CN104959599B - 一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法，它包括以下步骤：1)在单道单层的激光熔覆基础工艺试验下，根据待成形的复杂曲面金属薄壁件的宽度，确定基本工艺参数；2)根据基本工艺参数确定单层熔覆层高度，并根据单层熔覆层高度设定Z轴单层行程；3)根据复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角，确定激光头与Z轴方向的夹角；4)根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角；根据步骤1)‑4)中各工艺参数进行复杂曲面金属薄壁件的激光成形。采用以上方法简易控制激光头的角度实现高质量金属薄壁件，因此本发明可以广泛用于复杂零件的激光修复和成形领域。

Description

一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法
技术领域
本发明涉及一种激光快速成形的方法，特别是关于一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法。
背景技术
区别于传统的去材制造，属于增材制造的激光快速成形技术，激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，有着自动化程度高、较高的材料利用率、无需模具等优点，因而被广泛应用于航空航天、医学等各个领域。
金属薄壁结构因其在满足性能要求的情况下可以大幅度减轻重量的优点，被应用于航空发动机、汽轮机、压缩机等使用的大型叶片中。此类金属薄壁结构往往具有倾斜角度不同的扭曲特点，这大大增加了激光快速成形金属薄壁结构的难度。
在激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的过程中，Z轴单层行程与xy平面内的偏移量匹配是实现高质量复杂曲面结构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，这样才能确保下一层的高精度成形。但是在实际的成形复杂曲面结构过程中，同一层路径中的不同位置存在着相对于前一层不同的倾斜角度，往往会造成同一成形层高度的不一致，导致无法成形。
马广义，石龙飞，邓德伟，张永康等公开了CN201510030170一种无支撑倾斜结构的激光近净成形方法，通过预设激光头与Z轴方向范围为5°-45°的夹角，所成形出的直线无支撑结构与Z轴方向的夹角范围为45°-85°，其中的激光头所在平面与倾斜结构始终垂直，而三轴开环控制条件下成形曲线路径且倾斜角度不同的复杂曲面结构中，激光头所在平面与成形结构的垂直平面存在一定的夹角，曲线路径以及倾斜角度的不同会造成同一成形层高度的不一致，最终塌陷无法成形。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种三轴开环控制条件下，通过简易控制激光头所在平面与曲率半径所在平面的夹角采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法，它包括以下步骤：1)在单道单层的激光熔覆基础工艺试验下，根据待成形的复杂曲面金属薄壁件的宽度，确定进行激光成形的激光功率、扫描速度和送粉量基本工艺参数；2)根据激光功率、扫描速度和送粉量确定单层熔覆层高度，并根据单层熔覆层高度设定Z轴单层行程；3)根据复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角，确定激光头与Z轴方向的夹角；4)根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角；根据步骤1)-4)中各工艺参数进行复杂曲面金属薄壁件的激光成形。
所述步骤2)中，选取单层熔覆层高度的0.3-0.5倍作为Z轴单层行程。
所述步骤4)中，根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角，范围在0°-10°之间。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用在单道单层的激光熔覆基础工艺试验下，根据待成形的复杂曲面金属薄壁件的宽度，确定进行激光成形的激光功率、扫描速度和送粉量基本工艺参数；根据激光功率、扫描速度和送粉量确定单层熔覆层高度，并根据单层熔覆层高度设定Z轴单层行程；根据复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角，确定激光头与Z轴方向的夹角；根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角；根据各工艺参数进行复杂曲面金属薄壁件的激光成形。本发明由于只是在三轴开环控制条件下采用上述方法，简易控制激光头所在平面与曲率半径所在平面的夹角就实现了复杂曲面金属薄壁件模型与成形结果一致的高质量金属薄壁件，相对目前需要在五轴工作环境下完成的具有复杂曲面结构的金属薄壁件，有效降低了设备的复杂性和附加成本。因此本发明可以广泛用于复杂零件的激光修复和成形领域。
