CN104029395A

CN104029395A - 一种激光近净成形过程中快速确定激光功率的方法

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Publication number: CN104029395A
Application number: CN201410240479.6A
Authority: CN
Inventors: 吴东江; 牛方勇; 周思雨; 马广义; 张璧
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2014-05-31
Filing date: 2014-05-31
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-05-31
Also published as: CN104029395B

Abstract

本发明公布了一种激光近净成形过程中快速确定激光功率的方法，主要包括以下步骤：(1)首先根据成形零件设计要求确定单道沉积宽度w及材料种类，并根据设备工作范围将扫描速度v及送粉速率作为输入参数直接给定；(2)根据成形材料的种类及加工过程特征确定粉末利用率u₁，激光吸收率u₂，及其前一沉积层温度T₁；(3)然后将上述所得数据及成形所用材料的物性参数代入基于能量守恒定律推导的激光功率模型直接计算得到所需激光功率值P。本发明利用数学模型综合考虑了影响所需激光功率的主要参数，可直接并准确地得到给定工艺参数条件下成形所需的激光功率值，避免了大量实验优化工作并提高了确定参数的准确性及效率。

Description

一种激光近净成形过程中快速确定激光功率的方法

技术领域

本发明涉及一种激光近净成形过程中确定激光功率值的方法，属于激光近净成形技术领域。

背景技术

激光近净成形技术是一种基于激光的增材制造技术，可用于金属、陶瓷及塑料等零件的直接成形，在国防军事、生物医疗、海洋工程等诸多领域具有广泛的应用。激光近净成形过程是一个复杂的多场耦合过程，影响成形质量的因素较多，包括成形环境、工艺参数、设备条件及成形材料本身的特性等，而在这些影响因素中，成形工艺参数是对成形零件尺寸精度，微观组织及机械性能最主要的影响因素。对于常规激光近净成形系统，工艺参数主要包括扫描速度v、送粉速率及激光功率P，三个参数相互影响，共同决定成形零件的质量。

目前，激光近净成形过程中确定工艺参数，尤其是确定激光功率值的方法主要是实验法，即利用实验的方法进行单道单层或单道多层成形并进行优化得到成形效果较好的工艺参数组合，进而利用优化得到的工艺参数进行零件的最终成形。该方法需要设计系统的实验方案，并需要有经验的人员进行操作和效果判定，不仅增加了制造成本而且对实验结果的评价含有较多的人为因素，难以获得理想的工艺参数。同时，实验法只针对某一种特定的材料有效，如果成形材料更换，则需要进行新的实验来确定相应的工艺参数。

利用实验法进行工艺参数优化确定的研究较多，相关文献报道如下：

中国学者程晶，张永忠等：“激光快速成形技术制备Al/SiC复合材料工艺参数研究”，《金属热处理》，2002年27卷。

中国学者卞宏友，王婷等：“激光沉积成形工艺参数对熔池温度及成形尺寸的影响”，《应用激光》，2013年33卷。

中国学者薛春芳，董世运等：“工艺参数对激光直接烧结成型涂覆层的影响”，《机械工程材料》，2003年27卷。

中国学者赵靖，曹文斌等：“工艺参数对镍基合金粉末激光快速烧结成形的影响”，《稀有金属材料与工程》，2008年37卷。

中国学者于君，陈静等：“激光快速成形工艺参数对沉积层的影响”，《中国激光》，2007年34卷。

目前在基于激光的增材制造领域中，激光功率参数的确定主要以单因素实验或正交实验为主，而利用实验法确定激光功率参数具有成本高、效率低且结果不够准确等缺陷。尤其是对于工艺参数合理范围非常狭窄的成形过程，如成形高温合金及陶瓷零件等，仅利用实验法难以确定最优的参数。因此，寻找一种可以快速准确确定激光功率的方法对于激光近净成形技术具有重要意义。

发明内容

为解决激光近净成形过程中实验法确定工艺参数效率低下、准确度不高等问题，本发明提出一种利用数学模型快速并准确确定激光功率参数的方法，不但可以直接计算某工艺参数条件下的所需激光功率，而且该模型可灵活地适用于不同材料的成形。

为实现上述目的，该快速确定激光功率的方法包括以下步骤：

A、根据成形零件的设计要求，设定单道沉积宽度w、机床的扫描速度v及送粉器的送粉速率

B、根据单道沉积宽度w及与机床耦合的送粉喷嘴的粉末流焦点大小确定粉末利用率u₁。粉末利用率与熔池大小及粉末流的汇聚状态有关系，粉末利用率的值可以通过实际成形实验后的剩余粉末测量来计算，也可以通过熔池面积与粉末流截面面积的比值计算得出。

C、根据预成形材料的物理特性和激光本身的特性确定激光吸收率u₂，成形材料的物理特性是指导电性、液固相态等，激光本身的特性是指波长、频率等；

根据加工环境温度、激光扫描方式及扫描速度v确定前一沉积层温度T₁。

D、将步骤(A)所确定的单道沉积宽度w、扫描速度v、送粉速率及步骤(B)与(C)中所确定的粉末利用率u₁、激光吸收率u₂、前一沉积层温度T₁，以及所成形材料的物性参数代入基于能量守恒推导出的激光功率模型

