双超声辅助水下激光增材装置和方法
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：
所述的局部排水腔单元，上端封闭、下端敞口设置，且局部排水腔单元的封闭端分别设置有空气口、保护气口；
所述的超声冲击单元，包括超声冲击装置以及与超声冲击装置的作动部分连接的冲击头，超声冲击装置的固定部分与第一升降机构的动力输出端连接；在第一升降机构的动力作动下，超声冲击单元整体能够相对于待修复部位升降，以调整冲击头施加在待修复部位的压紧力；
所述的超声振动单元，包括外壳、第二升降机构、超声振动装置以及振动块；第二升降机构、超声振动装置封装于外壳内，且第二升降机构的动力输出端与超声振动装置的固定部分连接，而超声振动装置的作动部分则与振动块连接，在第二升降机构的动力作动下，超声振动装置整体能够相对于待修复部位升降，以调整振动块施加在待修复部位的压紧力；
所述的六轴机械臂单元，具有六个自由度，运动端通过连接架分别与激光增材单元、第一升降机构的固定部分联动连接；在六轴机械臂单元的动力作动下，激光增材单元的能够按照规划路径完成待修复部位的激光增材修复，而超声冲击单元则沿着前述规划路径对待修复部位所沉积的激光增材修复层超声振动碾压。
进一步地，第一升降机构为液压驱动机构，包括第一液压缸以及与第一液压缸的动力输出端连接的第一液压推杆；第一液压缸的缸体固定在连接架上，第一液压推杆与超声冲击装置联动连接。
进一步地，第二升降机构为液压驱动机构，包括第二液压缸以及与第二液压缸的动力输出端连接的第二液压推杆；第二液压缸的缸体固定在外壳内，第二液压推杆与超声振动装置联动连接。
进一步地，所述壳体内设置有用于辅助超声振动装置升降的导向机构，包括沿着竖向布置的滑动导杆以及能够沿着滑动导杆的延伸方向移动的滑块；超声振动装置的固定部分与滑块固定。
进一步地，所述六轴机械臂单元的运动端设置为末端旋转模块，该末端旋转模块能够实现超声冲击单元和激光增材单元在局部排水腔单元内的相对位置调整，使得超声冲击单元、激光增材单元在待修复部位的每一道次加工过程中，激光增材单元始终位于超声冲击单元的前方，超声冲击单元能够对激光增材单元在待修复部位形成的熔覆层原位超声振动碾压。
本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述的双超声辅助水下激光增材装置的方法，包括以下步骤：
（1）通过船只将双超声辅助水下激光增材装置运载至目标水域并投放到海水中，工程技术人员通过控制线缆将双超声辅助水下激光增材装置移动至待修复工件部位，在此过程中，通过空气口往局部排水腔单元内一直充入高速空气，形成局部干区；
（2）通过六轴机械臂单元将激光增材单元运动到指定的高度，调用水下激光增材工艺数据库，规划加工路径；打开保护气口，局部排水腔单元内保护气达到指定的流量和压力时，关闭空气口；
（3）打开超声振动单元，将振动块接触待修复部位表面，对待修复工件表面实施超声振动；
（4）打开激光增材单元、超声冲击单元，通过六轴机械臂单元，带动激光增材单元、超声冲击单元沿着规划的加工路径进行待修复部位的多道次复合加工：单道次复合加工过程中，激光增材单元位于超声冲击单元的前方，激光增材单元先在待修复部位进行激光增材加工形成熔覆层，而超声冲击单元滞后于激光增材单元，对所形成的熔覆层进行原位超声振动碾压，即可完成该道次的复合加工；当前道次的复合加工结束、进行下一道次的复合加工前，通过转动末端旋转模块，使得激光增材单元在前、超声冲击单元在后，接着按照规划路径完成这一道次的复合加工，以此循环，直至完成所有增材修复任务；
（5）待修复部位的多道次复合加工完成后，利用牵引装置将双超声辅助水下激光增材装置牵引出水面。
基于上述的技术方案，本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
1、本发明的超声振动装置、超声冲击装置、激光增材装置均配置在局部排水腔单元内，则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，包括水下原位对设备受损位置进行修复，或者进行水下结构件的增材制造，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；另外，本发明能够显著缩短作业时间，降低作业成本，提高作业稳定性；
