采用三维成像焊接路径控制的自动化高温合金激光熔覆系统的制作方法
【专利说明】采用三维成像焊接路径控制的自动化高温合金激光熔覆系统
[0001]对相关申请的引用
[0002]本专利申请要求于2012年9月12日提交的标题为“SUPERALLOY LASER CLADDINGWITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSAT1N(采用表面拓扑能量传递补偿的高温合金激光熔覆)”的共有未决美国发明专利申请13/611，034、于2012年9月12日提交的标题为 “LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUT1N APPARATUS (激光熔覆系统的填料分布装置)”的美国发明专利申请13/611，144、以及于2013年7月8日提交的标题为 “METHOD FOR AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING WITH 3D IMAGING WELDPATH CONTROL (采用三维成像焊接路径控制的自动化高温合金激光熔覆方法”)的美国发明专利申请13/936，395 (案号2013P06709US/2012E26552US)的优先权，所有这些专利申请的内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及一种通过激光束焊接对高温合金部件(例如性能劣化的涡轮机轮叶和导叶)进行熔覆的系统或方法。通过预先对部件进行扫描(优选采用实时、非接触三维尺寸扫描)并把获得的尺寸扫描数据与部件的规格尺寸数据对比来确定焊接/熔覆路径。确定被扫描部件的熔覆焊接路径，以使其尺寸符合规格尺寸数据。激光焊接装置优选与熔覆填料分布装置协作按焊接路径进行焊接。在一些实施例中，对被焊部件进行焊后非接触三维尺寸扫描，并把焊后扫描尺寸数据与规格尺寸数据对比。优选通过焊前/焊后三维尺寸扫描在反馈回路中修改焊接路径和/或熔覆施加。
【背景技术】
[0004]通常认为，燃气轮机或其它高温合金部件的“结构”修理是使用相配的合金材料替换受损的材料，并获得接近于原始制造部件规格的特性，例如强度(例如，极限抗拉强度至少达到原始规格的百分之七十)。例如，优选在已出现表面裂纹的涡轮机轮叶上进行结构修理，从而降低进一步开裂的危险，并把轮叶恢复至原始材料的结构和尺寸规格。
[0005]对于用于制造涡轮机部件(例如涡轮机轮叶)的镍基和钴基高温合金材料，由于成品轮叶材料的冶金特性，修理起来很困难。成品涡轮机轮叶合金通常在铸造后热处理过程中进行过强化，这使得难以对它们进行后续的结构焊接。当使用由相同或相似合金构成的填充金属对由这种高温合金材料制造的轮叶进行焊接时，在意图恢复高温合金的原始强度和把其它材料特性恢复到与新部件相当的水平的后续热处理过程中，轮叶易在焊缝内和焊缝附近出现凝固裂纹(又名液化裂纹)和/或应变时效裂缝(又名再热裂纹)。
[0006]一种意图熔化高温合金填充金属而又不会给下层高温合金基底造成热损害的已知高温合金接合和修理方法是激光束焊接，又名激光束微熔覆。与高温合金基底材料相容或相同的高温合金填充金属(常常是粉末填料)在焊接前预先放到基底表面上，或者在熔覆过程中通过加压气体喷到表面上。固定激光器(即，除了相对平移外，在施加激光束的过程中，激光器和基底具有固定的相对方位)产生的聚焦激光光能的“光斑”区液化填充金属，并充分加热基底表面，以促进填料和基底材料的良好结合，该结合层随后凝固为基底表面上的熔覆沉积层。与其它已知的传统焊接过程相比，激光束微熔覆是一个低热输入过程，对基底的熔化和快速凝固的控制较好，这能降低导致上述的凝固裂纹的倾向。激光焊接/熔覆过程中对高温合金基底的较低热输入还能最大限度地减少残余应力，这种残余应力易导致上述的焊后热处理应变时效裂纹。虽然激光熔覆焊缝与通过传统手段形成的焊缝相比具有结构优点，但是实际的制造和修理情况需要很大的覆层表面积和/或大量覆盖，而这是通过任何单次熔覆沉积材料所不能填满的。
[0007]为了满足为高温合金部件增加体量的需求，基底上的激光熔覆沉积层可由相邻凝固熔覆道次的一维或二维阵列构成。可在自动化控制下施加多个激光焊接覆层道次和焊层，以构造表面尺寸体量。产生激光熔覆沉积层的阵列常常导致在沉积材料和热影响区的下层基底材料中形成微裂纹和缺陷。某些缺陷与局部激光光能热输入不足时常见的未熔合(LoF)有关。基底(例如涡轮机轮叶)常常需要使用同等数量的高温合金填料对缺失的轮叶基底材料量进行结构修理，以恢复轮叶的原始结构尺寸。在已知的激光熔覆技术中，使用独立施加的激光熔覆沉积带或道次的二维填料焊缝阵列来填充缺失的基底体量。与一系列毗连并交叠的凸点或焊点类似的是，在形成一片沉积物之后，激光束焦点位置和基底表面在自动化控制下彼此相对移动，以焊接下一片沉积物。采用已知的多维填料沉积设备，在基底表面上预置一层填料颗粒(常常为粉末形式)，或者通过压缩气体进料喷嘴在激光“光斑”投射位置喷射一层填料颗粒。