附图说明
图1是激光头与复杂曲面金属薄壁件的夹角示意图，其中1为激光头；2为竖直平面；3为激光头所在平面；4为曲率半径所在平面；5为激光头与Z轴方向的夹角；6为激光头所在平面与曲率半径所在平面的夹角；7为复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法中，复杂曲面是指扭曲，高度不一，倾斜角度不同，而且经过分层之后，每一层的路径表现为曲线路径。薄在成形领域指的是单道多层成形。它在三轴开环控制条件下使用，其包括以下步骤：
1)在单道单层的激光熔覆基础工艺试验下，根据待成形的复杂曲面金属薄壁件的宽度，确定进行激光成形的激光功率、扫描速度和送粉量三个基本工艺参数，由于上述确定过程为本领域公知的过程，故不再详述。
2)根据激光功率、扫描速度和送粉量确定单层熔覆层高度，并选取单层熔覆层高度的0.3-0.5倍作为Z轴单层行程；
3)根据复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角，确定激光头与Z轴方向的夹角，范围在5°-45°之间；
4)根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角，范围在0°-10°之间；
根据步骤1)-4)中各工艺参数进行复杂曲面金属薄壁件的激光成形。
实施例
复杂曲面金属薄壁模型宽度为3.2mm，确定的激光快速成形的工艺参数为：激光功率1000W，送粉量0.078g/s，扫描速度6mm/s。基体材料和金属粉末均为316L不锈钢，粉末粒度为45μm-90μm。
实施案例1
1)基体的几何尺寸为140×30×20mm3；
2)确定的Z轴单层行程为0.2mm；
3)复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角范围7为0°-40°，在激光快速成形过程中使用的激光头与Z轴方向的夹角5为10°，满足激光头与Z轴方向所成夹角要求；
4)使用的激光头所在平面与曲率半径所在平面的夹角6范围为0°-5°，满足激光头所在平面与曲率半径所在平面所成夹角要求；
按照上述工艺参数进行激光快速成形，得到的复杂曲面金属薄壁件的最终成形宽度为3.3mm，表面平整，成形结果与复杂曲面金属薄壁件模型一致，说明采用本发明能够高质量成形。
实施案例2
1)基体的几何尺寸为130×15×15mm3；
2)确定的Z轴单层行程为0.2mm；
3)复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角范围7为42°-55°，在激光快速成形过程中使用的激光头与Z轴方向的夹角5为20°-30°，满足激光头与Z轴方向所成夹角要求；
4)使用的激光头所在平面与曲率半径所在平面的夹角6为0°-10°。满足激光头所在平面与曲率半径所在平面所成夹角要求；
按照上述工艺参数进行激光成形，得到的复杂曲面金属薄壁件的最终成形宽度为3.2mm，表面平整，成形结果与模型一致，说明采用本发明能够高质量成形。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各步骤的实现方式是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法，它包括以下步骤：
1)在单道单层的激光熔覆基础工艺试验下，根据待成形的复杂曲面金属薄壁件的宽度，确定进行激光成形的激光功率、扫描速度和送粉量基本工艺参数；
2)根据激光功率、扫描速度和送粉量确定单层熔覆层高度，并根据单层熔覆层高度设定Z轴单层行程；选取单层熔覆层高度的0.3-0.5倍作为Z轴单层行程；
3)根据复杂曲面金属薄壁件模型与Z轴方向的夹角，确定激光头与Z轴方向的夹角；
4)根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角；
根据步骤1)-4)中各工艺参数进行复杂曲面金属薄壁件的激光成形。
2.如权利要求1所述的一种采用激光快速成形复杂曲面金属薄壁件的方法，其特征在于：所述步骤4)中，根据复杂曲面金属薄壁件模型曲率半径所在的平面，确定激光头所在平面与轨迹曲率半径所在平面的夹角，范围在0°-10°之间。
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