基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法及装置与流程

本发明涉及激光修复技术领域，具体涉及基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法及装置。

背景技术：

整体叶盘结构是先进航空发动机中应用的新型结构，实现了叶片与盘体的一体式结构，可以大大提升推重比，进一步提高发动机效率，降低燃油消耗和排放。整体叶盘制造材料主要采用钛合金、高温合金等高性能金属材料和钛基、钛铝化合物等先进复合材料。整体叶盘的叶片为空间上呈复杂扭曲的曲面，结构复杂，叶片壁厚度较薄，因此加工过程中容易产生变形和让刀现象，叶片加工容易产生扭曲，通道开敞性较差，精度要求较高。因此使得整体叶盘的加工制造效率较低，周期较长和花费较高。

整体叶盘在工作中易吸入气流中的沙石或者遭受其他外来物的撞击造成损伤，外物损伤会极大程度降低叶片的抗高周疲劳循环能力，特别是在飞机的起降阶段，叶片高频振动和循环载荷持续作用，叶片可能出现高周疲劳失效的。叶片外物损伤严重时，会在极短时间内发生断裂失效而脱落，由于离心力和高速气流的作用，脱落的叶片将会进入发动机内部，严重损伤其他部件，发动机因而停止转动，造成机毁人亡的悲剧。

整体叶盘的叶片数量大，且制造工艺复杂，价格昂贵，修复叶片成本远远低于更换新成本，其修复成本仅为叶片制造成本的5%，因此如何在短时间内修复整体叶盘上已经损伤的叶片，恢复其使用性能已成为整体叶盘设计、制造及使用的一个关键问题。目前针对整体叶盘损伤叶片的修复，主要有摩擦焊修复、熔焊(氩弧焊、电子束焊、微束等离子焊等)补片修复、激光熔敷等技术手段。但是这些技术普遍存在一些共性技术问题，例如存在气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等，这些内部缺陷严重影响修复处的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。因此，对整体叶盘损伤叶片修复得到满足高性能长寿命的要求是该领域研究人员亟待解决的一个技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法及装置。

提出了基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法，所述方法包括以下：

步骤110：对待修复的整体叶盘的目标损伤叶片进行清洗，在清洗后对目标损伤叶片的损伤区域进行打磨处理，去除损伤区域；

步骤120：对所述整体叶盘进行扫描获取其三维模型数据，将所述三维模型数据与所述整体叶盘的原始数据进行对比，进而确定修复方案；

步骤130：对待修复的整体叶盘的目标损伤叶片逐一单元分层，按照所述修复方案进行双激光束液态微锻的复合增材制造，

所述双激光束液态微锻具体为，控制第一束连续激光进行熔覆形成激光熔覆层，同时，控制第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下的激光熔覆层的表面，利用所述第二束脉冲激光产生的冲击波对熔池状态下的目标损伤叶片的金属施加冲击波；

步骤140：对整体叶盘的目标损伤叶片的修复处进行抛光处理。

进一步，上述步骤120具体包括以下：

利用三坐标测量仪获取清洗好的整体叶盘的三维模型数据，并将整体叶盘的所述三维模型数据传入三维设计软件中，与三维设计软件中预存的完整的整体叶盘的原始数据进行对比分析，确定损伤叶片的待修复区域并将待修复区域分为多个修复单元，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、各个机械臂的加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽进而确定修复方案。

进一步，上述步骤130具体包括以下：

通过夹具将整体叶盘固定在六自由度的夹持机械臂的末端，夹持机械臂带动整体叶盘伸入到惰性气氛工作室中并按照预设的加工路径运动，同时，激光器机械臂带动惰性气氛工作室进行相应的空间轨迹运动；

连续激光发生器与同轴送粉器控制送粉量，通过对喷粉量和第一束连续激光的控制进行熔覆，同时，光纤激光发生器发射的第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下的激光熔覆层的表面，利用所述第二束脉冲激光产生的冲击波对熔池状态下金属施加冲击波，进而完成双激光束液态微锻的复合增材制造。

提出基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复装置，包括，

三维坐标仪，用于获取清洗好的整体叶盘的三维模型数据；

夹持机械臂，设置有夹具，所述夹具用于将整体叶盘固定在所述夹持机械臂的末端；

惰性气氛工作室，用于给整体叶盘的修复提供稳定可行的工作环境；

激光器机械臂，设置于所述惰性气氛工作室，用于带动所述惰性气氛工作室运动；

同轴送粉器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供修复需要的金属粉末；

连续激光发生器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供第一束连续激光；

光纤激光发生器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供第二束脉冲激光；

计算机，安装有三维设计软件，所述三维设计软件中预存有完整的整体叶盘的原始数据，所述计算机用于接收三坐标测量仪获取的三维模型数据，并将整体叶盘的所述三维模型数据传入三维设计软件中，与三维设计软件中预存的完整的整体叶盘的原始数据进行对比分析，确定损伤叶片的待修复区域并将待修复区域分为多个修复单元，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、各个机械臂的加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽进而确定修复方案，

