一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法

本发明属于航空发动机及燃气轮机叶片修复。

背景技术：

1、航空发动机和燃气轮机的部分涡轮叶片采用高温合金铸造成型，如1000℃服役的转子叶片、导向叶片等高温零件，其锯齿冠结构可以改善涡轮性能。涡轮叶片长期在高温、高速冲击和腐蚀环境下极易损伤，主要集中在叶身和锯齿冠处，包括弯曲变形、腐蚀点、凹坑、裂纹等，其中叶冠处容易出现磨损和裂纹。高温合金由于含有较多的al、ti等元素，会在产生的疲劳裂纹表面形成致密的al、ti等氧化物，需采用机械清理方法去除缺陷表面的氧化膜和夹杂。更换全新叶片的成本高昂，因此对受损叶片进行修复，有助于实现叶片多周期长寿命重复利用，具有极高的经济效益。

2、目前，叶片修复工艺多采用手工氩弧焊，cocrw焊丝是叶片修复中常用的材料。手工氩弧焊热源的热源面积大，热影响区较大，因此在叶片修复过程中容易产生裂纹等缺陷；同时氩弧焊对涡轮叶片进行修复时也受到叶片尺寸的限制，过大的热输入会使叶片修复部位发生变形，降低材料可靠性。

3、而激光增材作为一种修复技术，是采用激光作热源，对母材和填充材料(粉末或丝材)施加热输入后熔化结合，然后冷却迅速凝固形成堆焊层。目前激光送粉熔覆能够实现对涡轮叶片锯齿面磨损、封严齿磨损或裂纹的精密修复，由于激光粉末沉积本身致密化困难的问题极大地制约了其在叶片损伤修复中的应用。同时叶片损坏部分整体厚度不一致，采用常规的激光修复技术存在激光功率和修复部位厚度匹配不一致的问题，容易出现未熔合或凹坑等缺陷。因此一般采用变功率进行加工，但叶片修复成形仍难以精准控制，还会经常出现修复的叶片修复位置烧蚀、基体变形等问题。

技术实现思路

1、本发明要解决现有常规激光修复高温合金叶片容易出现未熔合及凹陷，变功率激光修复高温合金叶片由于无法精准控制导致，导致修复位置烧蚀及基体变形的问题，进而提供一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法。

2、一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，它是按以下步骤进行：

3、一、固定涡轮叶片：

4、将互锁面损伤的涡轮叶片通过夹具固定在数控机床上，且互锁面与数控机床的水平面保持20°～30°夹角，互锁面的短边与x轴平行；

5、二、参数设置：

6、设置互锁面损伤的涡轮叶片沿数控机床的x轴摆动，且摆动速度为400mm/min～1000mm/min；设互锁面损伤的涡轮叶片沿数控机床的x轴的摆动摆幅为l，设互锁面的短边长度为l，l＞l；设置激光束沿数控机床的y轴移动；

7、三、激光焊接动态调控修复：

8、在互锁面损伤的涡轮叶片摆动速度为400mm/min～1000mm/min、互锁面损伤的涡轮叶片摆动摆幅为l、激光束移动速度为0.06m/min～0.1m/min及送丝速度为0.6m/min～0.96m/min的条件下，利用焊丝对互锁面进行激光焊接动态调控修复，得到修复叶片；

9、所述的激光焊接动态调控修复具体是按以下步骤进行的：

10、①以互锁面与非工作面转接凹r区为起点，在激光束输出功率为600w～800w及激光束在互锁面的焦距为+2mm～+3mm的条件下，激光束在互锁面与非工作面转接凹r区停留0.5s～1.0s；

11、②在激光束输出功率为550w～650w及激光束在互锁面的焦距为+2mm～+3mm的条件下，激光束在互锁面上移动直至行进至距互锁面末端1.5mm～2mm处；

12、③在激光束输出功率为550w～650w及激光束在互锁面的焦距为+2mm～+3mm的条件下，激光束在距互锁面末端1.5mm～2mm处停留0.4s～0.6s；

13、④降低激光功率，在激光束输出功率为500w～600w及激光束在互锁面的焦距为+2mm～+3mm的条件下，激光束在互锁面上移动直至行进至互锁面末端；

14、⑤在激光束输出功率为500w～600w及激光束在互锁面的焦距为+2mm～+3mm的条件下，激光束在互锁面末端处停留0.4s～0.6s；

15、⑥在激光束输出功率为500w～600w的条件下，沿z轴抬升激光头至激光束在互锁面的焦距为+3mm～+4mm，然后在激光束输出功率为500w～600w及激光束在互锁面的焦距为+3mm～+4mm的条件下，激光束在互锁面末端处停留0.4s～0.6s；

