本发明专利技术公开了一种用于固相增材修复与再制造的预热装置及方法，包括线圈感应加热装置、激光预热装置、红外测温装置和固相增材装置，所述线圈感应加热装置设置于固相增材的轴肩外围，以对搅拌针与焊丝进行感应加热，所述激光预热装置安装于固相增材设备前方，当搅拌头沿着增材路径运动时，该激光预热装置输出激光光束预热位于路径前方的基板。所述红外测温装置安装于固相增材装置上方，对搅拌头、焊丝和基板温度进行实时测量。本发明专利技术所述的用于固相增材修复与再制造的预热方法及装置，实现了固相增材机构内搅拌头的预加热，避免了“冷态”下直接搅拌造成的搅拌头磨损，且焊丝与基板的同步预热，在保证增材质量与效率的同时也延长了搅拌头使用寿命。了搅拌头使用寿命。了搅拌头使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
一种用于固相增材修复与再制造的预热装置及方法
[0001]本专利技术涉及增材修复与再制造
，具体地说，是涉及一种用于固相增材修复与再制造的预热装置及方法。
技术介绍
[0002]武器装备在复杂多变的战场环境服役过程与多次往返战场过程中，结构件不可避免地会部分失效，发生腐蚀、磨损及疲劳损伤等破坏行为，带来功能降级问题，进而影响装备作战能力和服役寿命。装备战场抢修能够弥补战争中装备的损耗，使部队保持一定的持续战斗力。固相增材战场移动修复能够很好地满足战场所需，适应战场快速修复的要求。
[0003]目前，固相增材制造接技术是一种非常理想的修复与增材制造技术，增材过程中没有材料熔化，所以该技术可避免常见增材制造技术带来的裂纹和气孔等缺陷问题。增材过程中沉积层金属会发生强烈的塑性变形并伴随着强烈的再结晶，因此沉积层晶粒十分细小。固相增材制造过程中，高速旋转的搅拌头插入工件后沿规划的增材路径方向运动，利用搅拌头与接触部位产生摩擦热使沉积层金属被加热到塑性状态实现沉积层的重复堆叠。整个增材修复过程包括搅拌头旋转、插入、热塑化和平移焊接四个阶段。虽然对固相增材制造技术的研究已越来越深入，但该技术仍存在不足之处。
[0004]在固相增材制造过程中，摩擦产热量通常较低且工件温度低，材料变形抗力高，因此在制备高熔点金属构件时搅拌头要承受极大的扭矩与摩擦力，搅拌头很容易磨损和发生断裂。此外，固相增材制造接时搅拌头轴肩与工件摩擦的产热量远大于搅拌针产热量，紧邻轴肩的材料变形程度也最剧烈，变形温度与变形速率呈“上高下低”分布。此外，固相增材制造接过程中接头搅拌区各位置材料的流动速率、流动方向、变形温度与变形速率分布截然不同，最终接头内部不同区域生成的组织差异极大，接头内应力随之增加，导致构件各方面性能严重降低。
[0005]为了降低固相增材制造过程中搅拌头承受的扭矩及摩擦力，很多学者采用外加热源辅助的方式完成构件的固相增材修复与再制造。在辅热固相增材制造过程中首先利用其它辅助热源使基板预热并充分软化，然后再利用固相增材制造技术进行修复再制造。由于固相增材制造时工件已经充分软化，材料变形抗力极大降低，因此增材过程中搅拌头承受的扭矩与摩擦力也极大地降低，搅拌头的剧烈磨损与断裂可有效避免。此外，辅助热源的加入可增加材料的流动性从而有效避免沉积层中产生疏松、孔洞等缺陷。
[0006]针对固相增材修复与再制造过程，研发基于辅助预热与自预热的固相增材沉积棒材与基板预热方法与装置，提高固相增材修复与再制造的生产效率。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是设计一种用于固相增材修复与再制造的预热装置及方法。
[0008]本专利技术要解决的主要问题是：钛合金、钢等高熔点材料的现有固相增材方法具有搅拌头寿命低、成本高、质量不稳定等问题。
[0009]本专利技术中提及的一种用于固相增材修复与再制造的预热装置，包括电机、搅拌头、红外温度检测装置、线圈感应加热装置、激光预热装置、激光控制器、固相增材电机控制器、基板和沉积棒材；
[0010]所述电机安装于固相增材装置上，用于控制搅拌头旋转速度；
[0011]所述搅拌头包括与所述电机的输出轴夹持固定的夹持区、与所述夹持区的下端固定连接的轴肩以及与所述轴肩下表面中心固定连接的搅拌针，所述轴肩的中心轴线与所述搅拌针的中心轴线重合；
[0012]所述红外温度检测装置安装于包括一号红外温度检测装置和二号红外温度检测装置，所述一号红外温度检测装置用于检测线圈感应加热装置感应加热过程中搅拌针与沉积棒材实时温度，并输出温度信号1，所述二号红外温度检测装置用于检测激光预热装置预热过程中激光预热区实时温度，并输出温度信号2；
[0013]所述线圈感应加热装置包括感应线圈、上部线圈升降装置、下部线圈升降装置和感应控制电机，所述感应线圈螺旋缠绕在轴肩外表面，该感应线圈上下分别通过所述上部线圈升降装置和所述下部线圈升降装置与与所述感应控制电机连接，该感应控制电机与所述固相增材电机控制器连接，在增材过程中该感应线圈具备垂直方向上的弹性收缩功能，通过一控制开关调控线圈升降装置进而根据工况实时调节线圈距工件的垂直距离；
[0014]所述激光预热装置设置于所述搅拌头增材移动方向的前端，对增材路径前方的待预热区进行预热；
[0015]所述激光控制器集成输入一号红外温度检测装置信号的温度反馈信号1与二号红外温度检测装置信号的温度反馈信号2与激光预热装置数据，通过对实时反馈的红外温度检测装置信号进行动态判定，运算并控制激光器输出激光，动态调节激光预热装置；
