基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法与装置制造方法
【专利摘要】基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法与装置，采用感应加热装置对基材近修复区进行加热形成高温区，加热速度快、加热温度范围大、热源均匀稳定；采用多管路保护气体风吹冷却，安装方便，操作简单，稳定性好；保护气体采用高纯氩气，对修复区形成惰性气体保护氛围，防止钛合金等材料激光修复时的高温氧化；采用耐高温柔性夹具夹持，安装简便，不易变形，保证基材预热沉积修复过程中夹持稳定，安全可靠；采用红外热像仪逐层或定层检测沉积修复层温度，适时调整感应加热器加热功率，实现基材近修复区温度和预置温度梯度的调控，在梯度温度场下完成损伤工件的激光沉积修复，可减小修复工件内部的温度梯度，减小工件内部局部应力集中，抑制工件变形开裂。
【专利说明】基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法与装置
[0001]【技术领域】:本发明涉及一种金属零件的修复方法和装置，尤其是一种基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法与装置。
[0002]【背景技术】:金属零件激光沉积修复技术是指:以激光为热源，以金属粉末为原材料，基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，修复具有三维形状的金属功能零件的技术，也称之为激光成形修复技术等；依此工艺流程来直接成形制造金属功能零件的技术被称为激光沉积成形技术，也称之为激光快速成形技术；可统称为金属零件激光沉积制造技术。由于它具有热输入能量可控以及柔性化制造的特点，使得这项技术特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料零件的修复和直接制造，可有效缩短新产品开发周期、降低开发费用和开发风险，近年来逐渐受到了国内外研究者及相关厂商的关注，并已在航空钛合金零部件的修复和成形制造领域得到初步应用；预计在未来的一个时期内，金属零件的激光沉积制造技术将得到飞速发展和广泛应用。
[0003]在金属零件激光沉积制造技术研究和工程化应用中，激光沉积制造过程中的工件变形开裂问题是激光沉积制造技术顺利发展和拓展应用的主要障碍；特别是在金属零件激光修复应用领域，由于待修复工件已处于机械加工阶段甚至是精加工阶段或是已服役的零件，加工余量小或没有加工余量，修复时要防止工件开裂，也不能发生工件变形，因为即使很小的变形量也将破坏工件结构的完整性；如何防止工件变形开裂更是激光修复技术实现拓展应用的一个亟待解决的关键问题。导致这个问题出现原因包括材料、设备、工艺等多方面的众多因素，但其主要原因在于激光光束局部加热，且沉积工件不同部位热传导和辐射条件不同，导致成形工件局部温度累积现象明显不同，造成成形工件内部温度场分布不均匀，局部产生内应力集中现象，进而引起成形工件变形开裂。
[0004]
【发明内容】
:针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法与装置。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复装置，包括激光同轴送粉头，柔性夹具，感应加热器，冷却管，工作台，热成像仪和感应加热装置。柔性夹具固定在工作台上。冷却管处于柔性夹具的中间，并处于工件下端。感应加热器处于冷却管的外周，并固定在损伤工件下端。激光同轴送粉头和热成像仪设置在损伤工件的上方。感应加热器与感应加热装置连接。
[0006]基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法，其具体实现步骤如下:
[0007](I)将损伤工件的修复区域机械加工成规则化的圆形或矩形等形状，根据修复区尺寸设计制造对应尺寸的感应加热器，并与感应加热装置连接。
[0008](2)将损伤工件采用柔性夹具夹持，夹具在所夹持基材的下表面修复区和近修复区预留相应空间，确保感应加热器以及冷却管能够安装在相应位置实现高温加热和低温冷却。
[0009](3)将感应加热器定位在近修复区对应下表面处，在近修复区形成高温度区，感应加热装置与损伤工件随工作台共同移动；将冷却管从夹具下方接入并固定在基材修复区对应下方，通入惰性保护气体吹风冷却，在修复区下方形成冷却区。
[0010](4)预置温度场进行激光沉积:在激光沉积修复之前通过感应加热器将基材近修复区预热，预热温度可以通过加热装置输出功率进行调控，在修复区对应下方采用惰性保护气体冷却管进行吹风冷却，气体温度为液态转气态的温度，可根据实际情况调整气体流量将修复区温度控制在室温以下，形成低温度区；激光沉积过程中通过红外热像仪逐层或间隔几层检测沉积修复层温度，适时调整感应加热器加热功率，完成基材近修复区温度和预置温度梯度的调控，在此条件下实现损伤工件的激光沉积修复。
[0011]本发明具有如下优点:
[0012](I)采用感应加热装置对基材近修复区进行加热形成高温区，加热速度快、加热温度范围大、热源均匀稳定；感应加热器与感应加热源采用可拆卸连接，感应加热器规格尺寸可根据修复区形状尺寸来设计制造，制造工艺简单，经济实用，适应修复区形状尺寸多变的特点。
[0013](2)采用多管路保护气体风吹冷却，安装方便，操作简单，稳定性好；保护气体采用高纯氩气，对修复区形成惰性气体保护氛围，防止钛合金等材料激光修复时的高温氧化。
