用于有三维成像焊接路径控制的自动高温合金激光熔覆的方法
【专利说明】用于有三维成像焊接路径控制的自动高温合金激光熔覆的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年9月12日提交的分配序列号为13/611，034的题名“SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSAFER COMPENSAT1N”的共同拥有的、共同未决的美国发明专利申请；于2012年9月12日提交的分配序列号为13/611，144 的题名“LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUT1N APPARATUS”的美国发明专利申请；以及同时提交的序列号为13/936,482的案卷号为2013P02372US的题名 “AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING SYSTEM WITH 3D IMAGING WELD PATHCONTROL”的美国发明专利申请的优先权，这些专利申请均通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及通过激光束焊接来熔覆高温合金部件的系统或方法，所述部件是诸如服务降级的(service-degraded)祸轮叶片和轮叶。通过对部件进行预先，优选实时的，非接触式三维尺寸扫描并且将获得的尺寸数据与部件的规范尺寸数据进行比较来确定焊接/熔覆路径。确定用于熔覆被扫描部件以使其尺寸符合规范尺寸数据的焊接路径。激光焊接装置优选地与熔覆填料分配装置协作，执行焊接路径。在一些实施例中，执行对焊接部件的焊后非接触式三维尺寸扫描，并且比较焊后扫描尺寸数据与规范尺寸数据。优选地，焊接路径和/或熔覆施加在有焊前和/或焊后三维尺寸扫描的反馈回路中修改。
【背景技术】
[0004]燃气轮机或其他高温合金部件的“结构”修复一般被认为是以匹配的合金材料更换受损的材料，并实现接近原始制造部件规范的诸如强度的性能(例如，原规范极限拉伸强度的至少百分之七十)。例如，优选的是，在已经遭受表面裂纹的涡轮叶片上执行结构修复，使得进一步开裂的风险降低，并且叶片恢复到原来的材料结构和尺寸规范。
[0005]由于成品叶片材料的冶金特性，用于制造诸如涡轮叶片的涡轮机部件的镍基和钴基高温合金材料的修复是挑战性的。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理过程中被加强，这使它们难以进行后续的结构焊接。当这样的高温合金材料构成的叶片用相同或类似合金的填料金属焊接时，叶片在焊接处内和靠近焊接处易于遭受固化(又名液化)开裂，和/或在旨在恢复与新部件可比的高温合金原始强度和其他材料性能的后续热处理过程中，易于遭受应变时效(又名再加热)开裂。
[0006]一种已知的高温合金接合和修复方法是激光束焊接，也被称为激光束微熔覆，所述方法试图熔融高温合金填料而不使在下面的高温合金基底热退化。与高温合金基底材料兼容或相同的高温合金填料(通常是粉末状填料)在焊接之前预先放置在基底表面上，或在熔覆过程中与加压气体一起通过通道喷洒在表面上。由固定光学激光(即，除了相对平移外，激光和基底在激光束施加期间具有固定的相对取向)产生的“光斑”区域的聚焦激光光能液化填料，并充分地加热基底表面以促进填料和基底材料的良好聚结，其随后固化为在基底表面上的熔覆沉积层。相比于其他已知的传统焊接工艺，激光束微熔覆是热输入较低的工艺，其对于基底熔化有相对较好的控制，并且有降低导致前述凝固开裂的倾向的快速凝固。在激光焊接/涂覆期间到高温合金基底的较低热输入也最小化了残余应力，否则可能会易于遭受前述的焊后热处理应变时效开裂。虽然激光熔覆焊接具有超出传统地形成的焊接的结构优点，实际制造和修复现实需要比可通过任何单次施加的熔覆沉积填补的更大的熔覆表面面积和/或体积覆盖。
