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1、(10)申请公布号 CN 104284753 A (43)申请公布日 2015.01.14 C N 1 0 4 2 8 4 7 5 3 A (21)申请号 201380023265.7 (22)申请日 2013.05.13 61/645,824 2012.05.11 US 13/799,092 2013.03.13 US B23K 31/12(2006.01) B23K 37/04(2006.01) G01N 3/58(2006.01) (71)申请人西门子能量股份有限公司 地址美国佛罗里达州 (72)发明人 G.J.布鲁克 B.W.希恩 A.卡梅尔 (74)专利代理机构北京市柳沈律师事务所 。
2、11105 代理人赵燕青 (54) 发明名称 评估表面呈现角度的工艺效果 (57) 摘要 一种用于评估表面呈现角度(A)的效果的装 置(10)和方法。所述装置以串型布置而支撑在 端板(22)之间由支撑板(18)分离的多个样品 (12)。槽(34)形成在每个支撑板的每一侧上，用 于以相对于冲击轴线(32)的不同角度接收每个 相应样品的边缘。夹持机构(20)保持所述端板、 支撑板和样品在以不同呈现角度暴露各样品表面 的固定定向上在一起，但又在距工艺终端执行器 (30)的相同距离处。所述样品冲击表面暴露到所 述工艺，并且不同表面呈现角度的效果从所述样 品确定。抗衡表面呈现角度的效果的工艺变量可 以被。
3、确定和控制。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.11.03 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2013/040756 2013.05.13 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/170253 EN 2013.11.14 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104284753 A CN 104284753 A 1/2页 2 1.一种用于评估表面呈现角度的效果的装置，所述装置包括： 相对的端板和。
4、布置在所述端板之间的支撑板； 形成在所述支撑板的第一侧上的第一槽，所述第一槽用于以相对于冲击轴线的第一角 度在其中接收第一样品的边缘；和 形成在所述支撑板的相对第一侧的第二侧上的第二槽，所述第二槽用于以相对于冲击 轴线的第二角度在其中接收第二样品的边缘，所述第二角度不同于所述第一角度；和 夹持机构，所述夹持机构用于在工艺过程中施力，使端板与支撑板以及设置在端板和 支撑板之间的第一样品和第二样品在一起，以保持样品在其相对于冲击轴线的各自不同角 度上，使得所述第一样品的表面呈现角度不同于所述第二样品的表面呈现角度。 2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置与冲击轴线之间的相对运动限定沿各 个样。
5、品的冲击线；并且还包括： 第一槽和第二槽，所述第一槽和第二槽形成为使得当所述装置从一侧在垂直于冲击轴 线的方向上观察时，沿各样品的冲击线在冲击轴线的相同点处对准，以保持冲击线在冲击 轴线的同一点处。 3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述夹持机构包括穿过在端板中的开口的螺纹 杆，和拧在杆上并将所述杆置于张力下以施力使端板在一起的至少一个螺母。 4.根据权利要求3所述的装置，所述装置还包括： 形成在所述支撑板中的孔，并且所述杆穿过所述支撑板孔；和 形成在每个端板的一侧的槽，所述槽用于接收各自样品的相对边缘在其中。 5.根据权利要求4所述的装置，所述装置还包括螺母，所述螺母在所述支撑板的每个 相。