[0008]高温合金涡轮机部件基底的自动化或半自动化激光焊接修理需要为循迹目的定义每个零件的几何形状，以便使激光熔覆路径在部件的所需表面部分上形成固化沉积带。把部件的实测几何轮廓信息与所需的部件规格几何轮廓信息对比。这种对比的目的是确定部件表面上需要固化填充物的尺寸不足部分。对比信息用于编制激光熔覆或焊接路径，以期使新填充的部分达到或超过所需的规格尺寸。若焊接部件的新填充部分仍尺寸不足，则必须重新测量部件，并利用第二个焊接路径重新焊接部件。在应用一个或多个焊接路径后，对焊接部件进行检查，以检查焊接质量。在焊接过程之后残留的或在焊接过程中产生的孔洞或裂纹可能使部件不适合于其使用目的，在这种情况下，以前的焊接工作和花销会浪费。若焊后检查表明零件可用，则需要通过已知的金属加工过程去除任何焊后多余材料。
[0009]在已知的焊接过程中，典型情况下，在修理加工之前通过摄像头来收集部件或零件的轮廓几何信息，并通过对比测量来定义。可布置在自动化焊接系统的机器视觉子系统中的光学摄像头捕获涡轮机部件轮廓的可视图像。使用光学对比度来定义部件的轮廓或覆盖面积。自动化焊接系统利用光学定义的部件轮廓和部件的所需尺寸规格轮廓来确定部件和焊点之间的相对移动焊接路径(即，零件在运动控制工作台上移动，或者焊接设备移动，或两者同时移动)。执行焊接路径的焊接系统在部件表面上进行熔覆，以填充通过光学摄像头系统获得的实际定义外形尺寸与规格尺寸之间的缺失量。
[0010]用于定义被修理部件的几何尺寸和轮廓的传统光学方法需要专门的零件照明，并且分辨率和精度不足。光学测量方法仅产生平面的二维轮廓信息，而高度尺寸只能通过阴影解析来推断。因此，由焊接装置执行的焊接路径仅近似于部件的二维轮廓。填料高度的确定由焊接操作者通过经验确定，或者由自动化焊接路径处理器通过估算获得部件规格中的高度尺寸所需的相邻层的数目来确定。在修理过程中，当部件的物理状况发生变化(例如热变形)、部件表面和焊接装置移动或错位、焊接路径被误导、或者产生焊接缺陷(例如孔隙和/或裂纹)时，传统的光学部件测量方法不能用作调整加工装置的反馈。除了之前确定的光学测量系统照明，分辨率和精度不足外，在焊接过程中，由于激光熔覆/焊接系统产生大量烟雾和很强的紫外线(UV)发射，因此无法获得可视图像。烟雾会使反射的光学摄像头光线发生散射，高强度的紫外线发射会使光学摄像头无法捕获可视图像。
[0011]美国专利5，504，303提出使用一种非接触激光轮廓测定仪来获得钻石表面的三维尺寸外形测量信息。然后把实测信息与所需的规格信息对比。随后使用烧蚀激光来切除被确定为比所需规格厚的表面部分。然后使用激光轮廓测定仪再次扫描被切割表面，以确定表面现在是否符合所需的厚度规格。切割和扫描依次重复，直到表面符合所需的规格。在该专利中还声称，所述轮廓测定仪和烧蚀系统可利用普通激光装置。
[0012]因此，业界需要一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能够实时获取部件尺寸数据，把获得的尺寸数据与规格尺寸数据对比，并确定焊接模式，以按照既定的焊接模式形成部件表面，从而根据在焊接过程中发生的瞬时变化动态确定和调整焊接模式。这种瞬时变化的例子包括但不局限于在焊接过程中发生部件热变形、部件表面和焊接装置移动和/或错位、焊接路径被误导、或者产生焊接缺陷(例如孔隙和/或裂纹)。
[0013]业界还需要一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能实时地执行后续的焊后部件表面测量，并确定焊后表面测量数据是否与所需的规格尺寸数据和/或焊接质量相符(例如，焊接表面没有孔隙和/或微裂纹)。为了满足这种需求，该系统或方法优选在实时反馈回路中结合有焊后测量和/或检测功能，以动态调整焊接过程，从而形成符合所需规格的焊接表面。
[0014]业界还需要一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能够实时或连续地获取尺寸数据，把获得的尺寸数据与规格数据对比，确定用于按照既定的焊接模式形成部件表面的焊接路径和焊接过程，并通过从焊接激光器向填料和基底传递光能来进行焊接，该光能把填料作为填料层熔合到基底上，而不会导致基底发生热老化。为了满足这种避免热老化的需求，所述系统或方法优选根据部件表面拓扑改变光能的传递。
[0015]业界还需要一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能随着激光焊接过程的进行实时或连续地获取尺寸数据，而不受激光焊接过程中产生的烟气状况和/或紫外线发射的影响。
【发明内容】
[0016]相应地，本发明目的之一是产生一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能够实时获取部件尺寸数据，把获得的尺寸数据与规格尺寸数据对比，并确定焊接模式，以按照既定的焊接模式形成部件表面，从而根据在焊接过程中发生的瞬时变化动态确定和调整焊接模式。这种瞬时变化的例子包括但不局限于在焊接过程中发生部件热变形、部件表面和焊接装置移动和/或错位、焊接路径被误导、或者产生焊接缺陷(例如孔隙和/或裂纹)。
[0017]本发明之另一目的是产生一种涡轮机部件激光熔覆系统或方法，该系统或方法能实时地执行后续的焊后部件表面测量，并确定焊后表面测量数据是否与所需的规格尺寸数据和/或焊接质量相符(例如，焊接表面没有孔隙和/或微裂纹)。这种系统或方法优选在实时反馈回路中结合有焊后测量和/或检测功能，以动态调整焊接过程，从