涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法

摘要

本发明提供一种涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备包括计算机、激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪、叶片缺陷自动检测装置、打磨装置和安装底座，由计算机生成激光修复运动路径，激光器发出的激光通过激光头聚焦后与修复材料粉末一起投射到涡轮发动机叶片上，机械臂带动安装底座在空间内六自由度运动，激光沿着设定好的路径对涡轮发动机叶片进行激光熔覆。本发明提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法采用高度集成、自动化的修复设备与工艺，实现涡轮发动机叶片的自动化与智能化的修复，从而提高涡轮发动机叶片的修复效率与质量。

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种涡轮发动机叶片自动化修复设备 及其修复方法。

背景技术

燃气轮机和航空发动机的高压涡轮叶片是整个发动机的关键部件之一，它 直接承受燃烧后高压高温气体的推动，通过高速旋转产生气动动力。这些高性 能叶片需要在高温高应力载荷的工作状态下长时间运转，其寿命往往是决定整 个发动机使用周期寿命的薄弱环节。因此需要采用先进的检测与修复技术对这 些存在缺陷和损伤的叶片进行自动化地修复，使其重新满足工业装备的使用要 求，延长其使用寿命，获得可观的技术与经济效益。发动机的高压涡轮叶片， 由于工作环境恶劣，选用的材料往往是性能优异的镍基高温合金，其材料昂贵， 并且它的形状和内部结构极其复杂，铸造合格率一般很低，因此涡轮叶片的造 价非常昂贵。现代燃气轮机上每片单晶叶片的造价可高达3万美元，一般来讲， 叶片修复的成本费用平均值仅为更换新叶片成本费用的20-30%。

涡轮发动机叶片常见的缺陷形式是叶尖部位的磨损、腐蚀、裂纹、材料缺 失等。当前的涡轮发动机叶片修复工艺环节中存在大量的人工修复工艺与工序， 修复效率与质量较低。这种人工叶片修复工艺步骤通常包括：叶片清洗（浸泡 于化学试剂中清洗）=>叶尖检测（荧光检测、X光检测等手段）=>裂纹清洗或 打磨（人工打磨）=>人工电弧堆焊修补缺失材料=>叶尖人工打磨与检测。在这 一修复过程中，打磨、堆焊等关键工艺环节均采用人工方法，修复效率低，可 重复性差，质量难以控制，修复成品率低，而且对于叶尖部位的深（长）裂纹 损伤，利用上述修复工艺方法则无法修复。

当前，针对高性能金属零件修复的熔焊方法有钨极氩弧焊、等离子焊以及 电子束焊等，其中手工钨极氩弧焊和等离子焊是较成熟的熔焊修复工艺，但是 这两种方法在修复过程中热输入较大，易产生较大的热应力和热影响区，易造 成裂纹、气孔等冶金缺陷，影响修复质量与零件使用寿命；电子束焊具有很好 的能量聚焦性和可控性，但是需要较高的真空度和专门的真空设备，修复成本 较高。

发明内容

本发明提供一种涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法，以采用高 度集成、自动化的修复设备与工艺，实现涡轮发动机叶片的自动化与智能化的 修复，从而提高涡轮发动机叶片的修复效率与质量。

为达到上述目的，本发明提供一种涡轮发动机叶片自动化修复设备，其包 括计算机、激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪、叶片缺陷自动检 测装置、打磨装置和安装底座，所述涡轮发动机叶片安设于所述安装底座上， 所述激光器与所述激光头通过光缆连接，所述送粉器将修复材料粉末送到所述 激光头的喷嘴处，所述机械臂带动所述安装底座在空间内做六自由度运动，所 述三维扫描仪对所述涡轮发动机叶片进行三维扫描，所述叶片缺陷自动检测装 置自动检测及识别所述涡轮发动机叶片上的缺陷，所述打磨装置对所述涡轮发 动机叶片进行打磨，所述计算机与所述激光器、机械臂、送粉器、三维扫描仪、 叶片缺陷自动检测装置和打磨装置电信连接。

