CN103433487A - 一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，可以根据相邻熔覆道的临界理想搭接模型推导出有关于熔覆线宽和线高的公式，通过公式可以计算出相邻熔覆道的理想搭接率（最佳扫描间距），以此作为工艺参数来进行熔覆线搭接成面的平面扫描过程。通过该模型可以科学高效的确定出最佳扫描间距，从而提高搭接面的成形平整度，避免了重复繁琐、费时费力的实验摸索过程，同时又节省了原材料与设备损耗等制造成本，适于推广应用。

Description

一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法

技术领域

本发明涉及快速成形与快速制造技术领域，尤其是涉及一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法。

背景技术

激光直接快速成形技术是在80年代末期出现的快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板上逐线、逐层地熔覆堆积出任意形状的功能性三维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。它的出现给装备制造业带来了全新的技术理念。该技术融合了CAD、激光加工、材料科学、数控加工等相关领域的关键技术，以“离散+堆积”为成形理念，能够在无工模具的情况下由计算机驱动直接沉积成形金属零件，因此，在很大程度上节省了制造周期和开销。虽然该技术将现有的快速成形技术推进到直接成形全密度高强度功能性金属零件的新高度，但零件的形状和尺寸精度一直是限制其广泛应用和飞速发展的制约因素，所以应从该技术成形原理为切入点考虑解决方法。由于该技术是一个由线到面、由面到体的三维实体零件成形过程，所以应从成形实体的单元或基础入手来解决问题。也就是说，只有沉积过程中产生的熔覆线线形连续规整、等宽等高，相邻熔覆线的搭接面光滑平整，才能从根本上提高最终生成的三维实体零件的尺寸与形状精度。连续规整熔覆线可以采用工艺参数常用值的不同组合来进行多次熔覆实验从而找出并确定，而相邻熔覆线的搭接面如何达到光滑平整，需要相关科学便捷、行之有效的方法来实现。

搭接率是激光直接成形金属零件技术中的一个重要工艺参数，搭接率的大小将直接影响到成形表面的宏观平整程度和质量精度。如果搭接率选择不当将导致成形表面出现凹凸不平。一旦出现这种情况，在成形各条熔覆道时的各工艺参数的实际值将不再保持一致，成形表面的平整度将很难得到保证，而且这种不平整度会随着加工过程的层层沉积而加重，严重时甚至会导致激光直接成形过程无法进行下去。所以，在成形过程中要保证合适稳定的搭接率，使相邻熔覆道高度相同且其间的表面平整，搭接率过小会导致相邻熔覆道之间的凹陷，而过大又会产生后一熔覆道在前一熔覆道上的堆积。

发明内容

发明目的：

为了解决激光快速成形零件其尺寸与形状精度难以控制的问题，本发明提供了一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，有效降低了制造成本，又提高了加工效率。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征在于：步骤如下：

（1）针对镍基合金和不锈钢成形金属粉末原材料，根据激光快速成形技术所涉及的激光功率、光斑直径、送粉速率、扫描速度工艺参数的系统许用范围，选取常用值的不同组合来进行单道熔覆实验，确定获得形状最规整、尺寸最均匀的熔覆线的最优工艺参数组合，然后采用此参数组合来进行单道熔覆线的沉积实验，并对此组参数下生成的熔覆线线宽和线高进行实际测量和记录；

（2）接着，根据实际观测到的单道熔覆线横截面形状，将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，在搭接熔覆成形的过程中，只有搭接率选择合适，两相邻熔覆道之间才能表面平整且两熔覆道高度相同，此理想状态下的搭接率称为临界搭接率，建立临界搭接率时的理想搭接模型，根据模型中的几何图形关系，推导出以熔覆线线宽和线高为变量的面积公式，然后根据优化算法流程，确定最佳扫描间距，进而算出临界搭接率；把最佳扫描间距即临界搭接率的理论计算值作为适合的最佳参考值来指导成形实验，在此参考值下成形的搭接面最为平整光滑。

将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，搭接率为临界搭接率的情况下，两相邻熔覆道之间表面视为平整且两熔覆道高度相同。

两相邻熔覆道的理想搭接模型，是将两相邻圆的搭接重合部分面积视作恰好等于两圆外轮廓与外公切线组成的凹陷部分面积。

根据优化算法流程，通过计算确定最佳扫描间距和临界搭接率的值，以此作为参考值提高成形金属零件的表面平整度和几何尺寸精度。

优点及效果：

本发明涉及一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，可以在减少实验量的基础上，科学准确地确定出最佳扫描间距，提高激光快速成形零件分层切片实际成形表面的平整度，从而改善层层堆积所生成的三维实体零件的形状与尺寸精度。因为现有技术都是通过实验尝试摸索的方法来找出最佳扫描间距，费时费力，不经济不可靠。

