行扫描时，可采用单向扫描的方式或双向扫描的方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺克服了喷头空间倾斜送粉过程中粉束汇聚性差的问题，同时，修复过程中，激光熔覆喷头可连续变姿态运动，从而始终保持激光熔覆喷头轴线方向与被修复零件表面法向重合，实现了对于大型零件及设备的表面进行快速激光熔覆修复，减少修复前对工件进行搬运和装夹的繁琐工作量，节约资源和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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中记载的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺中，激光熔覆喷头按照生成的扫描轨迹路径进行修复运动时的示意图，其中，虚线的激光熔覆喷头代表其运行到不同的加工位置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的表面修复工艺通过激光熔覆喷头的连续变姿态运动可对具有复杂曲面的大型金属零件的表面进行快速修复。该修复工艺包括如下步骤：
S1.将激光熔覆喷头在相应倾斜角度下各工艺参数与激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度相关联。
其中，所述工艺参数包括：激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离(8mm—15mm)、准直气速度(3m/s—5m/s)、载气速度(2m/s—3m/s)、粉末粒径(45μm～74μm)、送粉速率(6g/min—12g/min)、激光功率(800w--1400w)、扫描速度(4mm/s—8mm/s)、多道熔覆搭接量(30％—40％)等。
所述粉束自喷头粉管的出口喷出，从而，激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度是指粉束直径扩大至加工光斑直径时距离喷头粉管的出口端面的长度。此外，在选择粉束汇聚长度时，以粉束汇聚长度最小值作为实际加工时的距离，以确保粉束汇聚的稳定性。
S2.建立待修复金属零件的三维模型。
其中，建立待修复金属零件的三维模型可通过红外轮廓扫描仪进行建模。
S3.根据步骤S2中的三维模型，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径；
其中，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径时可采用如下方式中一种：高级编程、离线编程、在线编程。
所述高级编程可采用带有编程软件的设备对模型加工路径进行编程。
所述离线编程可在采用第三方编程软件的条件下，导入三维模型，自动生成轨迹路径，从而模拟激光熔覆喷头的运行过程。离线编程过程中，还需要配置精确的工作台以用于定位起始点位置。
所述在线编程包括如下步骤：实时检测待修复曲面轮廓，同时通过上位机实时计算被修复零件的曲面法向，并反馈至激光熔覆喷头的运动控制器，生成运动代码，从而，根据该运动代码运动控制器可对激光熔覆喷头进行精确控制，实现激光熔覆喷头准确的轨迹运动。
S4.确定三维模型中的最大倾斜角度，根据步骤S1中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度，并控制激光熔覆喷头按照步骤S3中生成的扫描轨迹路径，对待修复的金属零件的表面进行修复。
如图1所示，其为激光熔覆喷头按照生成的扫描轨迹路径运动时的示意图，由图可见，激光熔覆喷头始终保持喷头轴线沿曲面法线方向，当熔覆修复完一道后，激光熔覆喷头向偏移一定距离，重复上述运动，直至完成整个曲面熔覆。
具体地，确定三维模型中的最大倾斜角度以获得激光熔覆喷头的角度变化范围，从而，在根据步骤S1中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度。
激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头产生熔覆激光，其中，熔覆激光外侧具有保护气帘，熔覆激光为中空激光，粉束位于中空激光内部，保护气帘、熔覆激光、以及粉束同轴设置。从而，为实现如上所述的同轴设置，喷出粉束的喷头粉管位于中空激光内部，并与激光熔覆喷头同轴设置。如此设置，有利于粉束的汇聚，使其在空间变姿态激光熔覆修复过程中具有指向性好、无干涉。
此外，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头根据扫描轨迹路径连续变姿态运动，该过程中，激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离、以及熔覆激光的功率保持恒定，如此以确保加工光斑大小保持稳定，有利于熔池形成的稳定性。同时，激光熔覆喷头的轴线方向与被修复表面的法向重合，即与被修复表面相垂直，如此以确保粉管垂直被修复表面送粉。
进一步地，激光熔覆喷头按照扫描轨迹路径进行扫描时，可采用单向扫描的方式或双向扫描的方式。
综上所示，本发明的用于大型金属零件的表面修复工艺克服了喷头空间倾斜送粉过程中粉束汇聚性差的问题，同时，修复过程中，激光熔覆喷头可连续变姿态运动，从而始终保持激光熔覆喷头轴线方向与被修复零件表面法向重合，实现了对于大型零件及设备的表面进行快速激光熔覆修复，减少修复前对工件进行搬运和装夹的繁琐工作量，节约资源和成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，所述修复工艺包括如下步骤：
S1.将激光熔覆喷头在相应倾斜角度下各工艺参数与激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度相关联；
S2.建立待修复金属零件的三维模型；
S3.根据步骤S2中的三维模型，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径；
S4.确定三维模型中的最大倾斜角度，根据步骤S1中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度，并控制激光熔覆喷头按照步骤S3中生成的扫描轨迹路径，对待修复的金属零件的表面进行修复。
2.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，所述工艺参数包括：激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离、准直气速度、载气速度、粉末粒径、送粉速率、激光功率、扫描速度、多道熔覆搭接量。
3.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，选择粉束汇聚长度时，以粉束汇聚长度最小值作为实际加工时的距离。
4.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，所述步骤S3中，生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径时可采用如下方式中一种：高级编程、离线编程、在线编程。
5.根据权利要求4所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，所述在线编程包括如下步骤：实时检测待修复曲面轮廓，同时通过上位机实时计算被修复零件的曲面法向，并反馈至激光熔覆喷头的运动控制器，生成运动代码。
6.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头产生熔覆激光以及粉束，其中，熔覆激光外侧具有保护气帘，熔覆激光为中空激光，粉束位于中空激光内部，保护气帘、熔覆激光、以及粉束同轴设置。
7.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头出口与被修复表面之间的距离保持恒定。
8.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，激光熔覆喷头的轴线方向与被修复表面相垂直。
9.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，激光熔覆喷头对待修复的金属零件的表面进行修复时，熔覆激光的功率密度保持恒定。
10.根据权利要求1所述的用于大型金属零件的表面修复工艺，其特征在于，激光熔覆喷头按照扫描轨迹路径进行扫描时，可采用单向扫描的方式或双向扫描的方式。
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