CN108098146B

CN108098146B - 一种非平整面高精度激光增材成形方法

Info

Publication number: CN108098146B
Application number: CN201711313231.8A
Authority: CN
Inventors: 王克鸿; 彭雪; 周琦; 彭勇; 许华银; 唐燕生; 钱美霞; 吴成成
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: CN108098146A

Abstract

本发明公开了一种非平整面高精度激光增材成形方法。该方法为：采用电弧热源进行增材成型；驱动激光位移传感器扫描增材成型件的表面轮廓，通过传感器的测量值之间的偏差，计算出工件表面精度；将该精度输入到已模型化的控制器中，控制器重建零件表面模型，得出与原始的表面精度差值，从而确定零件表面不同区域的修复参数，发出控制对策，修复参数输入机器人控制柜，控制柜根据修复参数在工件表面的不同区域施加不同能量、频率的激光热源。修复结束后，再次驱动激光位移传感器扫描表面轮廓，确定修补后的工件是否达标，若不达标，则进行再次修补，直到修补达标为止。该方法能够有效提高激光增材构件表面精度，从而提升激光增材成形件的质量。

Description

一种非平整面高精度激光增材成形方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是非平整面高精度激光增材成形方法。

背景技术

近年来，随着计算机水平的快速发展，激光熔覆技术被广泛用于制造领域，结合数控、计算机辅助设计、材料科学等技术，激光熔覆具有制造周期短、加工工艺简单等优点，是一种“增材”的制造方式，直接、快速、柔性地将设计想法转换成具有一定功能的零件。激光熔覆技术利用送粉或送丝的方式，可形成三维任意形高性能金属的近净型。

由于电弧熔覆的过程非常复杂，影响因素较多，亦存在各种问题和不足。电弧熔覆技术目前存在这么四个主要问题：(1)熔覆过程中，经喷嘴喷出的粉末不会全部进入激光熔池中，成形件表面会有粉末粘结，表面精度及质量有所下降。(2)熔覆成形件质量不稳定，表面平整度不高，同时熔覆层中容易出现气孔、裂纹。(3)制造形状、结构复杂的零件时，过渡位置易产生坍塌、结点，整体形状易变形。(4)环境变化导致熔覆件质量变化的敏感性，而熔覆层实时监测和控制不成熟。

为解决电弧熔覆件表面的缺陷，实现尺寸精度、表面质量的高要求，需要对电弧熔覆件进行再加工。利用激光熔覆技术进行后续再加工，形成复合成形技术，以此得到表面质量高、尺寸精度好的成形件。

专利申请号为201710085425.0的发明提出的是宽波段、大量程激光功率计检定装置。激光辐射源包括激光器、激光器和激光器，在激光器光路上装有第一翻转反射镜，在激光器光路上装有第二翻转反射镜，在激光器光路上装有第三翻转反射镜，翻转反射镜所反射的激光汇聚在水平光路上，在水平光路初始位置上装有第一可变光阑和激光分束片，激光分束片反射的激光照向监测探测器上，没有被激光分束片反射的激光通过激光衰减器组，在激光衰减器组前侧装有可调占空比式激光衰减器，后侧装有中性激光衰减片，经过激光衰减器组的激光经过激光功稳仪后又经过第二可变光阑，直至照射在宽波段标准激光功率计上，宽波段标准激光功率计光路直接照射到待检定激光功率计上。

专利申请号为201410011190.7的发明公开了一种金属零件的激光增材制造方法及装备。该方法采用逐层制造的随形缸作为成型缸，即在制造每一金属零件层前，先制备一层闭合薄壁墙,其形成的空腔作为随形腔，该随形腔的高度与待制造的金属零件层相同，且形状相适应，为铺粉提供平面基准和腔体利用逐层制造随形腔，采用扫描振镜进行选择性激光熔化成形，逐层制造金属零件层，各层随形腔最终层叠形成随形缸，各金属零件层累加形成金属零件。

专利申请号为201210256645.2的发明公开了一种提高激光器输出频率稳定度的装置及具有该装置的激光器。该装置用于从激光器的激光光束中选择出预定频率的激光信号的第一吸收室、用于对所述第一吸收室选择出的激光信号进行低频调制的频率调制模块、用于从调制后的激光信号选择出所述预定频率的激光信号的第二吸收室、用于探测所述第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号的第一光电检测模块、用于根据所述第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压的第一伺服模块、以及用于根据所述第一纠偏电压调整所述激光光束的频率的压电晶体驱动器。

