一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置，涉及一種金屬表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置。修復(fù)方法采用激光加熱光路和觀察光路構(gòu)成同軸光路，用圖像采集裝置和距離傳感器檢測裂紋，用溫度傳感器實時監(jiān)測裂紋修復(fù)區(qū)的溫度，用激光器加熱、修復(fù)裂紋。修復(fù)裝置整體外形采用槍型結(jié)構(gòu)，包括槍體、檢測系統(tǒng)和送粉裝置三個部分，該裝置集裂紋定位、修復(fù)激光束和送粉于一體。該裝置外形尺寸小、輕便，使用時不受裂紋形狀、位置的限制，修復(fù)過程對母材損傷小。修復(fù)方法可以快速精準(zhǔn)地確定微小裂紋的位置并進行修復(fù)，尤其適用于受缺陷空間位置限制，常規(guī)激光修復(fù)方法無法實施的特殊位置微小及不規(guī)則裂紋的原位修復(fù)。
【專利說明】一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬結(jié)構(gòu)件缺陷修復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種金屬表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬結(jié)構(gòu)件在制造和服役過程中不可避免產(chǎn)生各種微觀裂紋，例如焊接裂紋、熱處理裂紋、磨削裂紋、電加工裂紋、電火花裂紋、金屬疲勞裂紋、激光熔覆裂紋等，隨著服役時間的增加，微觀裂紋不斷擴展，造成機械零件的失效，甚至導(dǎo)致突發(fā)性災(zāi)難性事故，給國家和人民財產(chǎn)造成巨大損失。由于微觀裂紋的早期擴展多發(fā)生在局部范圍，因此對尚未達到設(shè)計壽命的金屬結(jié)構(gòu)件、特別是重大機械裝備零部件的局部微小裂紋的早期修復(fù)，對于節(jié)省資源，延長裝備的壽命尤為重要。
[0003]目前，金屬結(jié)構(gòu)件裂紋修復(fù)方法主要有常規(guī)焊接技術(shù)和基于激光技術(shù)的激光填料焊接和激光熔覆技術(shù)等。采用常規(guī)焊接技術(shù)多使用焊槍，如申請?zhí)枮镃N90222738的“便攜式焊槍”和申請?zhí)枮镃N89203471的“雙嘴便攜式焊槍”，進行裂紋缺陷部位的手工補焊。由于修復(fù)過程中完全需要操作者根據(jù)經(jīng)驗判斷修復(fù)的位置、時機、修復(fù)時間長短和參數(shù)，修復(fù)質(zhì)量難以控制。采用基于激光技術(shù)的激光填料焊接和激光熔覆技術(shù)，如汪定江等“基于激光熔覆技術(shù)的航空發(fā)動機渦輪葉片裂紋修復(fù)新工藝”，新技術(shù)新工藝，2010，(8):72-74。雖然修復(fù)質(zhì)量得到充分保證，然而現(xiàn)有的激光焊接和激光熔覆設(shè)備體積龐大，需要復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動部件，設(shè)備成本高；而且激光焊接和激光熔覆設(shè)備通常針對一種或一類工件根據(jù)特定的編程路徑進行修復(fù)，通用性差，修復(fù)位置受限，無法實施現(xiàn)場不規(guī)則裂紋的修復(fù)，修復(fù)質(zhì)量差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置，該裝置集裂紋定位、修復(fù)激光束和送粉于一體，可以快速精準(zhǔn)地確定微小裂紋的位置并進行修復(fù)，尤其適用于受缺陷空間位置限制，常規(guī)激光修復(fù)方法無法實施的特殊位置微小及不規(guī)則裂紋的原位修復(fù)。