CN107378250B - 基于ccd监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法，在CCD监控下，一道连续激光完成熔覆；与此同时，另一道脉冲激光在最佳锻打区域进行锻打强化。通过CCD监控激光熔覆冲击锻打复合成形的每层熔覆层的形状与尺寸，获取下一层加工的补偿量。通过补偿量的反馈，计算机控制系统控制下一层加工时连续激光束、脉冲激光束的相关参数和送粉量。反复调整相关参数进行加工，获得具有更好的综合机械性能和更精确形状和尺寸的零件。

Description

基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法
技术领域
本发明涉及先进激光熔覆制造领域，更具体的说，涉及一种基于CCD监控下的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形强化方法。
背景技术
大尺寸零件在机械设备中应用广泛，但是大尺寸零件的传统加工工艺复杂，加工周期长、成本高。
激光加工技术日趋成熟，在许多加工领域应用广泛。其中，激光熔覆技术是以激光作为热源，熔化金属或者合金粉末，实现零件的成形或者表面改性的一种先进制造技术。其应用的是增材制造的方法，无需模具，不需要传统刀具、机床，生产周期短。因此这项技术成为大尺寸零件生产的一项重要新技术。能加工出传统加工工艺难以制造出来的大尺寸零件，并且大大缩短生产周期、降低成本。
然而，对于大尺寸零件，每个熔覆层面积大，相邻两层之间熔覆间隔时间长。当前一层温度降的比较低时才进行第二次熔覆，温度差大，会导致热应力过大，甚至开裂。所以运用激光熔覆技术制造出来的大尺寸零件存在气孔，致密性差，而且残余应力过大，抗疲劳性能不足等缺点，容易翘曲变形，综合机械性能达不到要求。另外，由于尺寸零件的后处理工艺复杂，不易实现，所以很难通过后处理工艺提高其综合机械性能。因为大尺寸零件加工困难，所以应该尽量一次达到规定尺寸，避免二次加工带来更大的加工成本。因此需要精确控制大尺寸零件的形状和尺寸。
综上所述，激光熔覆技术制造出来的大尺寸零件存在着气孔，致密性差，残余应力过大，抗疲劳性能不足，翘曲变形，综合机械性能不高，难以精确控制加工过程的尺寸等问题，严重制约着大尺寸零件激光熔覆技术的发展。因此，上述问题是目前本领域技术人员急需解决的难点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法，第一目的在于解决激光熔覆技术生产大尺寸零件所存在的开裂、气孔，致密性差，残余应力大，翘曲变形等问题，提高机械综合性能；第二目的在于更精确控制加工过程的尺寸，控制零件形状。
一种基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法，包括如下步骤：
根据建立好的三维模型，对零件结构特点进行分析，并对该零件分单元和分层切片，并规划熔覆喷头的加工路径，
控制熔覆喷头进行逐层激光熔覆，与此同时，激光锻打喷头紧随其后，在合适的温度场范围内进行激光冲击锻打，直至当前熔覆层全部锻打完毕。熔覆激光束离开后，熔池温度下降迅速，脉冲激光束必须在合适温度范围内锻打，两束激光束同时作用在同一区域，于此同时，CCD实时监控加工后的参数变化，反馈到计算机进行处理，此为一个复合加工工艺。
上述基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法，是一种智能制造方法。由于激光冲击锻打之后，消除了气孔等缺陷，必定会改变熔覆层的厚度。通过CCD监控冲击锻打后的熔覆层形状，与目标熔覆层预设的厚度和宽度进行对比，并将数据反馈到计算机控制系统。
优选地，对下一次熔覆进行补偿，根据反馈回来的数据，确定补偿量。
具体的补偿方法包括如下：
根据补偿量，由计算机控制系统控制送粉装置精确改变送粉量。根据CCD所获得的厚度与宽度的对比数据，由计算机控制系统控制连续激光发生器，改变下一次熔覆时激光的脉宽与光斑大小。通过不断的进行补偿加工，获得更精确的零件形状与尺寸。
优选地，为了实现熔覆层的全层锻打，冲击锻打激光束的光斑大小要随当前熔覆层的宽度改变而改变。为了达到足够的冲击锻打深度，冲击锻打激光束的频率、脉宽要随当前熔覆层的厚度改变而调整。
