[发明专利]一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置

说明书

本发明提出了一种薄壁结构超快脉冲激光‑冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统和控制模块，还包括超短脉冲激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于所述运动系统上，所述运动系统用于调节冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的工作焦点；所述粉末荷电装置用于在冷喷涂系统的喷嘴和工件之间形成电场；所述控制模块用于控制冷喷涂系统的喷涂参数、超短脉冲激光系统的激光能量参数和运动系统的加工轨迹。本发明可在提高修复效率和质量的同时解决薄壁件常规修复方式容易产生的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。

技术领域

本发明涉及金属薄壁件的表面修复领域，具体地涉及一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置。

技术背景

随着国际航天产业的发展，如何降低航天发射费用是整个航天工业界面临的主要挑战之一，而实现运载火箭的重复使用是降低成本的重要措施。航天回收件多采用薄壁高强铝合金，其返修温度必须控制在高强铝合金时效温度以下，因此无法使用目前常规的熔化焊、固相焊等方法进行修复。

目前代表性的金属构件修复技术主要有激光熔覆、等离子体喷涂、超音速冷喷涂等。激光熔覆修复技术在机电、航空发动机等高要求领域中具有广泛应用，英国Rolls-Royce公司最早将激光熔覆技术用于发动机零件的修复，并申请专利，国内包括北京航空航天大学、西北工业大学等单位也开展了较多研究，对原理与设备均具有一定突破，但激光熔覆修复过程是一个多因素影响的加工过程，实际形成的零件修复区存在一些缺陷，且对金属薄壁构件适应性较差，存在一定局限性；等离子体喷涂技术形成的涂层具有孔隙率较低，结合强度高的优点，冷喷涂技术产生的热影响非常小，对制备铜及其合金、钛合金、镁合金等易于氧化的图层具有重要的意义，可对废旧部件表面进行直接修复，但喷涂颗粒硬度较高时，沉积效果较差，且高压喷涂设备又过于笨重不易移动，不利于现场施工；为了减少冷喷涂气体压力、减小材料表面的孔隙率、提高冷喷涂质量，英国剑桥大学William O’Neill课题组提出了超音速激光沉积技术，利用激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，有效降低了临界沉积速度，同时拓宽了颗粒和集采的选材范围，实现了部分难沉积材料涂层的制备，但针对大型薄壁金属构件修复方面仍会产生较大热应力，造成材料的变形。

超短脉冲激光技术是随着锁模技术发展起来的，它能以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，可以避免线性吸收、能量转移和扩散过程的影响，几乎不会对周边材料造成热损伤，在加工金属薄壁结构件时热扩散小，可极大地减少修复过程中的材料变形。

针对上述问题和研究，本发明将超短脉冲激光引入到冷喷涂修复技术，结合AI技术中的深度卷积神经网络方法、粉末荷电装置和机器人轨迹规划技术，形成一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工方法，解决现有冷喷涂及常规激光冷喷涂修复过程中导致的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置。将超短脉冲引入到激光-冷喷涂技术中，解决现有冷喷涂及常规激光冷喷涂修复过程中导致的结构变形、性能下降等问题，实现具有高工艺稳定性和质量可靠性的表面修复。

为了实现上述目的，本发明所设计的薄壁结构超快脉冲激光-冷喷涂表面加工装置，包括冷喷涂系统和控制模块，其特殊之处在于：

还包括超短脉冲激光系统、运动系统和粉末荷电装置，所述冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的喷嘴装载于所述运动系统上，所述运动系统用于调节冷喷涂系统和超短脉冲激光系统的工作焦点；

所述粉末荷电装置用于在冷喷涂系统的喷嘴和工件之间形成电场；

所述控制模块用于控制冷喷涂系统的喷涂参数、超短脉冲激光系统的激光能量参数和运动系统的加工轨迹。