用于有三維成像焊接路徑控制的自動高溫合金激光熔覆的方法
【專利說明】用于有三維成像焊接路徑控制的自動高溫合金激光熔覆的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年9月12日提交的分配序列號為13/611，034的題名“SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSAFER COMPENSAT1N”的共同擁有的、共同未決的美國發(fā)明專利申請；于2012年9月12日提交的分配序列號為13/611，144 的題名“LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUT1N APPARATUS”的美國發(fā)明專利申請；以及同時提交的序列號為13/936,482的案卷號為2013P02372US的題名 “AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING SYSTEM WITH 3D IMAGING WELD PATHCONTROL”的美國發(fā)明專利申請的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請均通過引用并入本文。
技術(shù)領域
[0003]本發(fā)明涉及通過激光束焊接來熔覆高溫合金部件的系統(tǒng)或方法，所述部件是諸如服務降級的(service-degraded)禍輪葉片和輪葉。通過對部件進行預先，優(yōu)選實時的，非接觸式三維尺寸掃描并且將獲得的尺寸數(shù)據(jù)與部件的規(guī)范尺寸數(shù)據(jù)進行比較來確定焊接/熔覆路徑。確定用于熔覆被掃描部件以使其尺寸符合規(guī)范尺寸數(shù)據(jù)的焊接路徑。激光焊接裝置優(yōu)選地與熔覆填料分配裝置協(xié)作，執(zhí)行焊接路徑。在一些實施例中，執(zhí)行對焊接部件的焊后非接觸式三維尺寸掃描，并且比較焊后掃描尺寸數(shù)據(jù)與規(guī)范尺寸數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，焊接路徑和/或熔覆施加在有焊前和/或焊后三維尺寸掃描的反饋回路中修改。
【背景技術(shù)】
[0004]燃氣輪機或其他高溫合金部件的“結(jié)構(gòu)”修復一般被認為是以匹配的合金材料更換受損的材料，并實現(xiàn)接近原始制造部件規(guī)范的諸如強度的性能(例如，原規(guī)范極限拉伸強度的至少百分之七十)。例如，優(yōu)選的是，在已經(jīng)遭受表面裂紋的渦輪葉片上執(zhí)行結(jié)構(gòu)修復，使得進一步開裂的風險降低，并且葉片恢復到原來的材料結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)范。
[0005]由于成品葉片材料的冶金特性，用于制造諸如渦輪葉片的渦輪機部件的鎳基和鈷基高溫合金材料的修復是挑戰(zhàn)性的。成品渦輪葉片合金通常在鑄造后熱處理過程中被加強，這使它們難以進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)焊接。當這樣的高溫合金材料構(gòu)成的葉片用相同或類似合金的填料金屬焊接時，葉片在焊接處內(nèi)和靠近焊接處易于遭受固化(又名液化)開裂，和/或在旨在恢復與新部件可比的高溫合金原始強度和其他材料性能的后續(xù)熱處理過程中，易于遭受應變時效(又名再加熱)開裂。
[0006]一種已知的高溫合金接合和修復方法是激光束焊接，也被稱為激光束微熔覆，所述方法試圖熔融高溫合金填料而不使在下面的高溫合金基底熱退化。與高溫合金基底材料兼容或相同的高溫合金填料(通常是粉末狀填料)在焊接之前預先放置在基底表面上，或在熔覆過程中與加壓氣體一起通過通道噴灑在表面上。由固定光學激光(即，除了相對平移外，激光和基底在激光束施加期間具有固定的相對取向)產(chǎn)生的“光斑”區(qū)域的聚焦激光光能液化填料，并充分地加熱基底表面以促進填料和基底材料的良好聚結(jié)，其隨后固化為在基底表面上的熔覆沉積層。相比于其他已知的傳統(tǒng)焊接工藝，激光束微熔覆是熱輸入較低的工藝，其對于基底熔化有相對較好的控制，并且有降低導致前述凝固開裂的傾向的快速凝固。在激光焊接/涂覆期間到高溫合金基底的較低熱輸入也最小化了殘余應力，否則可能會易于遭受前述的焊后熱處理應變時效開裂。雖然激光熔覆焊接具有超出傳統(tǒng)地形成的焊接的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，實際制造和修復現(xiàn)實需要比可通過任何單次施加的熔覆沉積填補的更大的熔覆表面面積和/或體積覆蓋。
