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专利号: 201811084778X
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 铸造;粉末冶金
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统,其特征在于:包括机械臂、安装在机械臂末端的激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0),所述修复系统还包括空间扫描摄像装置(3.0)、打印路径设计装置(4.0)、层间温度监测装置(5.0)、层间质量控制装置(6.0)和控制终端(7.0);

所述送丝装置(2.0)中装配有修复药芯焊丝(2.1),所述修复药芯焊丝(2.1)的具体制备过程为:将与待修复零部件相同材料的基体加工成中空管状焊丝(2.1a),将预制的合金粉末(2.1b)紧密填充至所述中空管状焊丝(2.1a)的管芯中,即得修复药芯焊丝(2.1);所述修复药芯焊丝(2.1)的直径为0.8-1.6mm,管芯的直径为0.5-1.1mm;

所述空间扫描摄像装置(3.0)包括对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描的激光轮廓扫描仪;

所述打印路径设计装置(4.0)用于获取空间扫描摄像装置(3.0)得到的零部件缺损部位三维轮廓数据,设置将要打印层面的层厚,确定将要打印层面的打印起始点并确定所述将要打印层面的打印路径;

所述层间温度监测装置(5.0)包括每完成一个层面打印扫描后,对所述层面熔覆层表面温度进行监测的红外测温仪;

所述层间质量控制装置(6.0)包括层间温度控制子装置(6.1)和熔覆层质量优化子装置(6.2),所述层间温度控制子装置(6.1)用于对熔覆层进行冷却处理和加热处理;所述熔覆层质量优化子装置(6.2)为对熔覆层进行晶粒细化、减少气孔,从而使得熔覆层组织致密化的设备;

所述控制终端(7.0)与激光-TIG复合焊枪(1.0)、送丝装置(2.0)、空间扫描摄像装置(3.0)、打印路径设计装置(4.0)、层间温度监测装置(5.0)和层间质量控制装置(6.0)的控制端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统,其特征在于:所述填充至中空管状焊丝(2.1a)管芯中的预制的合金粉末(2.1b)包括根据所述待修复零部件材料中各合金元素组分比例制备的混合合金微米颗粒,然后在所述混合合金微米颗粒表面从里到外依次修饰石墨烯和纳米增强颗粒;石墨烯添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的0.3-0.6%,纳米增强颗粒总添加量为所述混合合金微米颗粒总质量的1-3%;所述混合合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm;纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm;所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统,其特征在于:所述激光-TIG复合焊枪(1.0)中的激光(1.2a)为振动激光;所述激光-TIG复合焊枪(1.0)中的TIG电弧焊枪(1.1)所用的电源为双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源。

4.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统,其特征在于:所述熔覆层质量优化子装置(6.2)为搅拌摩擦设备和超声冲击设备。

5.根据权利要求1所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统,其特征在于:所述层间温度控制子装置(6.1)包括布置于送丝装置(2.0)的修复药芯焊丝(2.1)外侧的惰性气体通道,所述惰性气体通道由一系列的微小等距均匀布置的气孔(6.1a)组成,通过喷出惰性保护气体,调节喷出惰性保护气体的温度,实现对熔覆层的冷却处理或加热处理。

6.一种权利要求1-5任一所述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法,其步骤如下:

S1、制备与待修复零部件材料完全相同的具有中间通孔的中空管状焊丝(2.1a),预制合金粉末(2.1b),然后将预制的合金粉末(2.1b)紧密填充至所述中空管状焊丝(2.1a)的管芯中,制得修复药芯焊丝(2.1);然后将所述修复药芯焊丝(2.1)装配在送丝装置(2.0)中;

S2、激光轮廓扫描仪对零部件缺损部位进行三维轮廓扫描,并将所述三维轮廓数据传给打印路径设计装置(4.0);

S3、打印路径设计装置(4.0)将接收的零部件缺损部位三维轮廓扫描数据和金属零部件的原始模型数据进行三维重构,形成零部件缺损部位的三维模型,并对零部件缺损部位的三维模型数据进行二维化处理,设置当前层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数;

S4、用红外测温仪对待打印区域表面温度进行监测,通过层间温度控制子装置(6.1)控制待打印区域表面温度,当待打印区域表面温度为预先设定的扫描温度时,激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作,按照步骤S3设置的打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数进行第一层面的扫描打印;

S5、完成当前层面扫描打印后,用红外测温仪对所述层面的熔覆层表面温度进行监测,通过层间温度控制子装置(6.1)控制熔覆层温度;当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时,熔覆层质量优化子装置(6.2)对熔覆层进行优化处理;对当前层面的熔覆层进行优化处理后,重复步骤S2-S3进行下一个层面打印层厚、打印起始点、扫描打印路径及打印工艺参数的设定;

S6、通过层间温度控制子装置(6.1)控制优化处理后的熔覆层温度,当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时,所述激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作,进行下一层面的扫描打印;

S7、重复步骤S5-S6-S5,直至完成对零部件的缺损部位的修复。

7.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法,其特征在于:所述金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法中的步骤S1-S7均在惰性气体保护下,激光-TIG复合焊枪(1.0)和送丝装置(2.0)同时工作进行扫描打印时,所采用的惰性保护气体为70%氩气和30%氦气。

8.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法,其特征在于:所述步骤S5中当熔覆层表面温度为预先设定的优化温度时,熔覆层质量优化子装置(6.2)对熔覆层进行优化处理的具体操作是:当熔覆层表面温度为预先设定的第一优化温度,对熔覆层进行搅拌摩擦处理,完成一次优化;完成一次优化后,当熔覆层表面温度为预先设定的第二优化温度,用超声工具头对熔覆层进行超声冲击,完成二次优化;所述第一优化温度为打印材料熔点的3/5-3/4,第二优化温度为打印材料熔点的1/5-1/4。

9.根据权利要求6所述的一种金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法,其特征在于:所述预先设定的扫描温度为打印材料熔点的1/4-1/3。

10.根据权利要求6所述的金属零部件损伤的3D打印原位修复系统的修复方法的应用,其特征在于,所述3D打印原位修复方法应用于高铁列车零部件的原位修复,所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。