2、本发明在进行待修复部位的复合加工过程中，伴随超声振动（通过超声振动装置施加）；超声振动通过声流效应和空化效应在熔池中产生的搅拌作用分布到熔体中去，从而增加了形核率，抑制组织的外延生长，并能够通过调整其工艺参数，在水下获得不同晶粒度的组织。
3、本发明中，待修复部位的形状多变，为使得振动块、冲击针能够与待修复部位直接接触，本发明将所述的超声振动装置、超声冲击装置均配设升降机构，以提高本发明的适用性。
4、本发明中，将超声冲击装置与激光增材装置通过连接架连接，并通过六轴机械臂单元来同步驱动，且在待修复部位的多道次复合加工过程中，激光增材装置始终在前、超声冲击装置在后，使得超声冲击装置能够对激光增材装置在单道次激光增材加工过程中成形的熔覆层立即超声冲击，即实现熔覆层的原位超声冲击碾压，能够进一步减少单道次的气孔、裂纹等缺陷，通过逐层调控，能够显著降低成形件的内部缺陷，降低工件在海洋里服役过程中萌生裂纹的可能性，提高海洋工程装备的可靠性。
附图说明
图1是本发明水下排水罩示意图；
图2是本发明水下双超声辅助激光增材结构示意图；
图3是本发明的超声振动单元示意图；
图4是本发明的超声冲击单元示意图；
图5是本发明实施向右运动时激光增材单元和超声冲击单元相对位置示意图；
图6是本发明实施向左运动时激光增材单元和超声冲击单元相对位置示意图。
图1-6中：1、空气口；2、保护气口；3、局部排水腔单元；4、激光增材单元；5、连接架；6、超声冲击单元；7、第一液压推杆；8、第一液压缸；9、超声振动单元；10、末端旋转模块；11、水下监控单元；12、六轴机械臂单元；13、第二液压缸；14、第二液压推杆；15、滑动导杆；16、滑块；17、壳体；18、超声振动装置；19、振动块；20、超声冲击装置；21、冲击针。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。
实施例1：
如图2所示，一种双超声辅助水下激光增材装置，主要由局部排水腔单元3、激光增材单元4、超声冲击单元6、超声振动单元9、水下监控单元11、六轴机械臂单元12组成。其所述激光增材单元4、超声冲击单元6、超声振动单元9、水下监控单元11、六轴机械臂单元12均安装在局部排水腔单元3内部。
如图1所示，局部排水腔单元3上部封闭、下部敞开设置；且局部排水腔单元3的封闭端设有两个进气口，分别是空气口1和保护气口2。空气口1主要用于局部排水腔单元3投放到海洋里过程中，通过排除海水以对局部排水腔单元1内部所有结构进行保护，保护气口2为水下激光增材提供必要的保护气氛。
如图2所示，激光增材单元4通过连接架5安装到末端旋转模块10上，激光增材单元4在六轴机械臂单元12的带动下，能够按照规划的扫描路径实现激光增材逐层堆积的运动要求。
如图2和图4所示，超声冲击单元6包括超声冲击装置20和冲击针21，冲击针21设在超声冲击装置20下部。超声冲击单元6上设有第一液压推杆7，第一液压推杆7安装在第一液压缸8上，第一液压缸8通过连接架5安装到末端旋转模块10上。第一液压缸8通过驱动第一液压推杆7，带动超声冲击装置20的冲击针21抵住同道次激光增材单元4在待修复部位形成的熔覆层，随着六轴机械臂单元12的带动，对同道次的熔覆层进行连续的超声振动碾压。
如图3所示，超声振动单元9包括第二液压缸13、第二液压推杆14、滑动导杆15、滑块16、壳体17、超声振动装置18、振动块19。超声振动装置18顶部安装第二液压推杆14，超声振动装置18下部安装振动块19，超声振动装置18通过滑块16安装到滑动导杆15上，滑动导杆15、第二液压缸13均安装到壳体17上，壳体17安装到局部排水腔单元3内壁。在第二液压缸13的驱动下，液压推杆14推动超声振动装置18向下运动，使得振动块19抵住工件待修复部位，以对待修复部位施加超声振动。