进一步的，所述打磨装置包括打磨机和打磨石，所述打磨机驱动所述打磨 石旋转进而对所述涡轮发动机叶片进行随形打磨，所述打磨机与所述计算机电 信连接。

进一步的，所述叶片缺陷自动检测装置包括相机、光学镜头和照明光源， 所述相机通过所述光学镜头对所述涡轮发动机叶片进行光学成像，所述照明光 源为所述相机提供光学成像所需的照明光，所述相机与所述计算机电信连接。

进一步的，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备还包括平移台，所述激光 头和所述打磨装置均设置于所述平移台中，所述平移台带动所述激光头和打磨 装置在水平面内移动，所述平移台与所述计算机电信连接。

进一步的，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备还包括预热装置，所述预 热装置为所述涡轮发动机叶片进行预热，所述预热装置与所述计算机电信连接。

进一步的，所述预热装置包括预热机、预热线圈和红外测温仪，所述涡轮 发动机叶片放置于所述预热线圈中，所述预热机控制所述预热线圈的温度为所 述涡轮发动机叶片加热，所述红外测温仪实时测量所述涡轮发动机叶片的温度， 所述预热机和所述红外测温仪均与所述计算机电信连接。

本发明还提供一种上述涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法，其包 括：

步骤一：清洗所述涡轮发动机叶片的表面涂层与油污，去除其表面氧化层， 并将其安置在所述安装底座上的固定位置；

步骤二：通过所述叶片缺陷自动检测装置捕捉所述涡轮发动机叶片的图像， 并将图像数据传输到所述计算机上，通过所述计算机处理该图像数据得到涡轮 发动机叶片上缺陷的数量、大小、位置参数；

步骤三：对所述涡轮发动机叶片上的缺陷处进行激光清洗或机械打磨，以 彻底去除缺陷处的金属氧化物和杂质；

步骤四：通过所述三维扫描仪对所述涡轮发动机叶片进行三维扫描，并将 扫描结果发送给所述计算机进行三维形面处理，再通过所述计算机进行数模比 对分析，进而生成进行激光熔覆所需的加工路径，并根据该路径对所述机械臂 输入动作指令；

步骤五：通过所述激光器发出激光，同时所述送粉器向激光头中送去修复 材料粉末，激光通过所述激光头聚焦后与修复材料粉末一起投射到所述涡轮发 动机叶片上的缺陷处，所述机械臂根据之前输入的指令带动所述安装底座在空 间内做六自由度运动，激光沿着设定好的路径对安置于所述安装底座上的所述 涡轮发动机叶片的缺陷处进行激光熔覆；

步骤六：完成激光熔覆后，通过所述机械臂将所述涡轮发动机叶片移动到 所述打磨装置处，并通过所述打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动机叶片进 行打磨，使其原本缺陷处的形状、尺寸均符合图纸要求；

步骤七：对完成激光修复的涡轮发动机叶片进行质量、装配检查，当其形 状、尺寸及表面质量均合格时，结束修复过程，否则返回步骤二。

进一步的，在所述步骤三中，通过所述机械臂将所述涡轮发动机叶片上的 缺陷处对准所述激光头，并通过所述激光器发出若干短脉冲激光，该短脉冲激 光通过所述激光头聚焦后投射在涡轮发动机叶片的缺陷处，对其缺陷处进行激 光清洗，去除缺陷处的氧化物、杂质和周边金属机体。

进一步的，在所述步骤三中，通过所述机械臂将所述涡轮发动机叶片移动 到所述打磨装置处，并通过所述打磨装置对所述涡轮发动机叶片上的缺陷处进 行打磨，形成小凹槽，去除缺陷处的氧化物和杂质。