6、对侧上拧到所述杆上，并且所述螺母相对于所述杆并且相对于所述端板固定支撑板在其 间。 6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑板包括陶瓷材料。 7.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括温度控制系统，所述温度控制系统用 于在工艺过程中保持第一样品在不同于第二样品的温度的温度下。 8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述夹持机构包括穿过在所述端板和所述支撑 板中的各自开口的螺纹杆，以及在每个所述端板和所述支撑板的每一侧上拧到所述杆上的 螺母，以相对于所述杆并且相对于彼此固定所述板。 9.一种用于评估表面呈现角度的效果的装置，所述装置包括： 每个包括各自的冲击表面的多个样品；和 将多个样品支撑。
7、在固定的相对定向的夹具，所述定向以相对于冲击轴线的各自不同的 角度呈现各自的冲击表面。 10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述夹具还包括： 分离每对相邻的样品的支撑板；和 将所述样品和支撑板在固定的相对位置中挤压在一起的夹持机构。 11.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括： 在所述装置的每个端部布置抵靠相应端部样品的端板； 形成在每个端板的一侧和在每个支撑板的每个相对侧上的槽，所述槽用于接收各自样 品的相应边缘，以各自相对于冲击轴线的角度形成的所述槽有效地以它们各自相对于冲击 权 利 要 求 书CN 104284753 A 2/2页 3 轴线的不同角度呈现各自的冲击表面。 12.根。
8、据权利要求10所述的装置，所述装置还包括形成在所述支撑板的相对侧上的 槽，每个槽以各自相对于冲击轴线的不同角度中的一个角度形成，使得当样品的边缘布置 在相应槽内时，冲击表面以它们各自相对于冲击轴线的不同角度呈现。 13.根据权利要求12所述的装置，所述装置还包括槽，所述槽形成为使得当所述装置 沿着垂直于冲击轴线的轴线运动时，所有的冲击表面在相同点处交叉所述冲击轴线。 14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述夹持机构还包括： 形成在每个支撑板中的孔； 穿过所述孔的杆；和 在每个支撑板的每个相对侧上拧到所述杆上的螺母，所述螺母用于相对于所述杆将相 应的支撑板固定在其间。 15.根据权利要求9所述。
9、的装置，所述装置还包括串型结构，其中，各对样品由各自的 支撑板分开并且沿着杆邻近地布置。 16.一种用于评估表面呈现角度的效果的方法，所述方法包括： 将多个样品紧固在以固定的相对定向支撑所述样品的夹具内，所述定向以相对于冲击 轴线的各自不同角度呈现各自的冲击表面； 将终端执行器移动经过所述夹具和样品，以陆续地暴露每个相应的冲击表面到工艺； 以及 评估所述样品以确定不同的表面呈现角度的效果。 17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括响应各自的冲击表面的表面呈现角 度而控制工艺变量，以抗衡表面呈现角度的效果。 权 利 要 求 书CN 104284753 A 1/4页 4 评估表面呈现角度的。
10、工艺效果 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求2012年5月11日提交的美国临时专利申请编号61/645,824的优先 权，其通过引用合并于本文中。 技术领域 0003 本发明总体涉及计量领域。 背景技术 0004 诸如激光或电子束的能量束已知用作对某些制造和修复工艺的热源，所述工艺诸 如在燃气涡轮发动机部件的修复过程中可以使用的诸如焊接、表面硬化和涂层覆盖。能量 束的入射角是影响所述工艺的质量的重要变量。美国机械工程师协会(ASME)锅炉和压力 容器规范第IX节确定射束轴线与冲击工件表面之间的相对角度(入射角)的多于10度 的变化是对这样的工艺的重要变量。有角度的表面会导致以另。
11、外方式聚焦的并且最大功率 密度的射束在具有椭圆形而非圆形的更广阔表面上分布。此外，重力的作用随着经受处理 的表面从水平方向倾斜而变化，而且这样的变化负面地影响利用焊接熔池或粉末的工艺。 已经公布了相对小的工作以量化对材料和/或热添加剂工艺的这些影响。 附图说明 0005 本发明在考虑附图的以下描述中解释，附图显示了： 0006 图1是用于评估表面呈现角度(surface presentation angle)的效果的装置的 实施例的平面图。 0007 图2是图1的装置的支撑板和能量源的侧视图，它们在工艺过程中可能会被相对 地定位。 0008 图3是图1的装置的侧视图，示意性地图示了用于样品的温。