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法和裝置，該修復(fù)方法采用激光加熱光路和觀察光路構(gòu)成同軸光路，用圖像采集裝置和距離傳感器檢測裂紋，用溫度傳感器實時監(jiān)測裂紋修復(fù)區(qū)的溫度，用激光器加熱、修復(fù)裂紋，修復(fù)方法分為檢測和修復(fù)兩個步驟，檢測步驟為:由CCD工業(yè)相機和同軸光學(xué)回路構(gòu)成圖像采集裝置，采集并放大圖像信號以確定金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋的位置；由距離傳感器檢測裂紋修復(fù)裝置的噴嘴到裂紋的距離，當(dāng)該距離在設(shè)定的激光透鏡焦段范圍內(nèi)時，開啟激光器，加熱待修復(fù)裂紋區(qū)；由溫度傳感器實時監(jiān)測裂紋修復(fù)區(qū)的溫度，直至激光加熱溫度達到材料的軟化點；修復(fù)步驟為:當(dāng)激光加熱裂紋修復(fù)區(qū)溫度到達材料軟化點后開啟空氣壓縮機，以一定的高壓氣體將儲粉罐中的金屬粉末輸送至裂紋修復(fù)區(qū)，并由流量計控制金屬粉末輸送量；在修復(fù)過程最后采用氣動活塞驅(qū)動頂桿擊打并壓實噴涂在修復(fù)區(qū)域的材料，保證添加在裂紋處的材料與被修復(fù)零件母材充分結(jié)合，提高修復(fù)可靠性和修復(fù)質(zhì)量。
[0006]采用上述技術(shù)進行裂紋修復(fù)，使用的修復(fù)裝置的整體外形為槍型結(jié)構(gòu)，包括槍體、檢測系統(tǒng)和送粉裝置三個部分:在槍體中，激光聚焦模塊10的一端與激光輸入端11相連，另一端與L形的第二連接器9相連；從所述的激光聚焦模塊10自左至右依次安裝有第一激光聚焦固定環(huán)26，準(zhǔn)直鏡27，第二激光聚焦固定環(huán)28，聚焦鏡29，第三激光聚焦固定環(huán)30 ；在L形的第二連接器9和L形的第一連接器5之間安裝雙色鏡8，并使其與激光光軸00’的夾角為45° ;噴嘴I的左端通過定位凸臺安裝在第一連接器5上；連接器上連接板7安裝在第一連接器5和第二連接器9上方，連接器上連接板7上安裝有氣缸支架6和氣缸4 ;連接器下連接板24安裝在第一連接器5和第二連接器9下方，并通過螺釘23將手柄22連接在槍體上；噴嘴I上開有噴嘴口 a、頂桿通道C、溫度傳感器通道e和送粉通道b與d，且上述通道相交于光軸上同一點；右主外殼40和左主外殼41安裝在上述裝配后的整體結(jié)構(gòu)外面，前蓋2和后蓋12分別安裝在右主外殼40和左主外殼41的前端和后端；激光加熱光路由激光輸入端11，激光聚焦模塊10，雙色鏡8和噴嘴I構(gòu)成；