所述计算机分别与三维坐标仪、夹持机械臂、设置于所述惰性气氛加工室内部的监测系统、激光器机械臂、连续激光发生器、光纤激光发生器、同轴送粉器电连接，在执行所述修复方案时控制以上部件运行。

进一步，所述夹持机械臂以及所述激光器机械臂均为六轴联动机械臂。

进一步，所述连续激光发生器以及光纤激光发生器集成在所述激光器机械臂上。

进一步，所述光纤激光发生器产生的第二束脉冲激光的激光能量为豪焦级。

相较于现有技术，本发明提供的所述基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法具有以下有益效果：

本发明提出基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法，在加工过程中，两束不同功能的激光束同时且相互协作制造修复损伤叶片。第一束连续激光熔覆成型，同时第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下激光熔覆层的金属表面，利用激光产生的冲击波对熔池状态下金属施加冲击波，对熔池状态区域的金属形成压力和振动的复合修复。在激光熔覆成型的熔池状态修复层，通过脉冲激光对熔池状态修复层施加冲击波，在修复层内产生压力和振动，有利于排除气体，减少气孔，修复更加均匀，去除修复区域内应力，细化晶粒，提高表面压应力。提高了修复的内部质量和机械力学综合性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实例描述中所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的一些实例，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它的附图，其中：

图1是本发明提供的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法的流程图；

图2是本发明提供的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法的一个实施方式中的整体叶轮与损伤叶片的相对关系示意图；

图3是本发明提供的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法的应用场景示意图；

图4是本发明提供的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法的工作原理图；

图5是本发明提供的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法的实施流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。

结合图1、图2以及图5，实施例1，是本发明提出的基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复方法，所述方法包括以下：

步骤110：对待修复的整体叶盘的目标损伤叶片进行清洗，在清洗后对目标损伤叶片的损伤区域进行打磨处理，去除损伤区域；

步骤120：对所述整体叶盘进行扫描获取其三维模型数据，将所述三维模型数据与所述整体叶盘的原始数据进行对比，进而确定修复方案；

步骤130：对待修复的整体叶盘的目标损伤叶片逐一单元分层，按照所述修复方案进行双激光束液态微锻的复合增材制造，

所述双激光束液态微锻具体为，控制第一束连续激光进行熔覆形成激光熔覆层，同时，控制第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下的激光熔覆层的表面，利用所述第二束脉冲激光产生的冲击波对熔池状态下的目标损伤叶片的金属施加冲击波；

步骤140：对整体叶盘的目标损伤叶片的修复处进行抛光处理。

作为本发明的优选实施方式，上述步骤120具体包括以下：

利用三坐标测量仪获取清洗好的整体叶盘的三维模型数据，并将整体叶盘的所述三维模型数据传入三维设计软件中，与三维设计软件中预存的完整的整体叶盘的原始数据进行对比分析，确定损伤叶片的待修复区域并将待修复区域分为多个修复单元，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、各个机械臂的加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽进而确定修复方案。

作为本发明的优选实施方式，上述步骤130具体包括以下：

通过夹具将整体叶盘固定在六自由度的夹持机械臂的末端，夹持机械臂带动整体叶盘伸入到惰性气氛工作室中并按照预设的加工路径运动，同时，激光器机械臂带动惰性气氛工作室进行相应的空间轨迹运动；

连续激光发生器与同轴送粉器控制送粉量，通过对喷粉量和第一束连续激光的控制进行熔覆，同时，光纤激光发生器发射的第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下的激光熔覆层的表面，利用所述第二束脉冲激光产生的冲击波对熔池状态下金属施加冲击波，进而完成双激光束液态微锻的复合增材制造。

具体的，本发明实施例双激光束液态微锻的整体叶盘损伤叶片修复方法的工作原理为：

首先对待修复的整体叶盘损伤叶片进行清洗，然后对损伤处进行打磨处理，以去除损坏的区域。

然后通过扫描获取待修复整体叶盘三维模型数据,并将采集得到的整体叶盘三维模型数据与完整的整体叶盘原始数据进行对比,并设计出再制造方案。具体地，利用三坐标测量仪测量获得清洗好的待修复整体叶盘的三维模型数据，并将该三维模型数据传入至计算机的三维设计软件中，通过与完整的整体叶盘原始数据模型的三维模型数据进行对比分析，从而确定损伤叶片需修复区域并以分单元形式进行修复。通过分析对比,确定夹持机械臂和激光器机械臂的运动轨迹。通过设计待修复区域每个单元的每一熔覆层厚度，确定每一时刻的喷粉量、连续激光和脉冲激光功率、频率、脉宽、光斑尺寸、扫描速度等参数。