12、度控制系统。 0009 图4是用于评估表面呈现角度的效果的装置的另一实施例的平面图。 具体实施方式 0010 术语“表面呈现角度”在本文中通常用于描述接受处理的表面相对于参考方向的 定向，例如相对于能量束的入射角或相对于水平方向。 0011 本发明对于评估表面呈现角度对材料和/或热添加剂工艺的效果是有用的，所述 工艺诸如激光或电子束焊接、激光表面硬化覆盖、激光耐腐蚀覆盖等等。本发明提供了一 种设备，其以各种不同的、已知的和受控的表面呈现角度固定样品阵列，使得处理设备的单 次过程(single pass)产生对处理过的测试样品的全面补充。通过随着所述工艺在不同角 度的表面上进行而保持工艺变量不变。
13、，表面呈现角度的效果可以被演示。可选地，通过对每 个不同角度的表面改变工艺变量，工艺可以有资格对一系列的表面呈现角度产生一致的结 果。 说 明 书CN 104284753 A 2/4页 5 0012 图1示出用于评估表面呈现角度的效果的装置10的一个实施例。图1是仅利用 两个样品的本发明的简化实施例。虽然这个简化实施例对说明和讨论的目的是有用的，但 本领域技术人员将认识到的是，对于在更宽的角度范围内评估表面呈现角度的效果，两个 以上的样品可以是优选的。所述装置10示出两个样品12、12和以在各自的不同角度下呈 现其各自冲击表面16、16的固定的相对取向来支撑样品12、12的夹具14。夹具14包。
14、括 布置在样品12、12之间的支撑板18。所述夹具还包括挤压两个端板22、22在一起以保持 所述支撑板18与样品12、12在固定的相对位置中在一起的夹持机构20。在此实施例中， 夹持机构20包括两个螺纹杆24，螺纹杆24由拧到杆24的端部上的螺母26张力地保持，用 于施力使所述端板22、22定向彼此。所述杆24穿过在端板22、22中的孔28。在其它实 施例中，样品可以是更大的，并且还可以包括用于容纳杆24的通过的孔。 0013 本领域技术人员将理解的是，可以使用其它形式的夹持机构以施力使所述装置在 一起，例如C型夹、具有固定头部的螺栓、部分地或间断地带螺纹的杆、弹簧加载设备、有螺 母在一个端部。
15、上焊接到位的杆等。 0014 图2是示出所述样品如何保持在适当的角度的所述支撑板18的侧视图。如当装 置10在材料和/或热添加剂的工艺过程中使用时可能呈现的，图2示出了能量源30和来自 能量源30的能量束的冲击轴线32。支撑板18包括形成在两个相对的侧面36、36的每个 上用于接收各自样品12、12的相应槽34、34。在图2的实施例中，槽34(因为它是在隐藏 的侧面36上所以用虚线示出)形成为具有大致水平并垂直于冲击轴线32的纵向定向。槽 34形成为具有与水平方向成角度的纵向定向，使得冲击表面16将具有相对于冲击轴线 32的入射角A。各自的样品12、12的边缘在槽34、34内被接合，以定位样品。
16、12、12具 有所希望的表面呈现角度(即，在所示实施例中，对样品12是90而对样品12是A)。 要注意的是，在图1中示出的端板22、22也具有用于接收样品12、12的相对边缘的相应 槽。在各种实施例中，根据提供样品12、12的所期望的位置精确程度和支撑的需要，这样 的槽可以仅提供在端板中、仅提供在所述支撑板中，或在两者中都提供。其它实施例可以有 两个以上的样品，形成槽以在诸如15、30、45、60、75、和90的角度下呈现样品 冲击表面。 0015 在图2中，示出了点38，其确立了沿冲击轴线32距能量源30的固定距离。随着所 述能量源30在工艺过程中相对于装置10移动，槽34、34都形成为使得。
17、样品12、12的各 自冲击表面16、16被装置10保持在沿着冲击轴线32距能量源30的这个固定距离处。随 着能量源30相对于装置10移动，建立了在能量束与样品12、12之间的如在图1中示出的 交叉线40，并且那条线40在图2的垂直于冲击轴线32所见的侧视图中显示为点38。与表 面呈现角度仅是90比较，通过在能量源30与沿样品12、12的交叉线40之间保持固定 的距离，在所述冲击表面16、16处的能量通量的变化独立于表面呈现角度A的效果。在 从一个样品12移动到下一个样品12时，槽34、34形成为使得交叉线40可以被视为旋转 轴，以使表面16、16各自出现在距离能量源30的等距离处。 0016 。