[0007]为了满足对高温合金部件的添加体积的需求，在基底上的激光熔覆沉积可由邻接的固化恪覆操作(clad passes)的单维或二维阵列来形成。多次激光焊接恪覆操作和恪覆层可以在自动控制下施加以构建表面尺寸体积。创建激光熔覆沉积阵列经常在沉积的材料中并且在热影响区材料之下的基底中导致微裂纹和缺陷。一些缺陷与局部激光光能的热输入不足时常见的欠熔合(LoF)相关。诸如涡轮叶片的基底经常需要用等效体积的高温合金填料填充叶片基底材料丢失体积的结构修复，以便恢复所述叶片的原始结构尺寸。在已知的激光熔覆技术中，丢失的叶片基底体积是用单独施加的激光熔覆沉积或操作的二维填料焊接阵列填充的。在单个沉积形成后，激光束聚焦位置和基底表面在自动控制下相对彼此移动以焊接下一沉积，所述沉积类似于一系列邻接、重叠的凸块或点。在已知的多维填料沉积设备中，或者是填料颗粒(通常为粉末形式)层被预先放置在基底表面上的层中，或者是通过加压气体供给喷头导向到激光“光斑”投影位置上。
[0008]高温合金涡轮部件基底的自动或半自动激光焊接修复为了跟踪目的需要限定每个部分的几何形状，以使激光熔覆路径在部件的期望表面部分上施加固化沉积。部件测得的实际几何轮廓信息与需要的部件规范几何轮廓信息进行比较。所述比较确定部件需要固化填料的不够大的表面部分。带着新填充的部分将达到或超过所需规范尺寸的期望，比较信息用于编程激光熔覆和焊接路径。如果焊接部件的新填充部分仍然不够大，部件必须以第二焊接路径重新测量并重新焊接。在施加一个或多个焊接路径后，焊接的部件被检查焊接质量。焊接过程之后剩余的或在焊接过程中产生的空隙或裂纹可能使得部件不适于使用，在这种情况下，先前的焊接工作和费用被浪费了。如果焊后检查表明零件是可使用的，任何焊后多余的材料通过已知的金属加工工艺去除。
[0009]在已知的焊接工艺中，部件或部分的轮廓几何信息通常在修复处理之前由摄像机收集，并通过对比测量限定。一种光学摄像机，其可以是自动焊接系统的机器视觉子系统，捕获涡轮部件轮廓的视觉图像。光学对比用于限定部件轮廓或足迹(outline orfootprint) ο利用光学地限定的部件轮廓和部件所需的尺寸规范轮廓，自动焊接系统创建部件与焊点之间的相对运动(即，在控制工作台上的零件运动，或焊接仪器的运动，或两者)的焊接路径。执行焊接路径的焊接系统熔覆部件表面，以填补通过光学摄像系统获得的实际限定轮廓尺寸与规范尺寸之间的丢失体积。
[0010]限定修复部件的几何形状和轮廓的传统光学方法需要专门的照明零件(specialized part illuminat1n)并且缺乏分辨率和精度。光学测量方法只能生成平面二维轮廓信息，高度尺寸实际上只能通过阴影分辨推断。由此，通过焊接装置执行的焊接路径只能接近部件的二维轮廓。填料高度决定是由焊接操作者或自动焊接路径处理器通过估计为了获得部件规范高度尺寸所需的连续层数量而经验地确定的。在修复过程中，在部件物理状况发生变化(例如，热变形)，部件表面与焊接的错位、移动，误导的焊接路径，或装置焊接缺陷(例如，空隙和/或裂纹)产生的情况下，传统光学部件测量方法在修复过程中不能用作调整处理仪器的反馈。除先前确定的光学测量系统的照明、分辨率和精度的缺陷之外，它们不能穿透在焊接过程中由激光熔覆/焊接系统产生的烟雾和高强度紫外(UV)辐射而获得视觉图像。烟雾散射所反射的光学摄像机照明，而高强度紫外辐射压制了光学摄像机捕捉视觉图像的能力。
[0011]美国专利N0.5，504，303提出了使用非接触式激光轮廓仪获得金刚石表面的三维尺寸形貌测量信息。测得的信息与所需的规范信息进行比较。接着，烧蚀激光切割相比所需规范被确定为太厚的表面部分。切割后的表面随后用激光轮廓仪重新进行扫描以确定表面现在是否满足所需的厚度规范。切割和扫描被连续地重复，直到表面符合所需规范。在所述专利中进一步指出的是，所述轮廓仪和烧蚀系统可以利用共有的激光设备。
[0012]由此，在本领域中存在对涡轮部件激光熔覆系统或方法的需求，所述系统或方法实时地获取部件尺寸数据，将所获取的尺寸数据与规范尺寸数据比较，并确定焊接样式以构建符合于所确定焊接样式的部件表面，使得所述焊接样式是动态地确定的，并响应于在焊接过程中发生的瞬时变化而进行调整。这样的瞬时变化的例子包括但不限于在焊接过程中的部件热变形、部件表面与所述焊接装置的移动和/或错位、被误导的焊接路径，或焊接缺陷(例如，空隙和/或裂纹)的产生。
[0013]在本领域存在对涡轮部件激光熔覆系统或方法的另一需求，所述系统或方法实时地执行部件表面的后续焊后测量，并确定所述焊后表面的测量数据是否符合于所需规范尺寸数据，和/或焊接质量(例如，在焊接表面中没有空隙和/或微裂纹)。为了满足这一需求，所述系统或方法优选地将焊后测量和/或检查结合到实时反馈回路内，以动态地调整焊接工艺，从而使焊接表面与所需规范一致地形成。
[0014]在本领域存在对涡轮部件激光熔覆系统或方法的另外需求，所述系统或方法实时地或顺序地获得尺寸数据，将所获取的尺寸数