CN103498142A

CN103498142A - 激光熔覆高温合金异型连接结构成形方法

Info

Publication number: CN103498142A
Application number: CN201310395387.0A
Authority: CN
Inventors: 吴复尧; 刘黎明; 杨宝付; 许沂; 微石; 王斌
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103498142B

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆高温合金异型连接结构成形方法。该方法先将需要熔覆连接的两个或多个零件加工出合适的连接坡口，利用侧向送粉喷嘴进行坡口底部的熔覆连接，当成形到一定高度时继续使用侧向送粉喷嘴或者更换为对称送粉喷嘴并调整熔覆成形工艺，进行整个连接坡口的熔覆成形，直至完成。本发明采用坡口加工、送粉喷嘴调整以及过程参数控制的方法，能够保障成形质量，实现激光成形高温合金异型连接结构的熔覆成形，从而实现激光熔覆成形高温合金大尺寸复杂结构件的制造。

Description

激光熔覆高温合金异型连接结构成形方法

技术领域

本发明属于金属特种成形加工技术领域，涉及一种高温合金异型连接结构的激光熔覆成形方法，特别针对激光成形制造复杂、大型高温合金结构件的一体化成形。

背景技术

航空航天飞行器上高温零部件较多，特别是发动机的高温区，几乎全部采用高温合金制造。采用的制造工艺一般为铸造、锻造、钣金等方法，而要进行大型结构件的制造，必须辅以焊接技术进行连接，对于复杂结构来说，焊接过程很难实现，不仅需要复杂的工装，还要对焊后进行校形或热处理，这将大大增加制造成本。对于性能要求高的大型复杂零件，采用传统连接方法还很难保证零件的整体性能。

采用激光熔覆连接技术，可以一体化制造高温合金结构件，能提高零件的整体刚度和强度。其次，在新型号研制过程中，大型复杂的高温合金结构件需要进行模具设计、加工和试制，如锻造和铸造，模具的设计和制造不仅周期长而且费用高，导致整个零件的研制周期变长成本增加，另外当设计部门需要修改设计的模型时，后期模具的设计和制造还需要重新制造。而激光熔覆成形技术是在无需专用工装模具的情况下，通过高功率激光熔化同步输送的高温合金粉末，逐点逐层堆积来成形金属零件的过程。这不仅能减少制造工装模具的时间和费用，还可以根据设计图纸的修改而时时改变成形工艺，达到设计与样件同步的研制过程。再次，该技术采用增量生长的方式成形零件，可显著提高材料利用率，而且成形构件仅需最终精加工，能大大缩短零件制造和研制周期，提高研制效率降低成本。

激光快速成形(Laser Rapid Forming，LRF)技术是二十世纪末期兴起的一项材料成形新技术。它是在快速原型制造技术基础上发展而来的，其基本原理为：先在计算机中建立零件的三维CAD模型，再利用分层切片软件将模型以一定的厚度分层切片，把零件的三维形状离散成一系列二维平面，由数控机床按照每一层的形状数据，控制高能激光束熔化同步送进的材料(一般为粉状或丝状)形成熔覆层，逐层堆积材料，最终获得三维实体零件或只需要进行少量加工的毛坯。而激光熔覆连接技术拓展了激光快速成形技术，即采用熔覆连接的方式制造大型的零部件，大大提高制造效率，因此具有很高的加工柔性，在航空航天领域高温合金大型复杂结构件的制造上具有广阔的开发应用前景。

发明内容

本发明的技术解决问题是：解决高温合金熔覆连接工艺问题，提供一种一体化成形高温合金复杂结构件的制造工艺方法，解决了目前很难一体化制造大型复杂高温合金结构件的问题。

本发明的技术解决方案是：先将需要熔覆连接的两个或多个零件加工出合适的连接坡口，利用侧向送粉喷嘴进行坡口底部的熔覆连接，当成形到一定高度时换为对称送粉喷嘴并调整熔覆成形工艺，进行整个连接坡口的熔覆成形，直至完成。具体方案如下：

