CN104005022A - 一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法 - Google Patents

Abstract

一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，涉及一种管道成型方法，所述方法包括依据模型管道所在位置及相关尺寸，使用KUKA. SimPro2.0软件进行管道成型的路径规划，以求解器求出的圆形轨迹第一点作为初始点，按逆时针方向逼近第一道圆形轨迹，终点回到原初始点，然后在该位置处，使熔覆头在Z轴方向提升1mm，仍以该点为初始点重复刚才的圆形轨迹，按此方法在Z轴方向先熔覆10道，观察实际成形效果再确定后续的加工方案；最终形成符合使用需求的复杂形状的薄壁圆形冷却管路，将管路直接埋入金属浇铸成内部带复杂形状冷却管路的模具，使最终制造出的模具性能满足冷却要求，从而使模具在生产中能够发挥出更佳效能。

Description

一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法

技术领域

    本发明涉及一种管道成型方法，特别是涉及一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法。

背景技术

目前关于金属粉末的激光熔覆成形技术尚处于实验研究阶段，并没有广泛运用于实际工程领域，特别是铁基粉末的激光熔覆快速成型，其成熟的优化工艺和应用技术成果较少，为推进该技术在实际工程领域的发展，需要研究铁基材料的熔覆成型工艺，研究工艺参数与成型质量的关系，最终得到最优化的工艺参数，掌握其熔覆成型技术方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，该方法利用铁基金属粉末通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制等措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量等参数，利用最终优化的合理工艺参数和方法进行圆管水路单道多层激光熔覆成型。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，所述方法包括依据模型管道所在位置及相关尺寸，使用KUKA. SimPro2.0软件进行管道成型的路径规划，以求解器求出的圆形轨迹第一点作为初始点，按逆时针方向逼近第一道圆形轨迹，终点回到原初始点，然后在该位置处，使熔覆头在Z轴方向提升1mm，仍以该点为初始点重复刚才的圆形轨迹，按此方法在Z轴方向先熔覆10道，观察实际成形效果再确定后续的加工方案；在进行高层熔覆时，需要依次改变每层熔覆层的起点位置，从而减小高层熔覆件在高度方向的偏差；管道成型初始加工方法：其工艺参数激光功率600W，送粉电压10V，Z方向提升高度1mm，单一改变送粉速度的大小，使其取值分别为5mm/s，8mm/s，10mm/s，进行熔覆5层的管道成形； 单一改变扫描速度的数值，实际成形管道时依据该参数，减小扫描速度值即可达到壁厚的实际加工要求。

所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，所述工艺参数：熔覆头与基体间的距离：14mm，同轴送粉器载气流量：200L/h，保护气压（N2）：0.1MPa

送粉气压（N2）：0.3 MPa，光斑直径：2 mm，熔覆方式：单道熔覆，单道熔覆最佳工艺参数：激光功率600W，扫描速度2mm/s，送粉电压10V。

所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，所述要加工的高为20mm的圆形管道，由于每层熔覆层的高度大约为1mm，因此至少需要熔覆20层；在实验时可以在前五层保持每道熔覆层的起始点不变，在第二个五层变换起始点的位置，使其位置与原位置在逆时针方向偏差45度，第三个起始点的位置再在逆时针方向偏差45度，第四个五层也如此变换。

所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，所述管道模型，在一块长为100mm，宽为40mm，厚度为8mm的Q235D钢板上，采用金属粉末激光熔覆成型的方法加工出内径为20mm，壁厚为2mm，高度为20mm的直线型薄壁圆形管道。

本发明的优点与效果是：

本发明针对Q235D材料制成的大型模具，其内部要求有圆管状弯曲形态的冷却水路，利用一定硬度的铁基金属粉末结合3000瓦光纤激光设备，再以KUKA机器人作为执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制等措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量等参数，利用最终优化的合理工艺参数和方法进行圆管水路单道多层激光熔覆成型，最终形成符合使用需求的复杂形状的薄壁圆形冷却管路，将管路直接埋入金属浇铸成内部带复杂形状冷却管路的模具，使最终制造出的模具性能满足冷却要求，从而使模具在生产中能够发挥出更佳效能。

