CN104498942A - 一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法，属于激光快速成形技术，本发明包括以下步骤：①根据预期高度金属薄壁件的宽度确定进行激光成形金属薄壁件的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数；②根据步骤①确定的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数确定Z轴单层行程ΔZ；③确定达到稳定状态时的沉积层数；④根据预期成形高度，设计总沉积层数与工作时间；⑤以步骤①至步骤④确定的各个工艺参数进行预期高度金属薄壁件的激光成形。本发明通过简易的方法确定出激光成形金属薄壁件中合适的工艺参数，实现预期高度的金属薄壁件高质量的激光成形。
Description
技术领域
本发明涉及激光快速成形技术，具体地说是一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法。
背景技术
目前，诸如一些航空发动机、汽轮机、压缩机等使用的大型叶片等薄壁零件,在高温高压的恶劣工作环境下超高速运行，在汽蚀和疲劳等因素的共同作用下,很容易发生损坏,当损坏到一定程度后整个零件报废,需进行及时更换。而现阶段此类零件的制造主要是基于传统的铣削加工，不但造价很高，材料的利用率也很低。如果能够对局部损坏的零件进行修复后再重新应用,无疑将大大节省生产成本、节约材料。
相对于传统的去材制造，属于增材制造范畴的激光快速成形具有较高的材料利用率，较低的能量消耗率和高自动化程度。激光快速成形技术在此类零件中的应用将很好的弥补传统加工的不足。
在激光快速成形中，Z轴单层行程与单层沉积高度的匹配是实现高质量激光成形的关键因素。严格地说，Z轴单层行程的数值必须与单层沉积高度保持一致，这样才能确保各层工艺条件完全相同。但是在实际的成形过程中，激光功率和送粉量的波动以及基体热积累等因素将导致单层沉积高度发生变化，这将使Z轴单层行程与单层沉积高度产生偏差。这种偏差如果没有得到合理的控制，将在后续的成形过程中产生积累，进而对成形高度的一致性产生严重影响，甚至导致成形无法进行。因此，工艺参数Z轴单层行程的确定十分重要。
高质量激光成形预期高度薄壁件往往需要具有反馈装置的激光成形系统，通过实时变化Z轴单层行程使其与单层沉积高度保持恒定，对Z轴单层行程进行精确的控制，以实现预期高度薄壁件的激光成形。这对硬件的要求很高，不仅过程复杂而且增加附加成本。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法。本发明采用的技术手段如下：
一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①根据预期高度金属薄壁件的宽度确定进行激光成形金属薄壁件的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数和首层沉积高度d1；
②根据步骤①确定的首层沉积高度d1，在0.6d1～0.7d1之间选取熔覆头的Z轴单层行程ΔZ；
③以步骤①和步骤②确定参数进行单道多层激光熔覆工艺试验，确定达到稳定状态时的沉积层数n和沉积高度h；
④根据预期成形高度H，设计总沉积层数N和总工作时间T；
⑤以步骤①至步骤④确定的各个工艺参数进行预期高度金属薄壁件的激光成形。
所述步骤①的确定方法为：通过单道单层的激光熔覆基础工艺试验，选取不同的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数组合，测量对应的单道熔覆层的宽度和高度，根据预期高度金属薄壁件的宽度，选取相应的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数，测量的单道熔覆层的高度为首层沉积高度d1。
所述步骤②的确定方法为：采用步骤①确定的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数，确定首层沉积高度d1，在0.6d1～0.7d1之间选取ΔZ即0.6d1≤ΔZ≤0.7d1。该结论得出过程为：在不同的Z轴单层行程ΔZ情况下进行激光成形试验，每沉积完一层，测量激光成形的单层沉积高度，选择的Z轴单层行程ΔZ符合以下要求：激光成形过程中单层沉积高度随着沉积层数的增加而减小，然后达到单层沉积高度等于Z轴单层行程ΔZ的稳定状态，第一层沉积高度为d1，实验得出规律，如果0.6d1≤ΔZ≤0.7d1，在激光成形过程中单层沉积高度随着沉积层数的增加而减小，然后达到单层沉积高度等于Z轴单层行程ΔZ的稳定状态，由此确定Z轴单层行程ΔZ。