一种高温合金异型连接结构的激光熔覆成形方法，其步骤包括：

1）在高温合金结构件的需要进行熔覆连接的部位加工坡口，利用三维建模软件建立该坡口的三维模型，并采用剖分软件对该三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统；

2）通过所述熔覆控制程序设定每层的剖分高度为0.1-0.2mm，采用侧向送粉喷嘴并通过数控系统控制其扫描速度为100-200mm/min，将送粉系统的送粉速度设定为5-8g/min，在高温合金结构件的相接的坡口上熔覆5-10层，形成基础熔覆层；

3）将所述侧向送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300mm/min，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.3mm-0.4mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，直至成形过程结束。

进一步地，进行步骤3）所述均匀稳定的成形过程中，当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，继续采用侧向送粉喷嘴，将其扫描速度调整为300-400mm/min，将送粉系统的送粉速度调整为10-15g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4mm-0.6mm，继续熔覆过程直至成形过程结束。

进一步地，进行步骤3）所述均匀稳定的成形过程中，当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，将侧向送粉喷嘴更换为对称送粉喷嘴，控制其扫描速度为300-400mm/min，将送粉系统的送粉速度调整为10-15g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4mm-0.6mm，继续熔覆过程直至成形过程结束。

进一步地，进行步骤2）和步骤3）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

优选地，所述送粉系统采用的高温合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

优选地，步骤2）形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为700-1000W，步骤3）当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，设定激光功率参数为2000-2500W，然后继续后续熔覆过程。

一种高温合金异型连接结构的激光熔覆成形装置，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴和机床台面置于成形室内，基板固定于机床台面上；所述激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并形成金属熔池，所述送粉系统用于将高温合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

进一步地，所述送粉喷嘴为侧向送粉喷嘴或对称送粉喷嘴。

本发明采用坡口加工、送粉喷嘴调整以及过程参数控制的方法进行高温合金异型连接结构的激光熔覆成形或连接，能够保障成形质量，实现激光熔覆成形高温合金大尺寸复杂结构件的制造。

附图说明

图1为实施例中激光立体成形设备的组成图；

图2为实施例中高温合金连接结构的激光熔覆成形方法的步骤流程图；

图3a-图3c为实施例中激光熔覆连接成形高温合金三角块的示意图；其中图3a为两个加工出坡口的三角块A和B的示意图，图3b为熔覆连接三角块A和B的坡口底部的示意图，图3c为熔覆完成后三角块A和B连接的示意图。

图4a-图4b为实施例中激光熔覆连接星形结构件的示意图；其中图4a为熔覆前零件C、D和E的对接示意图，图4b为熔覆完成后零件C、D和E连接的示意图。

图中标号说明：1-激光器、2-送粉系统、3-数控系统、4-反射聚焦镜、5-送粉喷嘴、6-基板、7-水冷机床台面、8-成形室、9-净化系统、10-水冷系统、11-透镜、A-E为待连接的零件，d-熔覆距坡口顶部的距离。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。

本发明采用激光立体成形技术制造一体化熔覆连接结构件。该方法所用设备为激光立体成形设备（系统），图1为该设备的结构组成示意图。如该图所示，该激光熔覆成形设备包括激光器1、送粉系统2、数控系统3、反射聚焦镜4、对称送粉喷嘴5、基板6、水冷机床台面7、成形室8、净化系统9、水冷系统10和透镜11。其中，反射聚焦镜4、送粉喷嘴5、基板6、水冷机床台面7、透镜11置于成形室8内，水冷机床台面7用于固定需要成形的结构件并进行纵向运动，数控系统3用于控制送粉喷嘴5的二维扫描运动和水冷机床台面7的纵向升降运动，激光器1用于产生激光，反射聚焦镜4用于将激光束聚焦并经过透镜11照射在熔覆位置上形成金属熔池，送粉系统2用于将高温合金粉末经过送粉喷嘴5汇聚于激光焦点光斑形成的熔池中，成形室8内充满氩气，净化系统9用于降低成形室8内的氧含量，水冷系统10用于给激光器1和水冷机床台面7进行冷却。送粉喷嘴5可以根据需要更换侧向送粉喷嘴或者对称送粉喷嘴。