附图说明：

图1是单道熔覆层横截面的金相显微组织照片；

图2是不同搭接率对熔覆层横截面形状的影响对照图，其中图2（a）搭接率过小，图2（b）搭接率合适，图2（c）搭接率过大；

图3是理想搭接状态熔覆层横截面形状示意图；

图4是优化算法流程图；

图5是多道搭接平面扫描实验示意图；

图6是平面扫描实验表面及截面形貌对照图，其中图6（a）中S=2.1mm，图6（b）中S=1.7mm，图6（c）中S=1.3mm。

附图标记说明：

1、基板，2、熔覆层。

具体实施方式：

激光快速成形零件的形状和尺寸精度一直是限制其应用及发展的制约因素，所以应从该技术成形原理为切入点考虑解决方法。即提高零件分层切片实际成形表面的平整度，从而改善层层堆积所生成的三维实体零件的精度。

本发明提供了一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，该方法可以在测量熔覆线高度、宽度的基础上，根据相邻熔覆道的临界理想搭接模型推导出有关于熔覆线线宽和线高的公式，通过公式可以计算出相邻熔覆道的理想搭接率，也就是最佳扫描间距，以此作为工艺参数来进行熔覆线搭接成面的平面扫描过程。该发明的核心思想和理论依据是临界理想搭接模型，通过该模型可以科学高效的确定出最佳扫描间距，从而提高搭接面的成形平整度，避免了重复繁琐、费时费力的实验摸索过程，同时又节省了原材料与设备损耗。因此，该发明对于激光快速成形技术来说，既降低了制造成本，又提高了加工效率。

首先，针对镍基合金和不锈钢等成形金属粉末原材料，根据激光快速成形技术所涉及的激光功率、光斑直径、送粉速率、扫描速度等主要工艺参数的系统许用范围，选取常用值的不同组合来进行单道熔覆实验，即可确定获得形状最规整、尺寸最均匀的熔覆线的最优工艺参数组合，然后采用此参数组合来进行单道熔覆线的沉积实验，并对此组参数下生成的熔覆线线宽和线高进行实际测量和记录。接着，根据实际观测到的单道熔覆线横截面形状，将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分。在搭接熔覆成形的过程中，只有搭接率选择合适，两相邻熔覆道之间才能表面平整且两熔覆道高度相同，此理想状态下的搭接率称为临界搭接率。随之可以建立临界搭接率时的理想搭接模型，根据模型中的几何图形关系，可以推导出以熔覆线线宽和线高为变量的面积公式，然后根据优化算法流程，确定最佳扫描间距，进而算出临界搭接率。这样，就可以把最佳扫描间距（临界搭接率）的理论计算值作为适合的最佳参考值来指导成形实验，在此参考值下成形的搭接面应该最为平整光滑，申请者的相关实验也证明了本发明所建立的理想搭接模型的正确性和可靠性。

下面结合附图对本发明加做进一步的说明：

在图1中：表示单道激光熔覆横截面的金相照片，由于激光熔覆时熔池中液态金属的表面张力和重力作用，造成熔覆层团聚，故熔覆道横截面可以近似的看作圆的一部分。图中H代表单道熔覆层的高度，W表示单道熔覆层的宽度，R代表圆的半径。

在图2中：表示在搭接熔覆成形的过程中，不同的搭接率可能导致相邻熔覆道横截面出现的三种情况：

（1）搭接率太小，两相邻熔覆道之间有一条明显的凹陷区，但两熔覆道的高度相同，如图2(a)；

（2）搭接率选择合适，两相邻熔覆道之间的表面平整且两熔覆道高度相同，如图2(b)；

（3）搭接率太大，后一熔覆道由于堆积作用高于前一熔覆道，如图2(c)。

在图2所示的三种情况中，图2(b)的情况最为理想，所得熔覆层表面平整，各熔覆道的高度基本一致，相邻熔覆道间也没有出现明显的凹陷或凸起，使得在层层堆积熔覆时不易在两层之间形成气孔缺陷；图2(a)的成形情况比图2(b)稍差，各熔覆道的总体高度一致，因此熔覆层总体来说较为平整，但相邻熔覆道之间的凹陷容易在上下熔覆层之间形成孔洞等缺陷，降低成形件的致密度，甚至造成熔覆层开裂，这些都会恶化成形件的性能；图2(c)的情况从成形的角度而言是应该极力避免的，因为整个熔覆层的表面呈现出凸起的斜坡，在进行层层沉积熔覆时，由于熔池内金属液体的流动，其倾斜角度将逐渐增大，最终将导致成形表面的尺寸精度完全无法保证。这种误差累积作用将使成形件表面凹凸现象加重，由此引起成形过程的失败。