18、本领域技术人员将理解的是，在装置10与能量源30(或其它处理设备)之间的相 对运动可通过移动装置10或移动能量源30或移动两者而实现。随着它们单独地和连续地 经受如能量源30相对于装置10横移的过程，装置10不仅固定样品在它们的相对取向上， 而且在样品12、12之间的支撑板18的存在也提供了样品12、12的一定程度的物理隔离。 说 明 书CN 104284753 A 3/4页 6 所述装置10可以由钢、铝或其它合适的金属形成，并且在一个实施例中，支撑板18可包括 陶瓷材料以提供在样品12、12之间的额外热隔离。当希望在工艺过程中保持两个样品12、 12在不同的温度下时，以及当重要的是确保样品中。
19、的一个的处理不会无意中影响(如预 热)随后第二样品的处理时，这可以是有用的。图3示出了装置10和温度控制系统42的 侧视图，所述温度控制系统42包括用于引导未加热的空气越过样品12并用于引导空气通 过加热器46然后越过样品12的风扇44。这样的布置有利于数据的收集，所述数据涉及与 表面呈现角度的效果结合的所述工艺中的样品温度的影响。可以设想其它的温度控制系 统，诸如施加到至少一个样品上的电阻加热器、冷却在样品上通过的空气的冷却器的使用、 感应线圈、水冷冷却模块等。 0017 相对于图1的两个样品，图4示出了其中六个样品52以六个不同的表面呈现角度 固定的装置50。图4的支撑板54和端板56具有。
20、类似的尺寸，使得螺纹杆58穿过每块板 54、56，形成沿着杆交替布置样品和板的可以被描述为“串型(shish kebab)”的结构。在这 个实施例中，螺母60设置在各个板54、56的每一侧上，每个螺母60对相应的板施力以相对 于所述杆并相对于相邻板保持所述板在固定位置。在每个板的两侧上准备螺母60提供用 于约束可能另外由正常的加工公差引入的尺寸变化的额外固定精确程度。 0018 本发明的其它实施例可以使样品倾斜到处理平面(由冲击轴线和行进运动建立 的平面)的任一侧或两侧。另外，角度可能在处理平面内倾斜到定向或远离冲击轴线的一 侧。 0019 在使用中，所述装置10、50被组装以支撑样品，随后其。
21、被放置在邻近工艺终端执 行器(process end effector)的工作台上，所述终端执行器诸如激光束和粉末放出喷嘴。 所述工艺然后被激活，并且终端执行器跨过所述装置而移动，使得诸如激光熔覆的所述工 艺连续地在每个样品上进行。在终端执行器越过端板和支撑板时，所述工艺可以被暂时地 中断。对样品可以一次或多次地进行所述工艺。然后将该装置拆开，对样品进行检查，以确 定所述工艺的结果。如果工艺变量保持不变，则表面呈现角度的效果将被演示在样品中。可 以对所述工艺进行评估，以确定可以改变以抵消表面呈现角度的影响的工艺变量。随着终 端执行器作用在整个装置中的每个相应样品上，一组样品可暴露到有这样的被适。
22、当地控制 的参数的工艺。如果这样的样品证明工艺结果在样品之间相似性的期望程度内，则所述工 艺对在表面呈现角度的被证明的范围内使用可以是合格的。以这样的方式，可以做基本的 调查以单独地或与其它样品和工艺的属性结合地量化表面呈现角度的效果，例如但不限于 以下内容： 0020 工艺属性 激光相变硬化表面粗糙度 吸收激光束的涂层 激光焊接作用在穿透上的反射率 作用在等离子抑制气体上的反射率 说 明 书CN 104284753 A 4/4页 7 作用在熔池上的重力 电子束焊接偏转电子束的充电效应 影响穿透的功率密度变化 激光熔覆重力作用 作用在粉末捕获效率上的反射率 作用在来自基底的稀释物上的反射率 水射流切割影响切割质量的水流偏转 0021 0022 虽然本发明的各实施例已经在本文中被示出并描述，但将显而易见的是，这样的 实施例是仅以示例的方式提供的。可以做出多种变化、改变和替换，而不脱离在本文中的本 发明。因此，意图是本发明仅由所附的权利要求书的精神和范围限制。 说 明 书CN 104284753 A 1/2页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104284753 A 2/2页 9 说 明 书 附 图CN 104284753 A 。