专利申请号为201610986062.3的发明涉及一种钦合金薄壁构件激光增材制造成形方法，特别涉及一种多分支、薄壁钛合金结构的制备方法,是基于激光选区熔化成形和激光熔覆技术的结构制备方法，所述的薄壁是指钛合金的厚度不大于，尤其适用于壁厚为的钛合金结构的成形。采用本发明的方法获得的钛合金复杂薄壁构件壁厚达到，尺寸精度达到0.1mm/100mm。

发明内容

基于以上不足，本发明提出一种有效提高激光增材构件表面精度的方法，此方法为了改善熔覆件表面质量，引入激光再修复技术，利用附加激光加工机进行工件表面修复，实现激光复合成形，从而提升激光增材成形件的质量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种非平整面高精度激光增材成形方法，首先采用电弧热源按照计算机模拟的三维模型进行增材成型；其主要装置包括激光增材制造系统、激光位移传感器、激光加工机、控制器、变位机以及计算机；

其中所述激光位移传感器一端与控制器相连，另一端分别与机器人焊接系统、光纤激光器相连，并通过固定在工作平台上方的丝杆带动来回扫描；

所述激光机器人控制柜改良后存在大量与不同平整度数据差值对应的修补激光增材参数，参数包括：激光功率，焊接速度，保护气体流量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述操作方法包括如下步骤：

步骤1、采用电弧热源按照计算机模拟的三维模型进行增材成型；

步骤2、激光位移传感器分别与控制器、机器人焊接系统相连，并通过丝杆带动来回扫描；

步骤3、驱动激光位移传感器扫描增材成型件的表面轮廓，通过传感器的测量值之间的偏差，计算出工件表面精度(Ra)；

步骤4、将得到的精度输入到已模型化的控制器中，控制器根据预先输入的理想化数据(增材成型件尺寸数据，长度，高度，宽度，精度等)重建零件表面模型，并与原始工件的表面精度(Ra0)比较，得出前后两表面不同区域之间的差值，并将差值作为零件表面各个区域的修复参数(Δ＝Ra1-Ra0)，并进行如下操作：

激光器进入准备模式，准备进行激光修复；

随后控制器将工件表面各个区域的修复参数自动反馈机器人控制柜，从而使机器人控制柜驱动焊接系统，根据平整度差值分布，在工件表面的不同区域施加与修复参数对应的不同能量、频率的激光热源：由于激光焊接中存在一个激光能量密度阈值(一般为105W/cm₂，所以当反馈平整度(Δ1Δ2Δ3…)差值超过1mm时，设置焊接系统中的激光功率大于此阈值，达到较大熔深，且焊接速度较快；当反馈平整度差值低于1mm时，设置焊接系统中的激光功率小于此阈值，熔深较小，焊接速度慢。

步骤5、修复结束后，再次驱动激光位移传感器扫描表面轮廓，确定修补后的工件是否达标(Ra<0.05mm)，若不达标，则进行再次修补，直到修补达标为止。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明中的激光位移传感器与控制器形成一个数据传输系统，方便的扫描并建立修复数据，结构简单灵活；控制器采用抗干扰能力强、工作稳定可靠、连续工作时间长的工业控制计算机，改良过的控制器中存在大量输入的平整度参数以及对应的零件模型，这些数据都是根据所需增材成型件的精度要求合理设计的；并且利用工业控制计算机中的建模功能重建合理化模型；2、激光机器人控制柜改良后存在大量与不同平整度数据对应的激光增材参数，这些参数都是通过实验及分析得来的合理化数据；激光修复后再次对工件表面进行扫描，以确保修复后的表面精度达到最大程度的修复并且表面平整度效果达到最好。

附图说明

图1为方案流程示意图；

图2为本发明涉及的装置结构示意图；

图3为激光位移传感器扫描示意图。

其中有：激光位移传感器1、激光焊枪2、激光器3、控制器4、可移动工作台5、激光扫描方向6、成型件表面7。

具体实施方式

结合附图，本发明一种非平整面高精度激光增材成形方法，主要装置包括激光增材制造系统、位于工件上方的激光位移传感器1、位于可移动工作平台侧面的激光加工机3、位于可移动平台5另一侧的与激光位移传感器相连的工业控制器4。