在图3中：表示获得图2(b)中熔覆效果时的搭接率η_c（即临界搭接率）的理想搭接模型，图3为两相邻熔覆道处于理想搭接状态的横截面图，两相邻熔覆道的最高点高度和横截面面积相等，前一道熔覆宽度为W，横截面可以近似的看作圆C₁的一部分，后一道的右半部分的形状也可以近似看作圆C₂的一段弧，而C₁、C₂之间的熔覆表面为平面。所得熔覆层表面平整，使得在左右相邻熔覆道和上下相邻熔覆层之间不易形成气孔疏松等缺陷。面积A₁代表熔覆道截面间的凹沟，面积A₂代表熔覆道截面搭接部分，对于理想搭接状态，面积A₁和A₂相等，此时搭接部分面积A₂恰好填补到凹沟面积A₁上，搭接熔覆表面平整光滑，此时的搭接率为临界搭接率η_c、扫描间距为最佳扫描间距S，所以确定η_c/S是至关重要的。在这里根据理想搭接模型采用优化算法来计算η_c/S。

由图3中的几何关系可知，圆C₁的圆心坐标为(0,H-R)，因此可得圆C₁方程，如式(1)所示：

x²+[y-(H-R)]²＝R²         (1)

其中：

$R=\frac{W^2/4+H^2}{2H}---\left(2\right)$

当y≥0时，式(1)可改写成下面的形式：

$y=f\left(x\right)=\sqrt{R^2-x^2}+(H-R)---\left(3\right)$

因此可用积分法计算出面积A₁、A₂的值，计算公式如式(4)、(5)所示。

$A_1=H\·S-2{\∫}_0^{\frac{S}{2}}(\sqrt{R^2-x^2}+H-S)\mathrm{dx}=R\·S-R^2\arcsin \frac{S}{2R}-\frac{S}{2}\sqrt{R^2-{\left(\frac{S}{2}\right)}^2}---\left(4\right)$

$A_2=2{\∫}_{\frac{S}{2}}^{\frac{W}{2}}(\sqrt{R^2-x^2}+H-S)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

$=[R^2\arcsin \frac{W}{2R}+\frac{W}{2}\sqrt{R^2-{\left(\frac{W}{2}\right)}^2}]-[R^2\arcsin \frac{S}{2R}+\frac{S}{2}\sqrt{R^2-{\left(\frac{S}{2}\right)}^2}]+(H-R)(W-S)$

由图3可知S∈[0,W]，当S=0时，η_c=100%；当S=W时，η_c=0，因此临界搭接率η_c计算公式可以写成式(6)的形式。

${\mathrm{\η}}_c=\frac{W-S}{W}\×100\%---\left(6\right)$

确定临界搭接率的过程实质就是调整扫描间距的值，使之达到最佳扫描间距S，此时A₁=A₂。为此，将熔覆道宽度W进行足够大的n等细分并且设置足够小的误差精度ε，寻找S=(W/n)·i i∈[0,n]，使|A₁-A₂|<ε。其优化算法如图4所示。

这样，只要根据熔覆实验测量出某一特定工艺参数下的单层熔覆厚度H和单道熔覆宽度W，就可以根据优化算法计算出理想状态下的扫描间距S，则依照临界搭接率η_c的公式定义(6)，就可以计算出临界搭接率η_c。当然以上公式是在理想状态下推导得出，实际上由于表面张力的作用，搭接表面不可能为绝对的平面，熔覆道的横截面还是会有凸起的弧形，在相邻熔覆道之间也会有凹陷（如图5所示），特别是在熔覆层厚度较大的情况下，熔覆层横截面的曲率比薄熔覆层要大得多，所以要避免过大的熔覆层厚度。一般来说，为了保证熔覆道搭接表面的平整度，熔覆道横截面应该控制在半圆形以内，上述模型也是基于这种情况考虑的。