上述设备中，激光器1采用4KW二氧化碳快轴流激光器，采用激光立体成形技术制造时，需要分别采用侧向和对称送粉两种方式进行，使用的高温合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

采用上述设备制造一体化熔覆连接结构件的步骤如图2所示，具体说明如下：

第一步：初始化激光成形设备

将制造好连接坡口的待激光熔覆连接的零件用工装卡具分别固定在水冷机床台面7上（或在水冷机床台面7上固定基板6，将零件固定在基板6上），送粉方式为侧向送粉，然后封闭成形室8。此时成形室内为空气，为了保证成形材料的性能，需要在氧含量低于500ppm才能进行熔覆，所以需要先充入氩气以排除空气，流量10-15L/min。当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统进一步降低氧含量(因为净化系统在氧含量较高时工作容易损坏净化系统)，当氧含量低于500ppm时便可以开启熔覆程序。

首先打开激光器1，将高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，使激光器1产生的激光束经过反射镜4后在零件连接坡口底部形成一束光斑并形成熔池；打开送粉器2，粉末经过侧向送粉喷嘴6后汇聚于激光光斑焦点上；设定送粉速度为5-8g/min，送粉气体流量5-6L/min。

第二步：熔覆连接坡口底部的激光成形

利用三维建模软件建立坡口的三维模型，采用剖分软件将三维模型剖分，设定每层的剖分高度为0.4-0.6mm（对称送粉状态）或0.1-0.2mm（侧向送粉状态），根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统3。

比如可以利用UG软件建立连接坡口的三维模型。首先打开UG软件，建立名称为pokou.prt的文件，建立坡口的三维模型，然后将模型保存为pokou.stl格式后存盘退出UG系统。之后采用激光成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入pokou.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制计算机（数控系统3）。每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm；开启设备运行键后，激光器和送粉器以及机床同时启动，激光束和侧向送粉喷嘴沿着剖分软件生成的运动路径进行运动，粉末输送到激光焦点上并经熔化和凝固后形成熔覆层，这样随着机床的运动便开始了连续的熔覆过程。开始进行第一层熔覆时调整送粉喷嘴的扫描速度为100-200mm/min，送粉速度5-8g/min，连续熔覆5-10层后调整送粉速度为6-10g/min，送粉喷嘴的扫描速度为200-300mm/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.3mm-0.4mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，当熔覆高度距离坡口顶部的距离d约15-20mm时，便完成了零件连接坡口底部的熔覆成形。之所以采用侧向送粉喷嘴，是为了避免喷嘴与待连接的高温合金零件干涉，避免产生碰撞，以更好地熔覆坡口底部。

第三步：完成整个零件的熔覆连接成形

零件连接坡口底部的熔覆成形完成后，可以继续使用侧向喷嘴直至成形完成。但侧向喷嘴成形速率较低，为加速成形过程，可以改为使用对称送粉喷嘴。具体来说，可以利用成形室8上的手套，将侧向送粉喷嘴更换为对称送粉喷嘴，然后采用激光成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入pokou.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制系统计算机3。每层的剖分高度设定为0.4mm-0.6mm；调整送粉喷嘴的扫描速度为300-400mm/min，送粉速度10-15g/min使其稳定熔覆成形，熔覆控制程序运行结束后熔覆连接件的激光成形过程完成，整个激光熔覆连接过程结束。