激光位移传感器一端与控制器相连，另一端分别与机器人焊接系统、光纤激光器相连，并通过固定在工作平台上方的丝杆带动来回扫描(如图3中3所示)；

本发明中采用的是光纤激光加工机。具体适用型号见实施例1。

首先使用现有的电弧增材制造系统制造成型件，具体的，本发明中采用cmt增材制造系统，根据成型件的CAD模型的分层切片信息，一层一层的打印出一个300mm×230mm×30mm的长方体不锈钢块体；

随后驱动激光位移传感器来回扫描激光增材成型件的表面轮廓，即利用激光位移传感器内半导体激光发射源发出一束平行激光，平行激光束射在工件表面上，经反射后的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，利用三角测量法获得精确地表面平整度数据，通过传感器的测量值之间的偏差，计算出工件表面精度Ra。其中，激光位移传感器由丝杆带动扫描。

然后将得到的精度Ra输入到已模型化的控制器中，控制器根据预先输入的理想化数据(增材成型件尺寸数据，长度，高度，宽度，精度等)重建零件表面模型，并与原始工件的表面精度(Ra₀)比较，得出前后两表面不同区域之间的差值(Δ＝Ra₁-Ra₀)，这些差值(Δ1Δ2Δ3…)即作为零件表面各个区域的修复参数，这些修复参数驱动控制器发出控制对策；所述工业控制器一端与激光加工机控制柜相连，用于驱动激光加工机及时调整不同区域的激光频率和强度，以获得更好的修复效果。

接着，光纤激光器进入准备模式，准备进行激光修复；将工件表面各个区域的修复参数输入机器人控制柜，从而使机器人控制柜驱动焊接系统根据平整度差值分布在工件表面的不同区域施加与修复参数对应的不同能量、频率的激光热源，即由于激光焊接中存在一个激光能量密度阈值为105W/cm₂，所以当反馈平整度(Δ1Δ2Δ3…)差值超过1mm时，设置焊接系统中的激光功率大于此阈值，达到较大熔深，且焊接速度较快；当反馈平整度差值低于1mm时，设置焊接系统中的激光功率小于此阈值，熔深较小，焊接速度慢。通过在工件表面的不同区域施加不同能量和不同频率的激光热源，引起快速加热，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面温度上升，从而热力把工件表面的凝固金属熔解蒸发，以此达到修复工件表面不同区域的平整度的效果。

修复结束后，再次驱动激光位移传感器扫描表面轮廓，确定修补后的工件是否复合实际要求的平整度标准(Ra<0.05mm)，若不达标，则进行再次修补，直到修补达标为止。通过重复扫描修复工件，能够得到精度较高的表面。

实施例1

本实施例的非平整面高精度激光增材成形方法是基于激光增材制造技术，把激光修复加工技术通过激光位移传感器和工业控制器联系起来，主要装置包括：激光增材制造系统、ZLDS113激光位移传感器、ST-D-MF20型激光加工机、工业控制器、倾翻回转式变位机以及计算机。结合图2，本方法具体包括以下步骤：

步骤1、采用cmt电弧增材制造系统进行零件制造，即用计算机构件三维模型输入到机器人控制系统中进行增材制造；

步骤2、驱动激光位移传感器来回扫描激光增材成型件的表面(如图2中的2)轮廓，所用位移传感器为ZLDS113激光位移传感器，且传感器通过丝杆带动来回移动进行扫描(扫描方向如图2中的3，如此来回往复)，即可测量出一个横截面的表面轮廓，通过传感器的测量值之间的偏差，计算出工件表面平整度Ra，本实施例中，原始表面精度在不同位置的数值为[0.1mm，0.5mm，0.3mm，0.1mm，0.8mm…]；

步骤3、将得到的表面精度(Ra)输入到已模型化的控制器中，控制器根据预先输入的理想化数据重建零件表面模型，并与原始工件的表面平整度(Ra₀)比较，得出前后两表面不同区域之间的差值(Δ＝Ra₁-Ra₀)，这些差值(Δ1Δ2Δ3…)即作为零件表面各个区域的修复参数，这些修复参数驱动控制器发出控制对策；