[0007]在檢測系統(tǒng)中，觀察光路由噴嘴1、雙色鏡8、反射通道38、反射鏡21、CXD放大鏡頭組32和CXD工業(yè)相機31構(gòu)成，觀察光路和激光加熱光路構(gòu)成同軸光路；距離傳感器25安裝在噴嘴I的下方；溫度傳感器39通過噴嘴I的溫度傳感器通道e安裝在噴嘴I的右方；反射通道38 —端安裝在第一連接器5左方，另一端與上反射鏡盒19和下反射鏡盒20相連，反射鏡21安裝在上反射鏡盒19和下反射鏡盒20之間，與激光光軸00’的夾角為45° ;CCD放大鏡頭組32的一端通過定位凹槽與上反射鏡盒19和下反射鏡盒20連接，CCD放大鏡頭組32的另一端通過螺紋與CXD工業(yè)相機31連接；在CXD放大鏡頭組32內(nèi)自右至左依次安裝有第一相機放大透鏡固定環(huán)37,第一相機放大透鏡36,第二相機放大透鏡固定環(huán)35,第二相機放大透鏡34，第三相機放大透鏡固定環(huán)33 ;大L形的側(cè)外殼上17和側(cè)外殼下18上下安裝在CXD工業(yè)相機31、CXD放大鏡頭組32、上反射鏡盒19、下反射鏡盒20和反射通道38的外部，并通過螺釘連接在一起；
[0008]送粉裝置中，位于激光聚焦模塊10兩側(cè)的儲粉罐14的兩端分別接有送氣管13和流量計15 ;送粉管16的一端與流量計15連接，另一端穿過噴嘴I中的送粉通道b與d送粉；儲粉罐設(shè)計在修復(fù)裝置中，減少了金屬粉末的沿途損失，避免了金屬粉末的浪費。
[0009]噴嘴I采用氮化硅材料，整個噴嘴設(shè)計成一個整體，上面開有頂桿通道C、溫度傳感器通道e和送粉通道b與d，且上述通道相交于光軸上同一點；頂桿3通過頂桿通道c進行導(dǎo)向和支撐，能夠準(zhǔn)確打擊修復(fù)部位，以保證金屬粉末在裂紋修復(fù)處與零件母材充分結(jié)合，提高修復(fù)可靠性；由激光輸入端11，激光聚焦模塊10，雙色鏡8和噴嘴I組成的激光加熱光路與由噴嘴1、雙色鏡8、反射通道38、反射鏡21、CXD放大鏡頭組32和CXD工業(yè)相機31組成的裂紋觀察光路構(gòu)成同軸光路。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:裝置的整體外形采用槍型結(jié)構(gòu)具有靈活性和便攜性；采用基于CCD工業(yè)相機的同軸光學(xué)放大系統(tǒng)，可快速準(zhǔn)確確定微小裂紋的位置；采用溫度傳感器、距離傳感器和流量計實時測量裂紋修復(fù)過程中裂紋修復(fù)中心溫度、工件到噴嘴的距離和金屬粉末輸送量等參數(shù)，建立傳感器與計算機之間的通信，方便修復(fù)質(zhì)量的控制；儲粉罐設(shè)計在修復(fù)裝置中，減少了金屬粉末的沿途損失；在修復(fù)過程最后采用氣動活塞驅(qū)動頂桿以壓實噴涂在修復(fù)區(qū)域的材料，可保證添加在裂紋處的材料與被修復(fù)零件母材充分結(jié)合，提高修復(fù)可靠性和修復(fù)質(zhì)量。該修復(fù)裝置外形尺寸小、輕便，使用時不受裂紋形狀、位置的限制，修復(fù)過程對母材損傷小，可實現(xiàn)裂紋的快速、等強度與原位修復(fù)，修復(fù)過程經(jīng)濟環(huán)保。對于金屬結(jié)構(gòu)件表面裂紋的修復(fù)和延長其壽命具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)三維視圖。
[0012]圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)A-A視圖。
[0013]圖3為H向噴嘴端面視圖。
[0014]圖4為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)B-B視圖。
[0015]圖中:1.噴嘴，2.前蓋，3.頂桿，4.氣缸，5.第一連接器，6.氣缸支架，7.連接器上連接板，8.雙色鏡，9.第二連接器，10.激光聚焦模塊，11.激光輸入端，12.后蓋，13.送氣管，14.儲粉罐，15.流量計，16.送粉管，17.側(cè)外殼上，18.側(cè)外殼下，19.上反射鏡盒，