附图说明

    图1为本发明流程图；

图2为本发明管道模型照片图；

图3（a）为本发明模型二维图俯视图；

图3（b）为本发明模型二维图主视图；

图4为本发明圆形轨迹初始点图；

图5（a）初始成型管道制件主视照片图；

图5（b）初始成型管道制件俯视照片图；

图6 起始点位置示意图；

图7 （a）改进后管道制品主视照片图；

图7 （b）改进后管道制品俯视照片图；

图8 不同参数下的管道制品照片。 

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

实施例：

本发明设备包括：YLS-3000光纤激光器(德国IPG公司)；PERCITEC YC52透射式激光熔覆头（德国Precitec公司）；FHPF-10同轴送粉器（飞虹激光），送粉颗粒范围200~400目；KUKA-KR30机械手，重复定位精度小于0.06mm。

Q235D基体成分：参见表1，实验基体材料选为 Q235D钢板，钢板尺寸为100mm×30mm×8mm。实验前用砂纸打磨掉钢板表面氧化层并用丙酮清洗掉表面油污及杂质。

粉末成分：参见表1，激光熔覆成形用粉末材料为铁基合金粉末。粒度为200~300目。实验前对成形粉末进行真空烘干处理,去除粉末表面附着的水分。

表1  Q235D、铁基粉末成分表

工艺参数：熔覆头与基体间的距离：14mm，同轴送粉器载气流量：200L/h，保护气压（N2）：0.1MPa

送粉气压（N2）：0.3 MPa，光斑直径：2 mm，熔覆方式：单道熔覆，单道熔覆最佳工艺参数：激光功率600W，扫描速度2mm/s，送粉电压10V

要加工的薄壁圆柱型管道如图2所示。图2 管道模型，在一块长为100mm，宽为40mm，厚度为8mm的Q235D钢板上，采用金属粉末激光熔覆成型的方法加工出内径为20mm，壁厚为2mm，高度为20mm的直线型薄壁圆形管道，其管道所在位置及相关尺寸见图3（a）俯视图（b）主视图，图3 模型二维图。

管道成型初始加工方法：

依据模型图2所示的管道所在位置及相关尺寸，使用KUKA. SimPro2.0软件进行管道成型的路径规划，以求解器求出的圆形轨迹第一点作为初始点，如图4所示，按逆时针方向逼近第一道圆形轨迹，终点回到原初始点，然后在该位置处，使熔覆头在Z轴方向提升1mm，仍以该点为初始点重复刚才的圆形轨迹，按此方法在Z轴方向先熔覆10道，观察实际成形效果再确定后续的加工方案。

管道初始成型效果分析

依据以上加工方案，按照前期基础实验确定的最优工艺参数，熔覆10道后实际成型的管道形状如图5所示（a）管道主视图（b）管道俯视图，图5初始成型管道制件。

从图5可看出，按照初始加工方案成型的管道外观效果很差。从图5（a）可知，实际成型的管道加工初始端高度明显高于其它位置的高度，最大高度差约为5mm。从图5（b）可知，实际成型的管道内径尺寸不均匀，在初始端有明显内凸现象。

通过对实验方案及本实验所采用的激光加工系统运动特性进行研究后发现，在初始加工方案下，管道初始成型效果之所以很差是由本实验加工系统的运动特点导致的。本实验加工系统所使用的机械手在进行各个方位的运动时，其启动和停止的阶段会存在加速和减速运动。所以，即使加工过程中实验参数保持不变，其起点和终点处的运动速度与中间处的运动速度也会产生差异，从而导致熔覆层起始处的形状和其它部位不一样。因此，在加工系统确定的条件下需要对初始实验方案进行改进，从而提高熔覆层的成形质量。

实验方案改进及效果分析：

从以上管道成型的效果分析可知，在现有的实验系统下，原实验方案无法保证管道成型件的成型精度，需要对初始实验方案进行改进。由于实验加工系统所使用的机械手在进行运动时，启动和停止阶段存在加速和减速运动，因此在实验过程中一直保持每道熔层起始点位置不动的方案是不合理的。为了减小熔覆层起始点和中间部位的差距，在进行高层熔覆时，需要依次改变每层熔覆层的起点位置，从而减小高层熔覆件在高度方向的偏差。

针对本实验所要加工的高为20mm的圆形管道而言，由于每层熔覆层的高度大约为1mm，因此至少需要熔覆20层。在实验时可以在前五层保持每道熔覆层的起始点不变，在第二个五层变换起始点的位置，使其位置与原位置在逆时针方向偏差45度，第三个起始点的位置再在逆时针方向偏差45度，第四个五层也如此变换。其具体位置变化如图6所示，图6 起始点位置：

