[发明专利]双超声辅助水下激光增材装置和方法

说明书

本发明公开了一种双超声辅助水下激光增材装置和方法。双超声辅助水下激光增材装置包括局部排水腔单元、激光增材单元、超声冲击单元、超声振动单元、六轴机械臂单元，所述激光增材单元、超声冲击单元、超声振动单元、六轴机械臂单元均安装在局部排水腔单元内部。因此，本发明通过局部排水腔单元顶部的空气口一直充入高速空气，即可利用空气气流将局部排水腔单元内的水排开，从而在水下形成局部干区，使得本发明适用于海洋工程装备的水下原位加工，并且能在增材过程中原位实施双超声辅助加工，能够明显细化晶粒、促进气泡的溢出、改善内部残余应力状态，提高力学性能，延长使用寿命。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种双超声辅助水下激光增材装置和方法，特别适用于水下金属构件的修复和强化。

背景技术

激光增材制造技术又被称作3D打印技术，是一项兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术。它包含以同步送粉为主要技术特征的激光立体成形技术和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术。通过激光增材制造的金属构件的组织通常由自基体连续外延生长的柱状枝晶组成，晶粒往往很粗大，但是晶内亚结构细小、组织致密无宏观偏析。这使得激光增材制造金属构件的力学性能与锻件相当。但是应用环境对材料的力学性能提出要求较高的情况下，激光增材制造的零部件力学性能暂时不能满足使用需要。一方面可以通过继续改进激光增材的工艺来获得更加优异的组织与力学性能匹配，另一方面可以利用外场辅助完善激光增材过程。

目前辅助激光增材制造的方法主要包括超声辅助、磁场辅助和高频感应辅助等外场辅助。在激光增材制造过程中，施加超声振动或者磁场均属于通过强制流体流动而控制凝固过程的方法。液相区液体的流动将改变凝固界前沿的温度场和浓度场，从而对凝固组织形态产生影响。超声的高频振动及辐射压力可在熔池熔融金属中形成有效的搅拌和流动，能显著减弱液体的表面张力及摩擦力，能够起到去除熔融金属中气体的作用。

随着我国“海洋强国”战略的实施，我国海洋工业和海洋技术得到了迅速发展。从近海到远海，海洋工程装备面临的服役环境越来越苛刻。海洋工程装备一旦失效，亟需进行修复，以保证装备的使用安全和使用寿命。水下局部干法激光增材制造技术为水下结构件的直接加工与修复提供了技术条件，水下激光增材制造过程是在一个密封的排水罩内进行，按照指定路径进行逐层堆积，进而完成破损处修复。在水下增材制造的过程中，工件除了被排水罩遮盖住的区域，其它部位直接与水接触，导致工件散热较快，容易在激光增材修复处形成淬硬组织, 进而引发裂纹和较大的残余拉应力, 影响工件的修复质量。在水下激光增材过程中，利用超声冲击对刚形成的熔覆层进行强化，能够在材料形成一定深度的塑性变形层，破碎树枝晶臂，使柱状晶破碎成等轴晶，从而材料晶粒得到细化，凝固组织趋于均匀。同时，超声冲击能在材料中引入一定的残余压应力，抵消材料中存在的残余拉应力，达到消除零件中残余应力的作用，从而降低裂纹萌生的敏感性，提高水下增材部位的力学性能。专利 CN 201711057771 .4公布了一种双超声辅助激光增材制造装置及方法，该方法实现了在陆地上对增材制造金属进行组织细化和均匀化，但是该方案不能直接应用于水下作业，难以满足海洋装备对制造设备的要求。专利CN 201610855857 .0公布了一种水下设施激光增材修复的方法和装置，该方法可以对水下激光增材修复后的构件表面进行超声冲击以提高其表面性能，但是该方法不适用于在水下原位对修复后的熔覆层进行冲击，难以调控熔覆层内部的组织和残余应力。

发明内容

针对目前海洋环境里的工程装备对结构件高质量制造与修复的需求，本发明提出一种双超声辅助水下激光增材装置和方法，以调控水下激光增材修复构件的组织和力学性能，提高修复质量和修复效率。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种双超声辅助水下激光增材装置，包括局部排水腔单元、激光增材单元、超声冲击单元、超声振动单元、六轴机械臂单元，所述激光增材单元、超声冲击单元、超声振动单元、六轴机械臂单元均安装在局部排水腔单元内部，其中：