所述步骤④为根据预期高度金属薄壁件的高度H、步骤③确定的沉积层数n，确定激光成形所述预期高度金属薄壁件的总沉积层数N和总工作时间T，具体公式如下：
N＝n+(H-h)/ΔZ；
T＝N·t+t′；
t＝L/ν；
其中：t为沉积一层所需要的时间；t′为空行程以及停留时间总和；L为预期高度金属薄壁件的长度，ν为扫描速度。
与现有技术比较，本发明所述的一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法通过简易的方法确定出激光成形金属薄壁件中合适的工艺参数，实现预期高度的金属薄壁件高质量的激光成形。
附图说明
图1是本发明激光快速成形预期高度金属薄壁件的流程示意图。
图2是本发明激光成形达到Z轴单层行程ΔZ与单层沉积高度相等的稳定状态的过程示意图。
图3是本发明实施例1的单层沉积高度-沉积层数关系图。
图4是本发明实施例2的单层沉积高度-沉积层数关系图。
图5是本发明实施例3的单层沉积高度-沉积层数关系图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
①根据预期高度金属薄壁件的宽度确定进行激光成形金属薄壁件的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数和首层沉积高度d1；
②根据步骤①确定的首层沉积高度d1，在0.6d1～0.7d1之间选取熔覆头的Z轴单层行程ΔZ；
③以步骤①和步骤②确定参数进行单道多层激光熔覆工艺试验，确定达到稳定状态时的沉积层数n和沉积高度h；
④根据预期成形高度H，设计总沉积层数N；
⑤以步骤①至步骤④确定的各个工艺参数进行预期高度金属薄壁件的激光成形。
所述步骤①的确定方法为：通过单道单层的激光熔覆基础工艺试验，选取不同的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数组合，测量对应的单道熔覆层的宽度，根据预期高度金属薄壁件的宽度，选取相应的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数。
如图2所示，采用步骤①确定的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数，在不同的Z轴单层行程ΔZ情况下进行激光成形试验，ΔF为熔覆头相对于金属薄壁件的初始高度，每沉积完一层，测量激光成形的单层沉积高度，第一层沉积高度为d1，则如果0.6d1≤ΔZ≤0.7d1，在激光成形过程中单层沉积高度随着沉积层数的增加而减小，然后达到单层沉积高度等于Z轴单层行程ΔZ的稳定状态，第1到第n-1层单层沉积高度逐渐减小，到第n层时达到Z轴单层行程ΔZ与单层沉积高度dn相等的稳定状态。由此确定进行激光成形金属薄壁件的Z轴单层行程。
所述步骤④为根据预期高度金属薄壁件的高度H、步骤③确定的沉积层数n，确定激光成形所述预期高度金属薄壁件的总沉积层数N和工作时间T，具体公式如下：
N＝n+(H-h)/ΔZ；
T＝N·t+t′；
t＝L/ν；
其中：t为沉积一层所需要的时间；t′为空行程以及停留时间总和；L为预期高度金属薄壁件的长度，ν为扫描速度。
实施例1
1、激光快速成形预期高度金属薄壁件选用材料：基体材料和金属粉末均为316L不锈钢，基体的几何尺寸为155×30×20mm3，粉末粒度为45μm-90μm。
2、预期金属薄壁件的宽度为4.30mm，长度为150mm，据此确定的基本工艺参数为：激光功率1500W，送粉量0.133g/s，扫描速度6mm/s，取熔覆头的初始高度ΔF为14mm。
3、确定的Z轴单层行程ΔZ为0.40mm，且单层沉积高度与沉积层数之间的关系如图3所示。
4、预期激光成形的金属薄壁件的高度为107mm，由图3所示，横坐标为沉积层数，纵坐标为沉积层的沉积高度，得到达到稳定状态的沉积层数n＝10，h＝0.60+0.52+0.48+0.48+0.46+0.46+0.44+0.44+0.42+0.40＝4.70mm,则根据N＝n+(H-h)/ΔZ，N＝10+(107-4.70)/0.40＝266，工作时间为2.20h。