优选地，用于熔覆的连续激光束和用于冲击锻打的脉冲激光束两者的参数互相影响，连续激光束扫描速度、零件特点和材料特性决定脉冲激光束扫描速度。
上述熔覆激光锻打复合工艺、CCD监控完成需要一定的时间。特别对于大尺寸零件，熔覆层面积大，完成的时间更长，上层熔覆层温度降得较低。因此，对于温度低于最佳锻打温度的熔覆层，则降低第一束连续激光束熔敷的速度，使之与第二束脉冲激光锻打速度相匹配，满足锻打质量要求。由于大尺寸零件相邻两层熔覆间隔时间长，温差比较大，造成残余应力大。所以锻打深度应大于当前熔覆层，到达上一熔覆层。
上述基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法优点如下:
1.复合成形方法运用CCD监控每层熔覆层厚度和宽度，并与预设值对比获得补偿量，从而获得更精准的零件尺寸。
2.连续激光熔覆与脉冲激光锻打耦合加工，提高效率，并能在最佳温度区域冲击锻打，提高零件综合机械性能。
3.对于温度低于最佳锻打温度的熔覆层，则降低第一束连续激光束熔敷的速度，使之与第二束脉冲激光锻打速度相匹配，防止大尺寸零件开裂，热应力过大等现象发生。
附图说明
图1：基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法实施流程图；
图2：基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详述：
1.利用SolidWorks、UG、Creo、Pro/E等三维建模软件建立出大尺寸零件的三维模型。
2.根据零件的工艺特点，分析零件的熔覆过程，从而根据分析结果对模型进行分单元和分层切片。并确定熔覆喷头的加工路径。
3.连续激光器按照设定参数发射激光，并通过光纤(光路)送到喷头，粉量控制器按照设定的出粉量把金属粉末送到喷头，激光束熔化金属进行堆积成形。
4.与步骤3同时进行激光冲击强化。根据预设的参数，脉冲激光发生器产生激光，在最佳温度区域，对当前熔覆层全层进行冲击锻打，从而提高零件的综合机械性能。
5.CCD装置对当前锻打强化后的熔覆层监控，获取零件最新熔覆层的厚度、宽度和形状数据。并把数据反馈到计算机控制系统，与预设值对比，获得补偿量。计算机控制系统根据补偿量控制下一层的送粉量、激光发生器所发射激光的功率、脉宽等参数以及激光束光斑大小。通过不断的进行补偿加工，获得更精确的零件形状与尺寸。
6.对温度过低的区域进行连续激光快速预热。
7.重复步骤3－4，直到完成最后零件的熔覆冲击锻打加工工艺过程。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于CCD监控下的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成形方法，其特征在于：在CCD监控下，连续激光束熔覆金属粉末堆积成形，同时脉冲激光冲击锻打当前熔覆层，熔覆激光束离开后，熔池温度下降迅速，脉冲激光束必须在合适温度范围内锻打，两束激光束同时作用在同一区域，与此同时，CCD实时监控加工后的参数变化，反馈到计算机进行处理；
通过CCD监控因冲击锻打后消除气孔缩松缺陷而改变的熔覆层形状，与目标熔覆层预设的厚度和宽度进行对比，并将数据反馈到计算机控制系统，获得下一层熔覆的补偿量；
根据补偿量，由计算机控制系统控制送粉装置精确改变送粉量,根据CCD所获得的厚度与宽度的对比数据，由计算机控制系统控制连续激光发生器，改变下一次熔覆时激光的脉宽与光斑大小，使之与激光冲击锻打的速度和锻打塑性变形的深度相匹配,通过不断的进行补偿加工，获得更细化的晶粒尺寸、精确的零件形状与尺寸；
为了实现熔覆层的全层锻打，冲击锻打激光束的光斑大小要随当前熔覆层的宽度改变而改变，为了达到足够的冲击锻打深度，冲击锻打激光束的频率、脉宽要随当前熔覆层的厚度改变而调整，冲击锻打深度要大于相邻两层的连接处，以更好的消除缺陷和残余应力；
对因熔覆层面积大、间隔时间过长而导致温度低于最佳锻打温度的熔覆层，则降低连续激光束熔覆的速度，使之与脉冲激光锻打速度相匹配，满足锻打质量要求。
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