[0014](3)采用耐高温柔性夹具夹持，安装简便，不易变形，保证基材预热沉积修复过程中夹持稳定，安全可靠。
[0015](4)采用红外热像仪逐层或定层检测沉积修复层温度，适时调整感应加热器加热功率，实现基材近修复区温度和预置温度梯度的调控，在梯度温度场下完成损伤工件的激光沉积修复，可减小修复工件内部的温度梯度，减小工件内部局部应力集中，抑制工件变形开裂。
【专利附图】
【附图说明】:
[0016]图1是基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复装置的结构示意图。
[0017]图2是修复区的结构示意图。
[0018]图3是方形感应加热器与感应加热装置连接示意图。
[0019]图4是圆形感应加热器与感应加热装置连接示意图。
【具体实施方式】:
[0020]如图1所示:基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复装置，包括激光同轴送粉头1，柔性夹具4，感应加热器5，冷却管6，工作台7，热成像仪8和感应加热装置
9。柔性夹具4固定在工作台7上。冷却管6处于柔性夹具4的中间。感应加热器5处于冷却管6的外周，并固定在损伤工件3下端。激光同轴送粉头I和热成像仪8设置在损伤工件3的上方。感应加热器5与感应加热装置9连接。
[0021]如图2所示:基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法，其具体实现步骤如下:
[0022](I)修复区形状多种多样，先将损伤工件3的修复区2机械加工成规则化的圆形或矩形等形状，根据修复区2尺寸设计制造对应尺寸的感应加热器5，感应加热器5定位在近修复区10对应下表面，感应加热装置5与损伤工件3随工作台7共同移动。[0023](2)针对待修复基材尺寸形状设计制造尺寸可调的柔性夹具进行有效夹持，防止修复工件变形。将损伤工件3采用柔性夹具4进行有效夹持，夹具在所夹持基材的下表面修复区2和近修复区10预留相应空间，确保感应加热器5以及冷却管6能够安装在相应位置实现高温加热和低温冷却。
[0024](3)将感应加热器5定位在近修复区10对应下表面处，在近修复区10形成高温度区，感应加热装置与损伤工件3随工作台7共同移动；将入冷却管6从柔性夹具4下方接入并固定在基材修复区2对应下方，通入惰性保护气体吹风冷却，在修复区2下方形成冷却区11。
[0025](4)预置温度场进行激光沉积制造
[0026]在激光沉积修复之前通过感应加热器5将基材近修复区10预热，预热温度可调控在100-700°C之间，在修复区2对应下方采用惰性保护气体冷却管6进行吹风冷却，其温度可调控在0-20°C之间。激光沉积过程中通过红外热像仪8逐层(或间隔几层)检测沉积修复层温度，适时调整感应加热装置9加热功率，完成基材近修复区10温度和预置温度梯度的调控，在此条件下实现损伤工件3的激光沉积修复，可减小修复工件内部的温度梯度，减小工件内部局部应力集中，抑制工件变形开裂。
[0027]如图3和图4所示，根据不同的修复区形状，设计制造对应尺寸的感应加热器5，形状为方形、圆形等。
【权利要求】
1.基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复装置，其特征在于:包括激光同轴送粉头，柔性夹具，感应加热器，冷却管，工作台，热成像仪和感应加热装置；柔性夹具固定在工作台上，冷却管处于柔性夹具的中间，并处于工件下端，感应加热器处于冷却管的外周，并固定在损伤工件下端，激光同轴送粉头和热成像仪设置在损伤工件的上方，感应加热器与感应加热装置连接。
2.基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法，其具体实现步骤如下: (1)将损伤工件的修复区域机械加工成规则化的圆形或矩形等形状，根据修复区尺寸设计制造对应尺寸的感应加热器，并与感应加热装置连接； (2)将损伤工件采用柔性夹具夹持，夹具在所夹持基材的下表面修复区和近修复区预留相应空间，确保感应加热器以及冷却管能够安装在相应位置实现高温加热和低温冷却； (3)将感应加热器定位在近修复区对应下表面处，在近修复区形成高温度区，感应加热装置与损伤工件随工作台共同移动；将冷却管从夹具下方接入并固定在基材修复区对应下方，通入惰性保护气体吹风冷却，在修复区下方形成冷却区； (4)预置温度场进行激光沉积:在激光沉积修复之前通过感应加热器将基材近修复区预热，预热温度通过加热装置输出功率进行调控，在修复区对应下方采用惰性保护气体冷却管进行吹风冷却，气体温度为液态转气态的温度，调整气体流量将修复区温度控制在室温以下，形成低温度区；激光沉积过程中通过红外热像仪逐层或间隔几层检测沉积修复层温度，适时调整感应加热器加热功率，完成基材近修复区温度和预置温度梯度的调控，在此条件下实现损伤工件的激光沉积修复。
3.如权利要求2所述的基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法，其特征在于:所述的预热温度可调控在100-700°C之间。
4.如权利要求2所述的基于预置梯度温度场调控的金属零件激光沉积修复方法，其特征在于:所述的预低温度区其温度可调控在0-20°C之间。
【文档编号】C23C24/10GK103624259SQ201310665362
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】卞宏友, 韩双隆, 杨光, 王维, 钦兰云, 范钦春, 崔宝磊, 尚纯 申请人:沈阳航空航天大学