进一步的，在所述步骤六中，在打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动机 叶片进行打磨后，再通过所述计算机进行数模比对分析，进而生成叶片叶尖接 长所需的激光熔覆路径，并根据该路径对所述机械臂输入动作指令，接着通过 所述激光器发出激光，同时所述送粉器向激光头中送去修复材料粉末，激光通 过所述激光头聚焦后与修复材料粉末一起投射到所述涡轮发动机叶片的叶尖 上，所述机械臂根据之前输入的指令带动所述安装底座在空间内做六自由度运 动，激光沿着设定好的路径对安置于所述安装底座上的所述涡轮发动机叶片的 叶尖进行激光熔覆；完成激光熔覆后，再通过所述机械臂将所述涡轮发动机叶 片移动到所述打磨装置处，并通过所述打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动 机叶片的叶尖进行打磨，使其原本缺陷处及其叶尖的形状、尺寸均符合图纸要 求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法取代了现有的 涡轮发动机叶片修复中大量的人工修复工艺与工序，采用了高度集成、自动化 的修复设备与工艺，实现了自动化与智能化的激光净形修复，具有更精确的热 输入，且节省材料和后续加工时间，从而提高了涡轮发动机叶片的修复效率与 质量。并且，叶片零件在一个工作台上一次装夹固定，即可连续完成包括清洗、 检验、修复、打磨等多步修复工序，可实现修复工艺的完整数据记录，提高修 复质量的可靠性。另外，激光清洗工艺也避免了对环境和人身安全有害的化学 清洗工序。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法的 流程图；

图3为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在未开始修复作业时的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤三完成后的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤五完成后的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤六中的第一次打磨工序完成后的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤六中的叶片叶尖接长工序完成后的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤六中的第二次打磨工序完成后的结构示意图。

在图1中，

1：计算机；2：激光器；3：机械臂；4：送粉器；5：激光头；6：三维扫 描仪；7：涡轮发动机叶片；8：安装底座；9：打磨机；10：打磨石；11：相机； 12：光学镜头；13：照明光源；14：平移台；15：预热机；16：预热线圈；17： 红外测温仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的涡轮发动机叶片自动化修复设 备及其修复方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优 点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准 的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修 复方法，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备包括计算机、激光器、机械臂、 送粉器、激光头、三维扫描仪、叶片缺陷自动检测装置、打磨装置和安装底座， 所述涡轮发动机叶片安设于所述安装底座上，所述激光器与所述激光头通过光 缆连接，所述送粉器将修复材料粉末送到所述激光头的喷嘴处，所述机械臂带 动所述安装底座在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪对所述涡轮发动机 叶片进行三维扫描，所述叶片缺陷自动检测装置自动检测及识别所述涡轮发动 机叶片上的缺陷，所述打磨装置对所述涡轮发动机叶片进行打磨，所述计算机 与所述激光器、机械臂、送粉器、三维扫描仪、叶片缺陷自动检测装置和打磨 装置电信连接。本发明提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复方法取 代了现有的涡轮发动机叶片修复中大量的人工修复工艺与工序，采用了高度集 成、自动化的修复设备与工艺，实现了自动化与智能化的激光净形修复，具有 更精确的热输入，且节省材料和后续加工时间，从而提高了涡轮发动机叶片的 修复效率与质量。

请参考图1至图8，图1为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复 设备的结构示意图；图2为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设 备的修复方法的流程图；图3为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修 复设备的修复方法中涡轮发动机叶片在未开始修复作业时的结构示意图；图4 为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中涡轮发动 机叶片在步骤三完成后的结构示意图；图5为本发明实施例提供的涡轮发动机 叶片自动化修复设备的修复方法中涡轮发动机叶片在步骤五完成后的结构示意 图；图6为本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中 涡轮发动机叶片在步骤六中的第一次打磨工序完成后的结构示意图；图7为本 发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中涡轮发动机叶 片在步骤六中的叶片叶尖接长工序完成后的结构示意图；图8为本发明实施例 提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备的修复方法中涡轮发动机叶片在步骤六 中的第二次打磨工序完成后的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供一种涡轮发动机叶片自动化修复设备，其 包括计算机1、激光器2、机械臂3、送粉器4、激光头5、三维扫描仪6、叶片 缺陷自动检测装置、打磨装置和安装底座8，所述涡轮发动机叶片7安设于所述 安装底座8上，所述激光器2与所述激光头5通过光缆连接，所述送粉器4将 修复材料粉末送到所述激光头5的喷嘴处，所述机械臂3带动所述安装底座8 在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪6对所述涡轮发动机叶片7进行三 维扫描，所述叶片缺陷自动检测装置自动检测及识别所述涡轮发动机叶片7上 的缺陷，所述打磨装置对所述涡轮发动机叶片7进行打磨，所述计算机1与所 述激光器2、机械臂3、送粉器4、三维扫描仪6、叶片缺陷自动检测装置和打 磨装置电信连接。