20.下反射鏡盒，21.反射鏡，22.手柄，23.螺釘，24.連接器下連接板，25.距離傳感器，26.第一激光聚焦固定環(huán)，27.準(zhǔn)直鏡，28.第二激光聚焦固定環(huán)，29.聚焦鏡，30.第三激光聚焦固定環(huán)，31.C⑶工業(yè)相機，32.CXD放大鏡頭組，33.第三相機放大透鏡固定環(huán)，34.第二相機放大透鏡，35.第二相機放大透鏡固定環(huán),36.第一相機放大透鏡,37.第一相機放大透鏡固定環(huán)，38.反射通道，39.溫度傳感器，40.右主外殼，41.左主外殼。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施。
[0017]整個裝置的工作流程是:首先操作人員手持該裝置與修復(fù)表面保持垂直，通過觀察計算機顯示屏顯示的圖像，移動該裝置找到裂紋位置；再調(diào)節(jié)噴嘴I到工件的距離，當(dāng)距離傳感器25檢測的距離在激光透鏡設(shè)定的焦段范圍內(nèi)時，啟動激光器，激光經(jīng)過激光聚焦模塊10和雙色鏡8投射到工件表面對裂紋修復(fù)處進行加熱；同時用溫度傳感器39實時監(jiān)測裂紋修復(fù)中心溫度，當(dāng)溫度達到材料軟化點時，啟動空氣壓縮機，向裂紋修復(fù)處輸送金屬粉末，并用流量計15測量送粉量至預(yù)先設(shè)定值；修復(fù)結(jié)束后，空氣壓縮機送氣使頂桿3彈出，以一定力量擊打裂紋修復(fù)部位以保證裂紋處添加材料與零件母材充分結(jié)合，保證修復(fù)質(zhì)量。
[0018]如圖1所示，修復(fù)裝置激光輸入端11通過光纖與連續(xù)激光器相連。如圖2和4所示，裂紋修復(fù)裝置的中軸線00’為修復(fù)所用激光經(jīng)過的路線；由激光輸入端11，激光聚焦模塊10，雙色鏡8和噴嘴I組成的激光加熱光路與由噴嘴1、雙色鏡8、反射通道38、反射鏡
21、CXD放大鏡頭組32和CXD工業(yè)相機31組成的裂紋觀察光路構(gòu)成同軸光路。激光束通過激光聚焦模塊10聚焦于一點，并通過噴嘴I上的噴嘴口 a射出后照射在工件表面待修復(fù)裂紋處，對待修復(fù)裂紋區(qū)域進行加熱；雙色鏡8具有讓特定波長光線通過的特殊性能，即允許激光光束透過后仍以原來的路線傳播；裂紋處的反射光經(jīng)噴嘴I上的噴嘴口 a進入后經(jīng)45°雙色鏡8反射改變方向而進入左邊的反射通道38，再經(jīng)過45°反射鏡21進入C⑶放大鏡頭組32和位于后部的CXD工業(yè)相機31，采集到的圖像將被傳入計算機并進行處理，操作人員便可觀察到裂紋位置及相關(guān)信息。工作時操作人員手持該裝置保持垂直，通過觀察顯示屏顯示圖像的移動，即可找到裂紋位置并進行修復(fù)。
[0019]如圖3和4所示，在激光對裂紋表面進行加熱過程中，采用安裝在噴嘴I溫度傳感器通道e內(nèi)的溫度傳感器39實時監(jiān)測裂紋修復(fù)中心溫度，當(dāng)溫度達到材料軟化點時，啟動空氣壓縮機，向裂紋修復(fù)處輸送金屬粉末，并用流量計15測量送粉量至預(yù)先設(shè)定值；如圖2和3所示，修復(fù)結(jié)束后，空氣壓縮機送氣使頂桿3從噴嘴I中頂桿通道c彈出，以一定力量擊打裂紋修復(fù)部位以保證裂紋處添加材料與零件母材充分結(jié)合，從而保證修復(fù)質(zhì)量。