下面结合具体实施例对本发明加做进一步的说明：

实施例：

根据本发明中快速成形技术的主要工艺参数范围（见表1），选取不同的常用值组合进行单道熔覆实验（即激光功率P选取500/600/700/800/900W，光斑直径D选取2/3/4mm，送粉速率M选取2/4/6/8/10g/min，扫描速度V选取2/4/6/8/10mm/s），综合比较上述各工艺参数组合下所有实验的熔覆效果，发现在激光功率P=700W、光斑直径D=3mm、送粉速率M=4g/min、扫描速度V=6mm/s这组参数下成形的熔覆道线宽和线高最稳定，几何形状最规整，尺寸最均匀，表面光洁度相对较高，与基体的浸润性最佳；采用上述的工艺参数组合，测得单层熔覆厚度H=0.28mm，单道熔覆宽度W=1.91mm；取细分量n=100000并且设置误差精度ε=0.00001，经过优化计算得到如下结果：圆半径R=1.7686mm、凹沟面积A₁=0.05287mm²、搭接面积A₂=0.05288mm²、最佳扫描间距S=1.3mm、临界搭接率η_c=32%。为了检验由理想搭接模型计算确定最佳扫描间距的可行性，采用上述最佳工艺参数组合和不同扫描间距进行了多道搭接平面扫描实验，其示意图见图5。图6中的平面扫描试样从(a)至(c)扫描间距依次采用2.1mm、1.7mm和公式计算得出的最佳扫描间距1.3mm，从中很明显可以看出采用最佳扫描间距（S=1.3mm，η_c=32%）的平面扫描搭接效果最好，表面最平整均匀。为了量化平面搭接实验的结果，测量每次平面扫描实验中熔覆道最高点与其相邻熔覆道凹陷处之间的高度差（任意取三条熔覆道测量三次取平均值），得出的结果见表2，从表中可以看出当扫描间距为1.3mm时高度差最小，表面最平整。图6和表2都说明了可以把最佳扫描间距计算值作为适合的最佳参考值来指导成形实验，证明了本发明所建立的理想搭接模型的正确性和可靠性。

表1实验采用的主要工艺参数范围

表2平面扫描实验熔覆道横截面凹凸点之间的高度差

结论：

本发明通过实际测量和记录一定工艺参数下生成的熔覆线线宽和线高，然后根据理想搭接模型计算得到的最佳扫描间距来进行快速成形分层切片截面轮廓几何信息的多道搭接平面扫描填充，进而层层堆积成形金属零件。在减少实验摸索、节省制造成本的前提下，既可以提高单层熔覆面的平整度，又可以改善堆积成形件的尺寸与形状精度。

Claims (4)

1.一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征在于：步骤如下：

（1）针对镍基合金和不锈钢成形金属粉末原材料，根据激光快速成形技术所涉及的激光功率、光斑直径、送粉速率、扫描速度工艺参数的系统许用范围，选取常用值的不同组合来进行单道熔覆实验，确定获得形状最规整、尺寸最均匀的熔覆线的最优工艺参数组合，然后采用此参数组合来进行单道熔覆线的沉积实验，并对此组参数下生成的熔覆线线宽和线高进行实际测量和记录；

（2）接着，根据实际观测到的单道熔覆线横截面形状，将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，在搭接熔覆成形的过程中，只有搭接率选择合适，两相邻熔覆道之间才能表面平整且两熔覆道高度相同，此理想状态下的搭接率称为临界搭接率，建立临界搭接率时的理想搭接模型，根据模型中的几何图形关系，推导出以熔覆线线宽和线高为变量的面积公式，然后根据优化算法流程，确定最佳扫描间距，进而算出临界搭接率；把最佳扫描间距即临界搭接率的理论计算值作为适合的最佳参考值来指导成形实验，在此参考值下成形的搭接面最为平整光滑。

2.根据权利要求1所述的提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征是：将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，搭接率为临界搭接率的情况下，两相邻熔覆道之间表面视为平整且两熔覆道高度相同。

3.根据权利要求1所述的提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征是：两相邻熔覆道的理想搭接模型，是将两相邻圆的搭接重合部分面积视作恰好等于两圆外轮廓与外公切线组成的凹陷部分面积。

4.根据权利要求1所述的提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征是：根据优化算法流程，通过计算确定最佳扫描间距和临界搭接率的值，以此作为参考值提高成形金属零件的表面平整度和几何尺寸精度。

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