然后对待修复整体叶盘待修复区域逐一单元分层进行双激光束液态微锻。具体地,通过夹具将整体叶盘固定在六自由度的夹持机械臂末端，夹持机械臂带动整体叶盘伸入到惰性气氛加工室中并按照预设的空间轨迹运动，与此同时，激光器机械臂带动惰性气氛加工室进行相应的空间轨迹运动。连续激光发生器与同轴送粉器控制送粉量，通过对送粉量和第一束连续激光的控制进行熔覆，与此同时，光纤激光器发射的第二束脉冲激光直接作用在熔池状态下激光熔覆层表面，利用激光产生的冲击波对熔池状态下金属施加冲击波，从而实现对待修复单元进行逐层双激光束液态微锻。脉冲激光对熔池状态修复层施加冲击波，使得修复层内产生压力和振动，有利于排除气体，减少气孔，修复更加均匀，去除修复区域内应力，细化晶粒，提高表面压应力，提高了修复的内部质量和机械力学综合性能，以得到具有高性能长寿命的修复叶片。

为保证运动轨迹的精确和保证修复以及双激光束液态微锻达到最好效果，本发明技术方案中，惰性气氛工作室内部设有监测系统与计算机电连接，监测系统全程测量修复区的温度场，并将监测数据反馈到计算机中，计算机根据反馈数据进行分析，然后通过控制同轴送粉器、光纤激光器以及夹持机械臂和激光器机械臂实现对加工参数微调。

结合图3以及图4，另外从本质上对冲击锻打以及液态微锻造进行说明如下：

液态微锻是在金属熔融状态下进行一种冲击搅拌作用的方式改善焊接缺陷，冲击锻打是对金属最佳塑性成型态进行冲击锻打，对固态的焊缝进行工艺强化，

从晶粒来说，冲击锻打主要起到对成型的粗大的晶粒进行冲击锻打，起一个细化晶粒的作用，增加晶界，使得硬度啊、金属强度啊在一定程度上提高；而液态微锻是引导晶粒的生长方向，由柱状晶向着等轴晶生长，且熔池区各成分不均匀兴减小。

可以说是锻打改变晶粒状态；液态微锻引导晶粒生长，向着细化晶粒且等轴方向变化。

从焊接缺陷来说，针对裂纹缺陷，

冲击锻打将颗粒状的杂志裂纹改善成条状或线状，减小内应力，但裂纹依旧存在，

液态微锻是在液态状态下进行改善焊接缺陷，冲击搅拌振动的帮助下消除裂纹缺陷；

针对气孔来说，冲击锻打锻合气孔，冲击搅拌是减少并抑制气孔的产生，且液态微锻也具有对气孔的压合作用；

针对裂纹气孔等缺陷，冲击锻打只是改善其缺陷，而液态微锻是抑制这些缺陷的存在，且液态微锻也有改善缺陷的作用。

在进行液态微锻时，应当注意如下技术点，

1.监测系统的准确性，不同材料不同工况下的融敷标准波动曲线需要多次实验，大数据统计计算得出；

2.波动信号不同异常情况对应的锻打激光不同参数选择；

激光是在金属处于熔融态时作用，具体作用的部位和能量大小根据监测熔池的实时状态来确定；

3.通过监测熔池反馈的光辐射和，热辐射值的波动确定缺陷。

本发明还提出基于双激光束的整体叶盘的损伤叶片修复装置，包括，

三维坐标仪，用于获取清洗好的整体叶盘的三维模型数据；

夹持机械臂，设置有夹具，所述夹具用于将整体叶盘固定在所述夹持机械臂的末端；

惰性气氛工作室，用于给整体叶盘的修复提供稳定可行的工作环境；

激光器机械臂，设置于所述惰性气氛工作室，用于带动所述惰性气氛工作室运动；

同轴送粉器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供修复需要的金属粉末；

连续激光发生器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供第一束连续激光；

光纤激光发生器，设置于所述惰性气氛工作室，用于提供第二束脉冲激光；

计算机，安装有三维设计软件，所述三维设计软件中预存有完整的整体叶盘的原始数据，所述计算机用于接收三坐标测量仪获取的三维模型数据，并将整体叶盘的所述三维模型数据传入三维设计软件中，与三维设计软件中预存的完整的整体叶盘的原始数据进行对比分析，确定损伤叶片的待修复区域并将待修复区域分为多个修复单元，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、各个机械臂的加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽进而确定修复方案，

所述计算机分别与三维坐标仪、夹持机械臂、设置于所述惰性气氛加工室内部的监测系统、激光器机械臂、连续激光发生器、光纤激光发生器、同轴送粉器电连接，在执行所述修复方案时控制以上部件运行。

作为本发明的优选实施方式，所述夹持机械臂以及所述激光器机械臂均为六轴联动机械臂。

为满足整体叶盘复杂曲面形状的要求，两个机械臂均为六轴联动，在加工过程中，连续激光器和光纤激光器在位置上保持不动，轨迹由两个机械臂配合工作以保证。

作为本发明的优选实施方式，所述连续激光发生器以及光纤激光发生器集成在所述激光器机械臂上。

作为本发明的优选实施方式，所述光纤激光发生器产生的第二束脉冲激光的激光能量为豪焦级。通过采用激光微锻的方式，使第二束脉冲激光的激光能量大幅降低，仅为豪焦级即可满足需求。

以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。