P = \frac{π \cdot w^{2} \cdot ρ \cdot v}{{8 u}_{2}} \cdot [C \cdot (T_{m} - T_{1}) + ΔH] + \frac{u_{1} \cdot C \cdot \overset{\cdot}{m}}{u_{2}} \cdot (T_{1} - T_{2}),

即可直接计算得到所需激光功率值。其中ρ为成形材料密度，(g/m³)；C为成形材料比热容，(J/g·℃)；T_m为成形材料熔点，(℃)；ΔH为成形材料的熔化焓，(J/g)；T₂为所用粉末初始温度，(℃)。

步骤(D)中所述的激光功率模型

P = \frac{π \cdot w^{2} \cdot ρ \cdot v}{{8 u}_{2}} \cdot [C \cdot (T_{m} - T_{1}) + ΔH] + \frac{u_{1} \cdot C \cdot \overset{\cdot}{m}}{u_{2}} \cdot (T_{1} - T_{2})

是基于一般激光近净成形过程及能量守恒推导出来的数学模型，反映了所需激光功率与其他工艺参数、加工环境及所成形材料物性参数之间的关系，是本发明的核心内容，其推导过程如下：

图1所示为典型的激光近净成形单道多层结构的横截面示意图，由于层层堆积的成形过程，单道多层结构的横截面形成层与层之间的条纹7，两条条纹之间的体积就是每层的体积6。图中沉积结构的顶层1由于表面张力的作用，可以视为标准的半圆柱结构，因此沉积层的沉积宽度w(图中5)即该半圆柱半径r(图中2)的2倍，该半圆体积V_top则可以表示为：

V_top＝0.5·π·r²·L (1)

其中L为沉积层的长度。

同时顶层结构又可以视为由两部分构成，一部分为重熔区3，该部分在下一层沉积进行的时候会被重新熔化掉并形成新的熔池用于接收粉末，另一部分为保留区4，这一部分在下一层沉积进行的时候不会被重新熔化，而是保留下来形成前一沉积层6。因此重熔区的体积V_rm可以表示为：

V_rm＝V_top-V_left (2)

其中V_left为保留区体积。

由图中可以看到顶层的保留部分与前一沉积层的体积是相同的。而从成形过程的角度看，一个新的顶层又是由重熔部分与新熔化的粉末构成的。因此，每一沉积层中保留部分的体积与新熔化粉末形成的体积是相等的。

即

V_{left} = V_{new} = \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} / ρ - - - (3)

其中ρ为所成形材料的密度，L/v为单层沉积所耗用的时间。

将公式(1)跟(3)代入公式(2)可得：

V_{rm} = 0.5 \cdot π \cdot r^{2} \cdot L - \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} / ρ - - - (4)

相应的，形成一个新的顶层所需要的能量由两部分构成，重熔前一顶层“重熔部分”体积需要的能量Q_rm和熔化粉末需要的能量Q_new。其中熔化前一沉积层重熔部分体积需要的能量Q_rm如公式(5)所示：

Q_rm＝C·m_rm·(T_m-T₁)+ΔH·m_rm (5)

其中重熔部分的质量m_rm可表示为：

m_rm＝ρ·V_rm (6)

将式(4)、(6)代入式(5)得：

Q_{rm} = C \cdot ρ \cdot [0.5 \cdot π \cdot r^{2} \cdot L - \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} / ρ] \cdot (T_{m} - T_{1}) + ΔH \cdot ρ \cdot [0.5 \cdot π \cdot r^{2} \cdot L - \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} / ρ] - - - (7)

另一方面，熔化粉末所需的能量Q_new可由式(8)表示：

Q_{new} = C \cdot \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} (T_{m} - T_{2}) + ΔH \cdot \overset{\cdot}{m} \cdot (L / v) \cdot u_{1} - - - (8)

则形成一个新的沉积顶层所需总能量Q_total可表达为：

Q_total＝Q_rm+Q_new (9)

将式(7)及(8)代入式(9)可得：

Q_{total} = 0.5 \cdot L \cdot π \cdot r^{2} \cdot ρ \cdot [C \cdot (T_{m} {- T}_{1}) + ΔH] + L \cdot u_{1} \cdot C \cdot \overset{\cdot}{m} \cdot (T_{1} - T_{2}) / v - - - (10)

从能量输出的角度看，形成新的沉积层所消耗的能量Q_out可由下式表示：

Q_out＝u₂·P·L/v (11)

根据能量守恒定律，沉积形成新的顶层所需要的能量等于实际消耗的能量：

Q_total＝Q_out (12)

将式(10)及(11)代入式(12)并推导可得激光功率的数学模型：

P = \frac{π \cdot w^{2} \cdot ρ \cdot v}{{8 u}_{2}} \cdot [C \cdot (T_{m} - T_{1}) + ΔH] + \frac{u_{1} \cdot C \cdot \overset{\cdot}{m}}{u_{2}} \cdot (T_{1} - T_{2}) - - - (13)