16、⑦在激光束输出功率为500w～600w的条件下，第二次沿z轴抬升激光头，然后关闭数控机床及激光，取出修复叶片；

17、四、机械加工：

18、对修复叶片的互锁面进行机械加工处理至恢复原貌，即完成一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法。

19、本发明的有益效果是：

20、基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝叶片修复制备方法是将叶片固定在特定工装夹具上，然后利用数控机床将互锁面损伤的涡轮叶片沿x轴方向进行摆动，增大激光熔丝修复过程中的扫描面积，其中动态调整指的是在激光熔丝过程中在叶片修复位置的表面不同区域的激光束输出功率是动态变化的，同时在修复的不同位置下采取激光束停留来弥补熔丝过程中变功率导致的熔合不稳定问题；针对互锁面磨损的激光熔丝修复，需在修复位置末端抬升激光头，使修复位置达到一定厚度形成包覆的堆焊层。

21、采用该方法对涡轮叶片进行修复主要有以下优势：

22、1.利用数控机床将互锁面损伤的涡轮叶片摆动能够增大激光焊接过程中的扫描面积，减少焊接次数，避免多次焊接路径下易出现的熔合不良等问题，对叶片损伤部位进行精密修复，同时能够根据叶片型号尺寸的不同改变摆动幅度，可修复叶片上不同的损伤部位，适应性更强；

23、2.能量动态调整通过控制激光束功率的输出以及改变离焦量，对修复位置堆焊层的整体形貌进行整形，解决了未熔合、凹陷、修复位置烧蚀及基体变形等问题，同时梯度功率对各种型号的叶片均可修复，有助于得到成形良好的堆焊层，提高了叶片修复位置的修复质量及合格率；

24、3.相比摆动激光送丝，通过工件摆动，能够使激光束始终均匀作用在母材和丝材上，保证了能量作用在母材与丝材上的能量分配一致，而摆动激光熔丝修复通过振镜的摆动实现光束的摆动，光束能量分配无法保持一致，容易造成修复过程熔丝不稳定；

25、4.与传统的氩弧焊和激光送粉修复相比，激光熔丝修复的叶片修复位置堆焊层组织与母材结合紧密，界面结合处无缺陷，组织更为均匀，堆焊层内部无裂纹、气孔等缺陷，堆焊层厚度达到了3mm，为后续机械加工留有一定的余量。

26、本发明用于一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法。

技术特征：

1.一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于它是按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤一中所述的互锁面损伤的涡轮叶片的材质为dz125合金。

3.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤一中所述的互锁面损伤的涡轮叶片为预处理后的涡轮叶片；所述的预处理具体是按以下步骤进行的：在氩气环境下，对涡轮叶片进行打磨清理，去除损伤表面氧化膜，然后依次用无水乙醇及丙酮擦拭互锁面及周边位置，最后干燥露出金属光泽。

4.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤二中l-l＝0.4mm～0.6mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤二中设置激光头与互锁面呈5°～10°夹角。

6.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤三中所述的焊丝为cocrw焊丝。

7.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤三中所述的焊丝直径为1.0mm～1.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤三中所述的焊丝为预处理后的焊丝；所述的预处理具体是按以下步骤进行的：使用400目砂纸打磨光滑，再用无水乙醇擦拭并晾干。

9.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤三中在互锁面损伤的涡轮叶片摆动速度为400mm/min～1000mm/min、互锁面损伤的涡轮叶片摆动摆幅为l、激光束移动速度为0.06m/min～0.1m/min、送丝速度为0.6m/min～0.96m/min及氩气保护气流量为15l/min～20l/min的条件下，利用焊丝对互锁面进行激光焊接动态调控修复，得到修复叶片。

10.根据权利要求1所述的一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，其特征在于步骤三⑦在激光束输出功率为500w～600w的条件下，第二次沿z轴抬升激光头至激光束在互锁面的焦距为+4mm～+5mm，然后关闭数控机床及激光，取出修复叶片。

技术总结一种基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片的方法，本发明属于航空发动机及燃气轮机叶片修复技术领域。解决现有常规激光修复高温合金叶片容易出现未熔合及凹陷，变功率激光修复高温合金叶片由于无法精准控制导致，导致修复位置烧蚀及基体变形的问题。方法：一、固定涡轮叶片；二、参数设置；三、激光焊接动态调控修复；四、机械加工。本发明用于基于工件摆动与能量动态调控同步协调的激光熔丝精密修复叶片。技术研发人员：雷正龙,王晨,宋文清,杨烁,李旭东,胡泽锴受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23