如图2所示，所述水下监控单元11安装在局部排水腔单元3内壁，用于对水下加工过程进行实时监控。水下监控单元11为水下专用摄像头，采用Bowtech HD相机，具备30倍光学变焦和12倍数字变焦，能够为水下加工提供良好的视频图像基础。水下视觉摄像头：具有实时传递视频功能和高清摄像功能。（1）高清摄像功能主要用于局部排水腔单元到达缺陷部位后，拍摄缺陷的形状和尺寸，通过传递到岸上的计算机进行图像处理，重建缺陷三维模型，根据重建的缺陷三维模型进行切片，生成每层的加工的路径，然后根据加工路径生成CNC加工代码，传输到水下的六轴机械臂单元，带动激光增材单元和超声冲击单元进行运动加工，完成缺陷修复。（2）实时传递视频功能主要用于完成实时拍摄水下六轴机械臂单元、激光增材单元、超声冲击单元的运动情况，将视频资料实时传递到船上，掌控水下的加工过程，一旦出现排水失效，及时采取应急措施，关闭激光，将各个单元抬到最高位置，停止水下运动装置供电，利用牵引装置将局部排水腔单元抬出水面。
如图2所示，所述六轴机械臂单元12具有六个自由度，其运动端是末端旋转模块10，末端旋转模块10可以实现超声冲击单元6和激光增材单元4在局部排水腔单元3内的相对位置调整。通过旋转一定角度，在进行多道次激光增材加工时，始终保持激光增材单元4在前，超声冲击单元6在后，且它们的中心线都在运动路径平面内。
实施例2：
基于上述的双超声辅助水下激光增材装置，本实施例提供一种双超声辅助水下激光增材方法，实施过程主要包括如下步骤：
（1）通过船只将双超声辅助水下激光增材装置（包括局部排水腔单元3以及内置于局部排水腔单元3的超声振动单元、激光增材单元、超声冲击单元）运载至目标水域并投放到海水中，工程技术人员通过控制线缆将局部排水腔单元3移动至待修复工件部位，在局部排水腔单元3下水的过程中，通过空气口1往腔内一直充入高速空气，利用空气气流将局部排水腔单元3内的水排开，从而在水下形成局部干区。
（2）形成水下局部干区后，通过六轴机械臂单元12将激光增材单元4运动到指定的高度，使激光聚焦，根据待修复缺陷的形态，调用水下激光增材工艺数据库，规划加工路径。打开保护气口2，局部排水腔单元3内保护气达到指定的流量和压力时，关闭空气口1。针对不同的金属进行加工时，所使用的保护气氛主要包括氮气、氩气、氦气等。
（3）打开超声振动单元，利用第二液压缸13驱动第二液压推杆14，进而将连接在第二液压推杆14上的超声振动装置18向下运动，直至振动块19接触待修复部位表面，对待修复工件表面实施超声振动；
（4）打开激光增材单元、超声冲击单元，通过六轴机械臂单元，带动激光增材单元、超声冲击单元沿着规划的加工路径进行待修复部位的多道次复合加工：单道次复合加工过程中，激光增材单元位于超声冲击单元的前方，激光增材单元先在待修复部位进行激光增材加工形成熔覆层，而超声冲击单元滞后于激光增材单元，对所形成的熔覆层进行原位超声振动碾压，即可完成该道次的复合加工；具体地，激光增材单元出激光前，将配置的合金粉末输送到激光增材单元4中。激光增材单元采用同轴送粉方式在水下待修复工件表面形成熔覆层。在激光增材单道扫描过后，六轴机械臂单元12的带动超声冲击单元6对刚形成的单道进行超声振动碾压。如图5所示，通过第一液压缸8推动第一液压推杆7将超声冲击单元6的冲击针压21紧在金属材料表面，在一定的超声频率和压力的条件下，使激光增材单元4与超声冲击单元6顺序进行工作，完成单道激光增材和单道超声冲击加工。
当前道次的复合加工结束、进行下一道次的复合加工前，通过转动末端旋转模块，使得激光增材单元在前、超声冲击单元在后，接着按照规划路径完成这一道次的复合加工，以此循环，直至完成所有增材修复任务；具体地，如图6所示，激光增材单元4通过将末端旋转模块10转动180°，使得激光增材单元4和超声冲击单元6的相对位置对调，让它们的中心线都在运动路径平面内。锁定激光增材单元4和超声冲击单元6的相对位置后，继续激光增材制造和超声冲击，完成下一道次的加工。以此循环，直至完成所有增材修复任务。
（5）待修复部位的多道次复合加工完成后，将激光增材单元4、超声振动单元9、超声冲击单元6均升至最高位置，然后打开空气口1，空气达到指定的流量和压力时，关闭保护气口2，最后利用牵引装置将局部排水腔单元3牵引出水面。