依据改进后的实验方案再次进行直线型管道的成形实验，得到的成型件如图7所示（a）管道主视图（b）管道俯视图,图7 改进后管道制品，由图7可以看出，实验方案改进后，管道成型件的成形效果得到了改善。管道垂直度较好，没有出现倾斜。管道高度方向的尺寸均匀性得到了提高，最大高度差减为2mm。该缺陷只需采用铣削的方法将多余高度差去除即可得到改善。从俯视图可以看出在其管径方向上，管道直径径向尺寸差减小，但其管道壁厚分布不均匀且管壁较厚，经测量其管道壁厚为2.45mm，因此需研究改善管道壁厚的方法。

最终实验方案改进及结论：在前期的金属粉末激光熔覆成形影响因素的分析中得知，对熔覆层尺寸影响最大的因素为扫描速度。因此本部分将在确定的较优实验方案下，针对扫描速度与管道壁厚之间的关系进行相关的试验研究。探索改进壁厚尺寸，控制孔径变化的方法。其具体试验方案是，保持其它工艺参数不变（激光功率600W，送粉电压10V，Z方向提升高度1mm），单一改变送粉速度的大小，使其取值分别为5mm/s，8mm/s，10mm/s，进行熔覆5层的管道成形试验。在设计的参数条件下，管道成形效果如图8所示。图8 不同参数下的管道制品，由图中可以看出，在其它工艺参数保持不变的前提下，单一改变扫描速度的数值，仍可以熔覆出成形效果较优的薄壁管道，且其管道壁厚随扫描速度的改变发生了变化，具体尺寸见表2。

表2 管道壁厚尺寸表

由以上数据可以得知，在其它工艺参数保持不变的前提下，单一改变扫描速度的数值，其管道成形壁厚会随着扫描速度的增大而逐渐减小。在扫描速度取值为5mm/s时其管道壁厚接近加工要求的尺寸，因此实际成形管道时可依据该参数，稍微减小扫描速度值即可达到壁厚的实际加工要求。

Claims (4)

1.一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，其特征在于，所述方法包括依据模型管道所在位置及相关尺寸，使用KUKA. SimPro2.0软件进行管道成型的路径规划，以求解器求出的圆形轨迹第一点作为初始点，按逆时针方向逼近第一道圆形轨迹，终点回到原初始点，然后在该位置处，使熔覆头在Z轴方向提升1mm，仍以该点为初始点重复刚才的圆形轨迹，按此方法在Z轴方向先熔覆10道，观察实际成形效果再确定后续的加工方案；在进行高层熔覆时，需要依次改变每层熔覆层的起点位置，从而减小高层熔覆件在高度方向的偏差；管道成型初始加工方法：其工艺参数激光功率600W，送粉电压10V，Z方向提升高度1mm，单一改变送粉速度的大小，使其取值分别为5mm/s，8mm/s，10mm/s，进行熔覆5层的管道成形； 单一改变扫描速度的数值，实际成形管道时依据该参数，减小扫描速度值即可达到壁厚的实际加工要求。

2.根据权利要求1所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，其特征在于，所述工艺参数：熔覆头与基体间的距离：14mm，同轴送粉器载气流量：200L/h，保护气压（N2）：0.1MPa

送粉气压（N2）：0.3 MPa，光斑直径：2 mm，熔覆方式：单道熔覆，单道熔覆最佳工艺参数：激光功率600W，扫描速度2mm/s，送粉电压10V。

3.根据权利要求1所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，其特征在于，所述要加工的高为20mm的圆形管道，由于每层熔覆层的高度大约为1mm，因此至少需要熔覆20层；在实验时可以在前五层保持每道熔覆层的起始点不变，在第二个五层变换起始点的位置，使其位置与原位置在逆时针方向偏差45度，第三个起始点的位置再在逆时针方向偏差45度，第四个五层也如此变换。

4.根据权利要求1所述的一种铁基粉末激光熔覆管道成型方法，其特征在于，所述管道模型，在一块长为100mm，宽为40mm，厚度为8mm的Q235D钢板上，采用金属粉末激光熔覆成型的方法加工出内径为20mm，壁厚为2mm，高度为20mm的直线型薄壁圆形管道。