之后关闭成形室8的进气阀门和激光器1，调整数控系统3为手动模式，将水冷机床台面7降低至原始位置，打开成形室8门对其进行通风换气，20min后操作人员进入成形室，待成形样品冷却后清除多余高温合金粉末，打开工装卡具将熔覆连接零件从水冷机床台面7上取下，再将毛坯件上附着的粉末清扫干净，便得到一体化的熔覆连接结构件。

实施例1：

采用激光熔覆连接技术一体化制造高温合金三角块连接结构件。具体制造步骤如下：

1.将高温合金三角块加工出坡口，如图3a所示，将两个三角块A和B的角部对接后用工装卡具固定在机床上；送粉方式采用侧向送粉方式；

2.开启激光器，设定激光功率参数为1000W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将高温合金粉末装入送粉系统；

4.利用UG软件建立模型并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.1mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为100mm/min，送粉速度5g/min；

5.连续熔覆10层后调整送粉速度为10g/min，送粉喷嘴的扫描速度设定为200mm/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.3mm，当熔覆高度距离坡口顶部约20mm时（如图3b所示，其中阴影部分为熔覆的材料）暂停激光成形设备将侧向送粉喷嘴更换为对称送粉喷嘴；采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.4mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为300mm/min，送粉速度10g/min；功率为2500W，送粉气体流量8L/min；

6.在200-400mm/min之间微调送粉喷嘴的扫描速度使生长速度稳定，当熔覆成形完成时，停止设备；

7.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，零件冷却后打开工装卡具将熔覆连接零件从机床上取下，再将已经角接的毛坯件清扫干净，便得到一体化的熔覆连接角型零件，如图3c所示。

实施例2：

采用激光熔覆连接技术一体化制造高温合金近“星”型三向连接结构件。具体制造步骤如下：

1.将高温合金近“星”型连接结构的其中两个零件C和D加工出坡口，该两个零件底部对接后将另一个零件E搭接在该坡口上，如图4a所示，然后后用工装卡具固定在机床上；送粉方式采用侧向送粉方式；

2.开启激光器，设定激光功率参数为700W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将高温合金粉末装入送粉系统；

4.利用UG软件建立模型并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.2mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为100mm/min，送粉速度5g/min；

5.连续熔覆5层后调整送粉速度为7g/min，送粉喷嘴的扫描速度为300mm/min，当熔覆高度距离坡口顶部约20mm时，暂停激光成形设备将侧向送粉喷嘴更换为对称送粉喷嘴；采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.4mm-0.6mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为400mm/min，送粉速度15g/min；功率为2000W，送粉气体流量8L/min；

7.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，零件冷却后打开工装卡具将熔覆连接零件从机床上取下，再将已经角接的毛坯件清扫干净，便得到一体化的熔覆连接的近“星”型三向连接结构件，如图4b所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种高温合金异型连接结构的激光熔覆成形方法，其步骤包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行步骤3）所述均匀稳定的成形过程中，当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，继续采用侧向送粉喷嘴，将其扫描速度调整为300-400mm/min，将送粉系统的送粉速度调整为10-15g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4mm-0.6mm，继续熔覆过程直至成形过程结束。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行步骤3）所述均匀稳定的成形过程中，当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，将侧向送粉喷嘴更换为对称送粉喷嘴，控制其扫描速度为300-400mm/min，将送粉系统的送粉速度调整为10-15g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4mm-0.6mm，继续熔覆过程直至成形过程结束。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：进行步骤2）和步骤3）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述送粉系统采用的高温合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100-200目。

7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2）形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为700-1000W，步骤3）当所述坡口内熔覆成形的材料表面距离坡口顶部15-20mm时，设定激光功率参数为2000-2500W，然后继续后续熔覆过程。

8.一种高温合金异型连接结构的激光熔覆成形装置，其特征在于，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴和机床台面置于成形室内，基板固定于机床台面上；所述激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并形成金属熔池，所述送粉系统用于将高温合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述送粉喷嘴为侧向送粉喷嘴或对称送粉喷嘴。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述激光器采用4KW二氧化碳快轴流激光器。