5、按照上述工艺参数进行激光成形，得到的金属薄壁件最终成形宽度为4.30mm，长度为150mm，高度为107.10mm，总沉积层数为266层，工作时间为2.2h。实际激光成形的金属薄壁件与预期的金属薄壁件相当接近，符合生产工艺要求。
实施例2
1、激光快速成形预期高度金属薄壁件选用材料：基体材料和金属粉末均为316L不锈钢，基体的几何尺寸为155×30×20mm3，粉末粒度为45μm-90μm。
2、预期金属薄壁件的宽度为4.30mm，长度为150mm，据此确定的基本工艺参数为：激光功率1500W，送粉量0.133g/s，扫描速度6mm/s，取熔覆头的初始高度ΔF为14mm。
3、确定的Z轴单层行程ΔZ为0.36mm，且单层沉积高度与沉积层数之间的关系如图3所示。
4、预期激光成形的金属薄壁件的高度为107mm，由图4所示，横坐标为沉积层数，纵坐标为沉积层的沉积高度，得到达到稳定状态的沉积层数n＝13，h＝0.60+0.58+0.54+0.50+0.46+0.46+0.42+0.44+0.42+0.40+0.40+0.38+0.36＝5.96mm，则根据N＝n+(H-h)/ΔZ，N＝13+(107-5.96)/0.36＝294，工作时间为2.45h。
5、按照上述工艺参数进行激光成形，得到的金属薄壁件最终成形宽度为4.30mm，长度为150mm，高度为107.12mm，总沉积层数为294层，工作时间为2.45h。实际激光成形的金属薄壁件与预期的金属薄壁件相当接近，符合生产工艺要求。
实施例3
1、激光快速成形预期高度金属薄壁件选用材料：基体材料和金属粉末均为316L不锈钢，基体的几何尺寸为155×30×20mm3，粉末粒度为45μm-90μm。
2、预期金属薄壁件的宽度为4.30mm，长度为150mm，据此确定的基本工艺参数为：激光功率1500W，送粉量0.133g/s，扫描速度6mm/s，取熔覆头的初始高度ΔF为14mm。
3、确定的Z轴单层行程ΔZ为0.42mm，且单层沉积高度与沉积层数之间的关系如图3所示。
4、预期激光成形的金属薄壁件的高度为107mm，由图5所示，横坐标为沉积层数，纵坐标为沉积层的沉积高度，得到达到稳定状态的沉积层数n＝11，h＝0.60+0.56+0.54+0.54+0.52+0.46+0.46+0.48+0.46+0.44+0.42＝5.48mm，则根据N＝n+(H-h)/ΔZ，N＝11+(107-5.48)/0.42＝253，工作时间为2.11h。
5、按照上述工艺参数进行激光成形，得到的金属薄壁件最终成形宽度为4.30mm，长度为150mm，高度为107.08mm，总沉积层数为253层，工作时间为2.11h。实际激光成形的金属薄壁件与预期的金属薄壁件相当接近，符合生产工艺要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①根据预期高度金属薄壁件的宽度确定进行激光成形金属薄壁件的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数和首层沉积高度d1；
②根据步骤①确定的首层沉积高度d1，在0.6d1～0.7d1之间选取熔覆头的Z轴单层行程ΔZ；
③以步骤①和步骤②确定参数进行单道多层激光熔覆工艺试验，确定达到稳定状态时的沉积层数n和沉积高度h；
④根据预期成形高度H，设计总沉积层数N；
⑤以步骤①至步骤④确定的各个工艺参数进行预期高度金属薄壁件的激光成形。
2.根据权利要求1所述的激光快速成形预期高度金属薄壁件的方法，其特征在于，所述步骤①的确定方法为：通过单道单层的激光熔覆工艺试验，选取不同的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数组合，测量对应的单道熔覆层的宽度和高度，根据预期高度金属薄壁件的宽度，选取相应的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数，测量的单道熔覆层的高度为首层沉积高度d1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170627 Termination date: 20191225 |