可以想到的是，所述激光器2可为光纤激光器、二氧化碳激光器、固体激 光器（Nd:YAG激光器）或半导体激光器等所有能够发出符合规定品质激光的激 光器，故本发明也意图包含这些技术方案。另外，所述三维扫描仪可为三坐标 测量仪、激光点或线扫描仪器或结构光三维形状测量仪器等能够进行三维扫描 的仪器，根据修复零件的自身尺寸和修复精度要求，选定适合的测量仪器，使 其定位与尺寸测量精度达到要求，故本发明也意图包含这些技术方案。

可以想到的是，除机械臂3外，也可以使用多轴数控机床等其他运动控制 设备来实现激光头5的三维运动，故本发明也意图包含这些技术方案。

进一步的，所述打磨装置包括打磨机9和打磨石10，所述打磨机9驱动所 述打磨石10旋转进而对所述涡轮发动机叶片7进行随形打磨，所述打磨机9与 所述计算机1电信连接。

进一步的，所述叶片缺陷自动检测装置包括相机11、光学镜头12和照明光 源13，所述相机11通过所述光学镜头12对所述涡轮发动机叶片7进行光学成 像，所述照明光源13为所述相机11提供光学成像所需的照明光，所述相机11 与所述计算机1电信连接。

进一步的，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备还包括平移台14，所述激 光头5和所述打磨装置均设置于所述平移台14中，所述平移台14带动所述激 光头5和打磨装置在水平面内移动，所述平移台14与所述计算机1电信连接， 所述平移台14能够在机械臂3移动的同时进行辅助移动，从而增加了激光熔覆 作业的效率及质量。

在本实施例中，在激光熔覆涡轮发动机叶片7的镍基高温合金零部件时， 由于合金在冷却过程中会析出较硬的γ’加强相，导致材料应力变大，易引起微 裂纹等缺陷。为了进一步提高修复质量，所述涡轮发动机叶片自动化修复设备 还包括预热装置，所述预热装置为所述涡轮发动机叶片7进行预热，所述预热 装置包括预热机15、预热线圈16和红外测温仪17，所述涡轮发动机叶片7放 置于所述预热线圈16中，所述预热机15控制所述预热线圈16的温度在进行激 光熔覆作业前为所述涡轮发动机叶片7预热，所述红外测温仪17实时测量所述 涡轮发动机叶片7的温度，所述预热机15和所述红外测温仪17均与所述计算 机1电信连接，所述红外测温仪17将涡轮发动机叶片7的温度实时发送给计算 机1，计算机根据该温度信息调节所述预热机15对所述预热线圈所施加的温度， 以使涡轮发动机叶片7的温度能够控制在最好的预热温度范围（一般为950℃左 右）内，有效地减小零件因温差而产生的热应力。

在本实施例中，所述预热机可为预热电源与控制器，预热线圈可为感应线 圈，预热电源为控制器提供电源，控制器控制感应线圈为叶片零件加热，上述 预热机和感应线圈的连接结构和其所起的作用皆为现有技术，故在此便不再赘 述。

如图2至图8所示，本发明实施例还提供一种上述涡轮发动机叶片自动化 修复设备的修复方法，其包括：

步骤一：清洗所述涡轮发动机叶片7的表面涂层与油污，去除其表面氧化 层，并将其安置在所述安装底座8上的固定位置；

步骤二：通过所述叶片缺陷自动检测装置捕捉所述涡轮发动机叶片7的图 像，并将图像数据传输到所述计算机1上，通过所述计算机1处理该图像数据 得到涡轮发动机叶片7上缺陷的数量、大小、位置参数；