[0020]微小裂紋修復(fù)裝置包括一套送粉裝置，如圖1和3所示，位于激光聚焦模塊10兩側(cè)的儲粉罐14內(nèi)裝有與含裂紋零件材料相同的金屬粉末。送粉時空氣壓縮機的高速輸出氣流通過送氣管13將儲粉罐14中的定量粉末帶出罐體，金屬粉末和氣體的混合氣經(jīng)過流量計15進入送粉管16，由送粉管16穿過噴嘴I的送粉通道b與d送粉到激光束焦點處，儲粉罐設(shè)計在修復(fù)裝置中，可減少金屬粉末的沿途損失，避免金屬粉末的浪費。
[0021 ] 如圖1和4所示，第一連接器5和第二連接器9是將裝置連成一體的關(guān)鍵，第一連接器5和第二連接器9沿對角線分成兩部分:第一連接器5和第二連接器9中間安裝雙色鏡8。由于沿對角線分為兩部分后不利于組裝定位，因此在第一連接器5和第二連接器9的上下表面各設(shè)置一個正方形的凸臺，并設(shè)計了連接器上連接板7和連接器下連接板24來對連接器的兩個凸臺部分進行定位和固定。連接器上連接板7 —面設(shè)計有與連接器相配合的正方形凹坑，對第一連接器5和第二連接器9進行定位，并通過螺釘連接對連接器進行緊固；另一面是長條形凸臺，方便與氣缸支架6進行定位；同理，連接器下連接板24通過螺釘與手柄22連接。第一連接器5和第二連接器9側(cè)面分別為與噴嘴1、反射通道38以及激光聚焦模塊10連接的接口。接口主要由兩部分構(gòu)成，分別為定位用的環(huán)形凸臺和緊固用的螺紋孔。通過凸臺外側(cè)的圓環(huán)面與噴嘴等零件的環(huán)狀定位表面相配合。
[0022]該發(fā)明集裂紋定位、修復(fù)激光束和送粉于一體，可以快速精準(zhǔn)地確定微小裂紋的位置并進行修復(fù)，尤其適用于受缺陷空間位置限制，常規(guī)激光修復(fù)方法無法實施的大型裝備中特殊位置微小及不規(guī)則裂紋的原位修復(fù)，而且修復(fù)過程對母材損傷小，經(jīng)濟環(huán)保，將有助于延長大型裝備的壽命，節(jié)約資源。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法，其特征在于，該修復(fù)方法采用激光加熱光路和觀察光路構(gòu)成同軸光路，用圖像采集裝置和距離傳感器檢測裂紋，用溫度傳感器實時監(jiān)測裂紋修復(fù)區(qū)的溫度，用激光器加熱、修復(fù)裂紋；修復(fù)方法分為檢測和修復(fù)兩個步驟，具體步驟如下: 檢測步驟: (1)由CCD工業(yè)相機和同軸光學(xué)回路構(gòu)成圖像采集裝置，采集并放大圖像信號以確定金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋的位置； (2)由距離傳感器檢測裂紋修復(fù)裝置的噴嘴到裂紋的距離，當(dāng)該距離在設(shè)定的激光透鏡焦段范圍內(nèi)時，開啟激光器，加熱待修復(fù)裂紋區(qū)； (3)由溫度傳感器實時監(jiān)測裂紋修復(fù)區(qū)的溫度，直至激光加熱溫度達到材料的軟化占.修復(fù)步驟: (1)激光加熱裂紋修復(fù)區(qū)溫度到達材料軟化點后開啟空氣壓縮機，以一定的高壓氣體將儲粉罐中的金屬粉末輸送至裂紋修復(fù)區(qū)，并由流量計控制金屬粉末輸送量； (2)在修復(fù)過程最后采用氣動活塞驅(qū)動頂桿擊打并壓實噴涂在修復(fù)區(qū)域的材料，保證添加在裂紋處的材料與被修復(fù)零件母材充分結(jié)合。