步骤4、光纤激光器进入准备模式，准备进行激光修复，此激光加工机设置在加工平台的一侧。

步骤5、将工件表面各个区域的修复参数输入机器人控制柜，由于激光焊接中存在一个激光能量密度阈值(一般为105W/cm2)，且此实施例中反馈平整度(Δ1Δ2Δ3…)差值均小于1mm，设置焊接系统中的激光功率小于此阈值，熔深较小，焊接速度慢。

步骤6、修复结束后，再次驱动激光位移传感器扫描表面轮廓，确定修补后的工件精度均值为0.05mm<0.5mm，修复合格。

结合附图，激光增材制造系统，主要采用TH-LWY激光金属焊接机切割机，激光源为Nd:YAG，其系统组成包括：气保护、水冷系统、工作平台、激光系统、控制系统等；所用控制器采用工业控制计算机，其一端与激光加工机控制柜相连，用于驱动激光加工机及时调整不同区域的激光频率和强度，以获得更好的修复效果。；

激光修复加工机采用IPG公司生产YLS-4000-CL型光纤激光器，由激光器、工作台、电气部件、光具部件等部分组成的激光标刻系统，光纤的纤芯直径为400um，激光源为光纤激光器。

本实验采用的是ABB公司生产的IRB2400/16型六轴机器人系统。

本试验采用的作为熔覆层材料的合金粉末为加拿大Raymor公司利用等离子雾化法生产的球形Ti6Al4V合金粉末，牌号为TC4，粉末粒度为45-125μm；基材采用的是纯钛板，牌号为TA0。

修复时的送粉量、扫描速度以及保护气流量通过正交试验得出最佳。

本发明能够有效提高激光增材构件表面精度，从而提升激光增材成形件的质量。

Claims

1.一种非平整面高精度激光增材成形方法，其特征在于，包括具体步骤如下：

采用电弧热源按照计算机模拟的三维模型进行增材成型；

激光位移传感器分别与控制器、机器人焊接系统相连，并通过丝杆带动来回扫描；

驱动激光位移传感器扫描增材成型件的表面轮廓，通过传感器的测量值之间的偏差，计算出工件表面平整度Ra；

将得到的平整度输入到已模型化的控制器中，控制器根据预先输入的理想化数据重建零件表面模型，并与原始工件的表面平整度Ra₀比较，得出前后两表面不同区域之间的差值Δ=Ra- Ra₀，并将差值作为零件表面各个区域的修复参数，并进行如下操作：

激光器进入准备模式，准备进行激光修复；控制器将工件表面各个区域的修复参数自动反馈给机器人控制柜，从而使机器人控制柜驱动焊接系统，根据平整度差值分布，在工件表面的不同区域施加与修复参数对应的不同能量、频率的激光热源；

修复结束后，再次驱动激光位移传感器扫描表面轮廓，确定修补后的工件是否符合实际要求的平整度标准，若不达标，则进行再次修补，直到修补达标为止；

所述根据平整度差值分布，在工件表面的不同区域施加与修复参数对应的不同能量、频率的激光热源，具体操作如下：由于激光焊接中存在激光能量密度阈值为105W/cm²，所以当反馈平整度差值超过1mm时，设置焊接系统中的激光功率大于此阈值，达到较大熔深，且焊接速度较快；当反馈平整度差值低于1mm时，设置焊接系统中的激光功率小于此阈值，熔深较小，焊接速度慢，即达到合理修补的目的；

所述的计算出工件表面平整度通过如下步骤实现：激光位移传感器内半导体激光发射源发出一束平行激光，平行激光束射在工件表面上，经反射后的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，利用三角测量法获得精确的表面平整度数据。

2.根据权利要求1所述的非平整面高精度激光增材成形方法，其特征在于，所述控制器采用抗干扰能力强、工作稳定可靠、连续工作时间长的工业控制计算机，改良过的控制器中存在大量输入的平整度参数以及对应的零件模型，这些数据都是根据所需增材成型件的精度要求合理设计的；并且利用工业控制计算机中的建模功能重建合理化模型。

3.根据权利要求1所述的非平整面高精度激光增材成形方法，其特征在于：所述确定修补后的工件是否符合实际要求的平整度标准：修补后的工件表面平整度标准Ra<0.05mm。

4.根据权利要求1所述的非平整面高精度激光增材成形方法，其特征在于：控制器根据预先输入的理想化数据具体为增材件尺寸数据：长度，高度，宽度，精度。