步骤三：对所述涡轮发动机叶片7上的缺陷处进行激光清洗或机械打磨， 以彻底去除缺陷处的金属氧化物和杂质；

步骤四：通过所述三维扫描仪6对所述涡轮发动机叶片7进行三维扫描， 并将扫描结果发送给所述计算机1进行三维形面处理，再通过所述计算机1进 行数模比对分析，进而生成进行激光熔覆所需的加工路径，并根据该路径对所 述机械臂3输入动作指令；

步骤五：通过所述激光器2发出激光，同时所述送粉器4向激光头5中送 去修复材料粉末，激光通过所述激光头5聚焦后与修复材料粉末一起投射到所 述涡轮发动机叶片7上的缺陷处，所述机械臂3根据之前输入的指令带动所述 安装底座8在空间内做六自由度运动，激光沿着设定好的路径对安置于所述安 装底座8上的所述涡轮发动机叶片7的缺陷处进行激光熔覆；

步骤六：完成激光熔覆后，通过所述机械臂3将所述涡轮发动机叶片7移 动到所述打磨装置处，并通过所述打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动机叶 片7进行打磨，使其原本缺陷处的形状、尺寸均符合图纸要求；

步骤七：对完成激光修复的涡轮发动机叶片7进行质量、装配检查，当其 形状、尺寸及表面质量均合格时，结束修复过程，否则返回步骤二。

进一步的，在所述步骤三中，若对所述涡轮发动机叶片7上的缺陷处进行 激光清洗，则通过所述机械臂3将所述涡轮发动机叶片上的缺陷处对准所述激 光头，并通过所述激光器发出若干短脉冲激光，该短脉冲激光通过所述激光头 聚焦后投射在涡轮发动机叶片的缺陷处，对其缺陷处进行激光清洗，去除缺陷 处的氧化物、杂质和周边金属机体；若对对所述涡轮发动机叶片7上的缺陷处 进行打磨，则通过所述机械臂将所述涡轮发动机叶片移动到所述打磨装置处， 并通过所述打磨装置对所述涡轮发动机叶片上的缺陷处进行打磨，形成小凹槽， 去除缺陷处的氧化物和杂质。

进一步的，在所述步骤六中，在打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动机 叶片进行打磨后，再通过所述计算机1进行数模比对分析，进而生成涡轮发动 机叶片7叶尖接长所需的激光熔覆路径，并根据该路径对所述机械臂3输入动 作指令，接着通过所述激光器2发出激光，同时所述送粉器4向激光头5中送 去修复材料粉末，激光通过所述激光头5聚焦后与修复材料粉末一起投射到所 述涡轮发动机叶片7的叶尖上，所述机械臂3根据之前输入的指令带动所述安 装底座8在空间内做六自由度运动，激光沿着设定好的路径对安置于所述安装 底座8上的所述涡轮发动机叶片7的叶尖进行激光熔覆；完成激光熔覆后，再 通过所述机械臂3将所述涡轮发动机叶片7移动到所述打磨装置处，并通过所 述打磨装置对激光熔覆后的所述涡轮发动机叶片7的叶尖进行打磨，使其原本 缺陷处及其叶尖的形状、尺寸均符合图纸要求。

综上所述，本发明实施例提供的涡轮发动机叶片自动化修复设备及其修复 方法取代了现有的涡轮发动机叶片修复中大量的人工修复工艺与工序，采用了 高度集成、自动化的修复设备与工艺，实现了自动化与智能化的激光净形修复， 具有更精确的热输入，且节省材料和后续加工时间，从而提高了涡轮发动机叶 片7的修复效率与质量。。并且，叶片零件在一个工作台上一次装夹固定，即可 连续完成包括清洗、检验、修复、打磨等多步修复工序，可实现修复工艺的完 整数据记录，提高修复质量的可靠性。另外，激光清洗工艺也避免了对环境和 人身安全有害的化学清洗工序。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。