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法，其特征在于，該方法采用的裝置整體外形采用槍型結(jié)構(gòu)，包括槍體、檢測系統(tǒng)和送粉裝置三個部分； 在槍體中，激光聚焦模塊(10)的一端與激光輸入端(11)相連，另一端與L形的第二連接器(9)相連；在所述的激光聚焦模塊(10)中自左至右依次安裝有第一激光聚焦固定環(huán)(26)，準(zhǔn)直鏡(27)，第二激光聚焦固定環(huán)(28)，聚焦鏡(29)，第三激光聚焦固定環(huán)(30)；在L形的第二連接器(9)和L形的第一連接器(5)之間安裝雙色鏡(8)，并使其與激光光軸00’的夾角為45° ;噴嘴(1)的左端通過定位凸臺安裝在第一連接器(5)上；連接器上連接板(7)安裝在第一連接器(5)和第二連接器(9)上方，連接器上連接板(7)上安裝有氣缸支架(6)和氣缸(4);連接器下連接板(24)安裝在第一連接器(5)和第二連接器(9)下方，并通過螺釘(23)將手柄(22)連接在槍體上；噴嘴(1)上開有噴嘴口(a)、頂桿通道(C)、溫度傳感器通道(e)和送粉通道(b)與(d)，且上述通道相交于光軸上同一點；右主外殼(40)和左主外殼(41)安裝在上述裝配后的整體結(jié)構(gòu)外面，前蓋(2)和后蓋(12)分別安裝在右主外殼(40)和左主外殼(41)的前端和后端；激光加熱光路由激光輸入端(11)，激光聚焦模塊(10)，雙色鏡(8)和噴嘴(1)構(gòu)成； 在檢測系統(tǒng)中，觀察光路由噴嘴(1)、雙色鏡(8)、反射通道(38)、反射鏡(21)、CCD放大鏡頭組(32)和CCD工業(yè)相機(31)構(gòu)成，觀察光路和激光加熱光路構(gòu)成同軸光路；距離傳感器(25)安裝在噴嘴⑴的下方；溫度傳感器(39)通過噴嘴⑴的溫度傳感器通道(e)安裝在噴嘴(I)的右方；反射通道(38) —端安裝在第一連接器(5)左方，另一端與上反射鏡盒(19)和下反射鏡盒(20)相連，反射鏡(21)安裝在上反射鏡盒(19)和下反射鏡盒(20)之間，與激光光軸00’的夾角為45° ;C⑶放大鏡頭組(32)的一端通過定位凹槽與上反射鏡盒(19)和下反射鏡盒(20)連接，CCD放大鏡頭組(32)的另一端通過螺紋與CCD工業(yè)相機(31)連接；在C⑶放大鏡頭組(32)內(nèi)自右至左依次安裝有第一相機放大透鏡固定環(huán)(37),第一相機放大透鏡(36),第二相機放大透鏡固定環(huán)(35),第二相機放大透鏡(34),第三相機放大透鏡固定環(huán)(33);大L形的側(cè)外殼上(17)和側(cè)外殼下(18)上下安裝在CCD工業(yè)相機(31)、CCD放大鏡頭組(32)、上反射鏡盒(19)、下反射鏡盒(20)和反射通道(38)的外部，并通過螺釘連接在一起； 在送粉裝置中，位于激光聚焦模塊(10)兩側(cè)的儲粉罐(14)的兩端分別接有送氣管(13)和流量計(15);送粉管(16)的一端與流量計(15)連接，另一端穿過噴嘴(I)中的送粉通道(b)與⑷送粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬結(jié)構(gòu)件表面微小裂紋修復(fù)方法，其特征在于，該方法采用的裝置中，噴嘴(I)采用氮化硅材料，整個噴嘴制成一個整體，噴嘴(I)上開有頂桿通道( C)、溫度傳感器通道(e)和送粉通道(b)與(d)，且上述通道相交于光軸上同一點。
【文檔編號】B23K26/03GK103978310SQ201410191284
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】蔣瑋, 曾慶團, 裴斐, 徐莘博, 瑞子萬 申請人:大連理工大學(xué)