[0016]所述固相增材电机控制器集成输入一号红外温度检测装置信号的温度反馈信号1、电机数据与线圈感应加热装置数据，通过对实时反馈的一号红外温度检测装置信号进行动态判定，运算并控制电机转速与感应控制电机输入功率，以动态调节电机与线圈感应加热装置；
[0017]所述基板用于固相增材修复与再制造金属零部件的构造平台；
[0018]所述沉积棒材用于固相增材修复与再制造金属零部件的构造。
[0019]优选地，所述激光预热装置包括激光发生器与激光头。
[0020]本专利技术中提及的一种用于固相增材修复与再制造的预热方法，其具体内容为：
[0021](5)打开激光预热装置，对固相增材区基板区域进行预热；
[0022](6)打开线圈感应加热装置，对搅拌针与沉积棒材进行预热；
[0023](7)红外温度检测装置实时监测搅拌针、沉积棒材与基板预热区温度；
[0024](8)启动电机，将搅拌头对准基板表面，启动后在轴向压力作用下旋转，沿预设增材方向对预热软化后的表面进行固相增材修复与再制造。
[0025]优选地，所述步骤(1)中，在起始阶段，激光预热装置首先对固相增材区基板起始区域(初始搅拌头正下方区域)进行预热；
[0026]优选地，所述步骤(1)中，随着固相增材过程的进行，激光预热装置的作用中心在搅拌头沿增材方向的前部，与搅拌头中心之间的水平距离L＝20
‑
40mm；
[0027]优选地，所述步骤(1)中，激光预热装置的输出功率P＝450
‑
5000W，激光摆动光斑
直径为5
‑
15mm，基板在增材之前的温度为200
‑
600℃；
[0028]优选地，所述步骤(2)中，线圈感应加热装置的电流频率f＝15
‑
80kHZ，线圈匝数N＝15
‑
50匝，所述线圈感应加热装置加热中心与搅拌针中心在同一直线上，感应加热区域直径与搅拌头轴肩直径相同；
[0029]优选地，所述步骤(2)中，在固相增材电机控制器内部预先设置搅拌针与沉积棒材在增材之前的温度为300
‑
500℃，当达到固相增材电机控制器内部预先设置的预热温度时，搅拌头向下运动，固相增材电机控制器通过控制开关调节与感应电机相连接的感应线圈升降装置以控制弹性感应线圈垂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于固相增材修复与再制造的预热装置，其特征在于，包括电机、搅拌头、红外温度检测装置、线圈感应加热装置、激光预热装置、激光控制器、固相增材电机控制器、基板和沉积棒材；所述电机用于控制搅拌头旋转速度；所述搅拌头包括与所述电机的输出轴夹持固定的夹持区、与所述夹持区的下端固定连接的轴肩以及与所述轴肩下表面中心固定连接的搅拌针，所述轴肩的中心轴线与所述搅拌针的中心轴线重合；所述红外温度检测装置包括一号红外温度检测装置和二号红外温度检测装置，所述一号红外温度检测装置用于检测线圈感应加热装置感应加热过程中搅拌针与沉积棒材实时温度，并输出温度信号1，所述二号红外温度检测装置用于检测激光预热装置预热过程中激光预热区实时温度，并输出温度信号2；所述线圈感应加热装置包括感应线圈、上部线圈升降装置、下部线圈升降装置和感应控制电机，所述感应线圈螺旋缠绕在轴肩外表面，该感应线圈上下分别通过所述上部线圈升降装置和所述下部线圈升降装置与与所述感应控制电机连接，该感应控制电机与所述固相增材电机控制器连接，在增材过程中该感应线圈具备垂直方向上的弹性收缩功能，通过一控制开关调控线圈升降装置进而根据工况实时调节线圈距工件的垂直距离；所述激光预热装置设置于所述搅拌头增材移动方向的前端，对增材路径前方的待预热区进行预热；所述激光控制器集成输入一号红外温度检测装置信号(温度反馈信号1)与二号红外温度检测装置信号(温度反馈信号2)与激光预热装置数据，通过对实时反馈的红外温度检测装置信号进行动态判定，运算并控制激光器输出激光，动态调节激光预热装置；所述固相增材电机控制器集成输入一号红外温度检测装置信号(温度反馈信号1)、电机数据与线圈感应加热装置数据，通过对实时反馈的一号红外温度检测装置信号进行动态判定，运算并控制电机转速与感应控制电机输入功率，以动态调节电机与线圈感应加热装置；所述基板用于固相增材修复与再制造金属零部件的构造平台；所述沉积棒材用于固相增材修复与再制造金属零部件的构造。2.一种用于固相增材修复与再制造的预热方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)打开激光预热装置，设置激光预热装置的输出功率P＝450～5000W，激光摆动光斑直径为5～15mm，基板在增材之前的温度为200～600℃，在起始阶段对固相增材区基板起始区域(初始搅拌头正下方区域)进行预热，之后设置激光预热装置的作用中心在搅拌头沿增材方向的前部，与搅拌头中心之间的水平距离L＝20～40mm；(2)打开线圈感应加热装置，设置线圈感应加热装置的电流频率f＝15～...
【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，高转妮，王磊磊，黎一帆，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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