[发明专利]一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法

说明书

本发明涉及一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法。针对Invar合金模具生产制造及使用过程中出现的不合格或失效的产品，结合逆向工程与激光熔覆技术对不合格或失效Invar合金模具曲面进行修复，不仅降低了生产制造成本，而且延长了模具的使用寿命。所述修复设备包括3D激光扫描仪、带同轴送粉喷嘴的机器人、激光器、激光水冷机、可调式送粉器、监控器、控制系统等。所述修复方法包括：(1)3D扫描获取待修复区域模型；(2)熔覆方案设计；(3)进行熔覆实验进行修复；(4)检查修复件尺寸等。

技术领域

本发明属于激光熔覆修复领域，特别涉及一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法。

背景技术

Invar合金具有与复合材料相近的热膨胀系数，因此被广泛用作飞机复合材料结构件的模具材料。在复合材料制作过程中，Invar合金模具经受高温高压热循环与腐蚀作用，不可避免地发生失效，如裂纹，磨损等。因而亟待一种有效的修复手段以达到延长模具使用寿命的目的，同时还能对Invar合金模具生产过程中的不合格件进行修复，以节约成本。

目前广泛应用焊接、热喷涂、喷焊等方式对失效零部件进行修复，但对于一些大型且形状不规则的曲面结构件的修复尚存在自动化程度低、可达性低、效率低等问题，因而亟待一种对形状复杂的结构件进行修复的有效途径。

激光熔覆技术具有能量密度高、成型速度快、可达性高等特性，修复层成形可以通过控制激光参数来进行精准的控制，得到的熔覆层组织均匀、结构致密，可以用于复杂形状的修复，逆向工程技术可以节省大量修复材料，修复后可以再次通过三维数字测量检查修复后尺寸是否满足条件，减少人为因素的影响，提高修复效率。

发明内容

本发明针对Invar合金模具在制造和使用过程中出现的不合格或失效问题，提出了一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，通过逆向工程与激光熔覆技术相结合对模具进行修复，在修复前增加了3D激光扫描环节，利用机器人进行熔覆过程，熔覆结束后再次利用3D激光扫描仪对修复后的零部件进行扫描以检查尺寸是否满足条件。具有模具基体与激光修复区结合强度高、修复区和模具缺损部位形状及性能匹配好等优点，可以延长模具的使用寿命，降低生产制造成本。

本发明的技术方法是：一种Invar合金模具不规则曲面的激光熔覆修复设备与方法，修复设备包括3D激光扫描仪、带同轴送粉喷嘴的机器人、激光器、激光水冷机、送粉器、监控器、控制系统等。修复过程包括如下步骤：

(1)利用3D激光扫描仪对待修复模具进行扫描，测量物体表面的三维坐标获取点云信息，对采集的点云数据进行优化处理，获得模具点云云图。将获得的点云数据导入逆向工程软件，将点云数据拟合出实体特征并生成产品的数字化模型。将获得的数字化模型通过三维模型处理软件与原始模具模型的三维实体进行布尔差运算，求解出待修复区域CAD模型。

(2)在修复方案设计模块中，将CAD模型转换为STL文件，并对STL文件进行分层切片处理，通过计算插补点法向矢量，获取激光枪头运行轨迹，对失效部位熔覆路径进行规划。并利用有限元模拟软件，对熔覆过程进行模拟和参数优化，以减小熔覆修复过程的残余应力和变形，获得最优的熔覆修复方案。

(3)根据之前规划的熔覆方案设置工艺参数，利用机器人进行激光熔覆对失效部位进行修复。对于形状不规则，尺寸范围为：高为30mm-50mm，长为120mm-150mm，宽为120mm-150mm的大型不规则Invar合金模具曲面，熔覆过程中须保持熔覆头始终沿曲面法线方向，以确保激光束和熔覆粉末束均能垂直于曲面进行熔覆，获得较好的熔覆效果。依据之前熔覆实验得到最优参数范围为：激光功率为2000W-6000W，光斑直径为2mm-8mm，熔覆速度为0.15-0.45m/min，熔覆过程中采用流量为15L/min的纯氩气作为保护气/输送气进行保护使熔覆层不被氧化，同时对试样进行冷却。