[0007]為了滿足對高溫合金部件的添加體積的需求，在基底上的激光熔覆沉積可由鄰接的固化恪覆操作(clad passes)的單維或二維陣列來形成。多次激光焊接恪覆操作和恪覆層可以在自動控制下施加以構(gòu)建表面尺寸體積。創(chuàng)建激光熔覆沉積陣列經(jīng)常在沉積的材料中并且在熱影響區(qū)材料之下的基底中導致微裂紋和缺陷。一些缺陷與局部激光光能的熱輸入不足時常見的欠熔合(LoF)相關。諸如渦輪葉片的基底經(jīng)常需要用等效體積的高溫合金填料填充葉片基底材料丟失體積的結(jié)構(gòu)修復，以便恢復所述葉片的原始結(jié)構(gòu)尺寸。在已知的激光熔覆技術(shù)中，丟失的葉片基底體積是用單獨施加的激光熔覆沉積或操作的二維填料焊接陣列填充的。在單個沉積形成后，激光束聚焦位置和基底表面在自動控制下相對彼此移動以焊接下一沉積，所述沉積類似于一系列鄰接、重疊的凸塊或點。在已知的多維填料沉積設備中，或者是填料顆粒(通常為粉末形式)層被預先放置在基底表面上的層中，或者是通過加壓氣體供給噴頭導向到激光“光斑”投影位置上。
[0008]高溫合金渦輪部件基底的自動或半自動激光焊接修復為了跟蹤目的需要限定每個部分的幾何形狀，以使激光熔覆路徑在部件的期望表面部分上施加固化沉積。部件測得的實際幾何輪廓信息與需要的部件規(guī)范幾何輪廓信息進行比較。所述比較確定部件需要固化填料的不夠大的表面部分。帶著新填充的部分將達到或超過所需規(guī)范尺寸的期望，比較信息用于編程激光熔覆和焊接路徑。如果焊接部件的新填充部分仍然不夠大，部件必須以第二焊接路徑重新測量并重新焊接。在施加一個或多個焊接路徑后，焊接的部件被檢查焊接質(zhì)量。焊接過程之后剩余的或在焊接過程中產(chǎn)生的空隙或裂紋可能使得部件不適于使用，在這種情況下，先前的焊接工作和費用被浪費了。如果焊后檢查表明零件是可使用的，任何焊后多余的材料通過已知的金屬加工工藝去除。
[0009]在已知的焊接工藝中，部件或部分的輪廓幾何信息通常在修復處理之前由攝像機收集，并通過對比測量限定。一種光學攝像機，其可以是自動焊接系統(tǒng)的機器視覺子系統(tǒng)，捕獲渦輪部件輪廓的視覺圖像。光學對比用于限定部件輪廓或足跡(outline orfootprint) ο利用光學地限定的部件輪廓和部件所需的尺寸規(guī)范輪廓，自動焊接系統(tǒng)創(chuàng)建部件與焊點之間的相對運動(即，在控制工作臺上的零件運動，或焊接儀器的運動，或兩者)的焊接路徑。執(zhí)行焊接路徑的焊接系統(tǒng)熔覆部件表面，以填補通過光學攝像系統(tǒng)獲得的實際限定輪廓尺寸與規(guī)范尺寸之間的丟失體積。
[0010]限定修復部件的幾何形狀和輪廓的傳統(tǒng)光學方法需要專門的照明零件(specialized part illuminat1n)并且缺乏分辨率和精度。光學測量方法只能生成平面二維輪廓信息，高度尺寸實際上只能通過陰影分辨推斷。由此，通過焊接裝置執(zhí)行的焊接路徑只能接近部件的二維輪廓。填料高度決定是由焊接操作者或自動焊接路徑處理器通過估計為了獲得部件規(guī)范高度尺寸所需的連續(xù)層數(shù)量而經(jīng)驗地確定的。在修復過程中，在部件物理狀況發(fā)生變化(例如，熱變形)，部件表面與焊接的錯位、移動，誤導的焊接路徑，或裝置焊接缺陷(例如，空隙和/或裂紋)產(chǎn)生的情況下，傳統(tǒng)光學部件測量方法在修復過程中不能用作調(diào)整處理儀器的反饋。除先前確定的光學測量系統(tǒng)的照明、分辨率和精度的缺陷之外，它們不能穿透在焊接過程中由激光熔覆/焊接系統(tǒng)產(chǎn)生的煙霧和高強度紫外(UV)輻射而獲得視覺圖像。煙霧散射所反射的光學攝像機照明，而高強度紫外輻射壓制了光學攝像機捕捉視覺圖像的能力。
[0011]美國專利N0.5，504，303提出了使用非接觸式激光輪廓儀獲得金剛石表面的三維尺寸形貌測量信息。測得的信息與所需的規(guī)范信息進行比較。接著，燒蝕激光切割相比所需規(guī)范被確定為太厚的表面部分。切割后的表面隨后用激光輪廓儀重新進行掃描以確定表面現(xiàn)在是否滿足所需的厚度規(guī)范。切割和掃描被連續(xù)地重復，直到表面符合所需規(guī)范。在所述專利中進一步指出的是，所述輪廓儀和燒蝕系統(tǒng)可以利用共有的激光設備。
[0012]由此，在本領域中存在對渦輪部件激光熔覆系統(tǒng)或方法的需求，所述系統(tǒng)或方法實時地獲取部件尺寸數(shù)據(jù)，將所獲取的尺寸數(shù)據(jù)與規(guī)范尺寸數(shù)據(jù)比較，并確定焊接樣式以構(gòu)建符合于所確定焊接樣式的部件表面，使得所述焊接樣式是動態(tài)地確定的，并響應于在焊接過程中發(fā)生的瞬時變化而進行調(diào)整。這樣的瞬時變化的例子包括但不限于在焊接過程中的部件熱變形、部件表面與所述焊接裝置的移動和/或錯位、被誤導的焊接路徑，或焊接缺陷(例如，空隙和/或裂紋)的產(chǎn)生。
[0013]在本領域存在對渦輪部件激光熔覆系統(tǒng)或方法的另一需求，所述系統(tǒng)或方法實時地執(zhí)行部件表面的后續(xù)焊后測量，并確定所述焊后表面的測量數(shù)據(jù)是否符合于所需規(guī)范尺寸數(shù)據(jù)，和/或焊接質(zhì)量(例如，在焊接表面中沒有空隙和/或微裂紋)。為了滿足這一需求，所述系統(tǒng)或方法優(yōu)選地將焊后測量和/或檢查結(jié)合到實時反饋回路內(nèi)，以動態(tài)地調(diào)整焊接工藝，從而使焊接表面與所需規(guī)范一致地形成。
[0014]在本領域存在對渦輪部件激光熔覆系統(tǒng)或方法的另外需求，所述系統(tǒng)或方法實時地或順序地獲得尺寸數(shù)據(jù)，將所獲取的尺寸數(shù)