实际的成形过程并非理想的稳定过程，上述工艺模型中的部分变量值会随成形过程的波动而变化，但变化量并不大，因此利用该模型进行计算时，默认使用的变量值均为平均值。

与现有激光功率参数的确定方法相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中所采用的方法与以往报道的方法相比，无需大量的实验摸索工作，既可以提高效率还可以降低成本；

2、本发明中所采用的方法与以往报道的方法相比，本方法不受材料种类的限制，对于不同材料只需改变材料物性参数的值即可方便地计算出所需激光功率；

3、本发明中所采用的方法与以往报道的方法相比，本方法是基于理论计算，排除了人为因素的干扰，得到的激光功率值更加准确，有利于提高成形精度。

附图说明

图1a是典型单道多层结构横截面形貌图。

图1b是横截面在薄壁结构中的位置示意图。

图2是确定激光功率值流程图。

图3是利用计算所得激光功率值成形的Al₂O₃单道多层结构。

图4是利用小于计算所得激光功率值成形的Al₂O₃单道多层结构。

图5是利用大于计算所得激光功率值成形的Al₂O₃单道多层结构。

图1a中：1顶层沉积层；2顶层半圆柱结构半径；3顶层重熔区；4顶层保留区；5沉积宽度；6前一沉积层；7层状条纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。本发明的实施例要求：欲成形宽度为4mm的Al₂O₃陶瓷单道多层结构，确定成形所需的激光功率值。

成形用激光器为JK1002型Nd:YAG固体连续激光器，光斑直径2.3mm，送粉器为三筒刮吸式送粉器，送粉喷嘴与光路同轴，粉末流焦点的直径约4mm，扫描沉积方式为往复扫描，成形用粉末为球状Al₂O₃陶瓷粉末，为确定某工艺参数下的所需激光功率，具体步骤如图2确定激光功率值流程图所示：

A、首先根据成形零件的宽度要求设定单道沉积宽度w＝4mm(激光光斑为2.3mm时，在确定的工艺条件下可以实现沉积宽度为4mm)，同时设定输入变量的值，根据机床的稳定工作范围设定扫描速度v＝300mm/min，根据送粉器的工作范围设定送粉速率

B、根据送粉喷嘴粉末流的焦点大小及单道沉积宽度4mm，通过实际成形实验后剩余粉末的测量计算得到粉末平均利用率u₁＝77％，同时根据Nd:YAG连续激光加工熔融Al₂O₃陶瓷的特性可以确定激光平均吸收率u₂为0.7，此外加工环境温度为室温，激光扫描方式为往复扫描，由此可确定前一沉积层的平均温度T₁＝500℃。

C、由于所用材料为Al₂O₃陶瓷，因此其相关物性参数可以相应确定：材料密度ρ＝3970Kg/m³；材料比热容C＝1.2J/g·℃；成形材料熔点T_m＝1200℃；成形材料的熔化焓ΔH＝1161J/g；粉末初始温度T₂＝25℃。将步骤(A)所确定的单道沉积宽度w、扫描速度v、送粉速率及步骤(B)所确定的粉末平均利用率u₁、激光吸收率u₂、前一沉积层温度T₁，以及材料的物性参数代入激光功率模型式(13)，计算得到所需激光功率P＝326W。

图3所示为利用计算所得激光功率值326W成形的Al₂O₃单道多层结构，其宏观形貌较符合设计要求，成形宽度与设计宽度吻合；图4为利用小于计算所得激光功率值(P＝255W)成形的Al₂O₃单道多层结构，成形结构表面不平整，且成形宽度明显小于设计宽度；图5为利用大于计算所得激光功率值(P＝410W)成形的Al₂O₃单道多层结构，成形宽度明显大于设计宽度。由实验验证可见，利用本发明提供的方法确定激光功率值简便而准确，可有效提高成形效率及成形精度。

Claims

1.一种激光近净成形过程中快速确定激光功率的方法，其特征在于包括以下步骤：

B、根据单道沉积宽度w及与机床耦合的送粉喷嘴的粉末流焦点大小确定粉末利用率u₁；

C、根据预成形材料的物理特性和激光本身的特性确定激光吸收率u₂，根据加工环境温度、激光扫描方式及扫描速度v确定前一沉积层的温度T₁；

D、将确定的单道沉积宽度w、扫描速度v、送粉速率粉末利用率u₁、激光吸收率u₂和前一沉积层温度T₁代入激光功率模型直接计算所需激光功率值：

P = \frac{π \cdot w^{2} \cdot ρ \cdot v}{{8 u}_{2}} \cdot [C \cdot (T_{m} - T_{1}) + ΔH] + \frac{u_{1} \cdot C \cdot \overset{\cdot}{m}}{u_{2}} \cdot (T_{1} - T_{2})

其中，ρ为成形材料密度，(g/m³)；C为成形材料比热容，(J/g·℃)；T_m为成形材料熔点，(℃)；ΔH为成形材料的熔化焓，(J/g)；T₂为所用粉末初始温度，(℃)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的粉末利用率u₁的值通过实际成形实验后的剩余粉末测量来计算或通过熔池面积与粉末流焦点处分布面积的比值计算得出。