CN108907192B - 一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法 - Google Patents

一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，涉及激光熔覆成形领域，本发明包括三个步骤，步骤1：通过响应曲面法建立送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线。本发明使熔覆过程中，薄壁件厚度稳定，高度平稳增加，符合预设编程的情况，到最后得到熔覆质量较高的薄壁件。

Description

一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法
技术领域
本发明属于激光熔覆成形领域，特别涉及一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法。
背景技术
激光熔覆成形技术(Laser cladding forming,LCF)是近些年发展起来的一种激光快速成形技术。该技术结合了快速原型制造和激光熔覆表面强化技术的特点，可以广泛的应用于复杂薄壁件的直接成形制造和修复，应用前景十分广阔。利用激光熔覆成形技术具有加工复杂零件、柔性化程度高和近景成形等独特优点。
特别的，激光熔覆成形技术在加工薄壁件上优势更加明显。传统减材方式加工如航空发动机叶轮叶片薄壁件时，有着材料利用率低，加工时间长等缺点。特别对于航空领域中常用的镍基高温合金和钛合金等昂贵金属加工时的浪费，很大程度上提高了这类薄壁件的加工成本。所以激光熔覆技术在加工薄壁件时有独特的优势。但是现阶段，激光熔覆成形薄壁件过程中，随着熔覆层数的增加，温度会有一个积累效应，熔池的温度也会变得越来越高，这样会使熔池变得不稳定，从而会导致熔覆的薄壁件高度和厚度出现不稳定的现象，最终影响成形薄壁件的质量。所以有必要对激光熔覆过程中的熔池温度进行控制，以保持熔池的稳定性。熔池的温度控制成为了控制薄壁件熔覆质量的关键问题。
在激光熔覆过程中，影响熔池的温度因素主要有激光功率、扫描速度、送粉速度，送粉气流量等，在其中激光作为唯一的能量输入途径，激光功率对温度的影响是最为直接的。所以如何根据熔覆过程中的条件选择合适的激光功率变化曲线成了一个需要解决的问题。
现有的方法中有根据熔覆层高度来调整激光的功率来达到熔覆层稳定增长的目的，但是若单纯通过高度来判断激光功率，会使薄壁的厚度变得不稳定。所以功率的调整还要考虑一些其他的因素对熔池温度的影响，这也是一个需要解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足本发明提供一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，该方法使熔覆过程中，薄壁件厚度稳定，高度平稳增加，符合预设编程的情况，到最后得到熔覆质量较高的薄壁件。
为解决上述技术问题，本发明是采取以下技术方案来实现的：一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法；步骤如下：
步骤1：根据响应曲面法，进行单道熔覆实验，得到送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；
步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；
步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线和每层提升量。
所述步骤2是利用有限元的方法对激光熔覆过程进行仿真模拟，在输入热物性参数时考虑温度对比热容变化的影响，采用热焓法处理相变潜热问题，在建立热源模型过程中影响热源模型效率的因素包括粉末遮挡率和材料的激光吸收率。
所述步骤3中以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿时需参考多层熔覆温度与熔覆层关系的理论模型，补偿后的熔宽稳定在一定数值，熔高稳定增长。
所述步骤3中确定合适的功率调整曲线，调整功率逐步减小直至稳定在某个较低的功率，此时熔池温度趋于稳定。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供了一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，其能够结合激光熔覆工艺参数对熔高熔宽影响的回归模型和对熔覆过程的温度的数值模拟，得到激光功率合理的变化曲线，最后能够使熔覆过程中熔池保持稳定，继而使熔覆过程中，薄壁件厚度稳定，高度平稳增加，符合预设编程的情况，到最后得到熔覆质量较高的薄壁件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的通过响应曲面法进行实验的结果图；
图2为本发明实施例提供的单道熔覆层形貌参数示意图；
图3为本发明实施例提供的单道熔覆层形貌假设为圆的示意图；
图4为本发明实施例提供的计算熔覆横截面积示意图；
图5为本发明实施例提供的提升量计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的方法如下所述：
步骤1：根据响应曲面法，进行单道熔覆实验，得到送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；
实施例中所用的设备包括库卡机械手臂、同轴送粉激光头、光纤激光器和转盘送粉器。这些设备均与库卡机器人控制柜建立通讯关系，通过库卡机器人的控制柜即可调用这些设备，集成度比较高。
本实施例选择100mm×150mm×5mm的镍基高温合金718板材作为基材，选择与基板材料相同的100目∽70目的镍基高温合金718粉材作为熔覆材料，熔覆过程中送粉气和保护气均为氩气，在熔覆过程中送粉气气压保持在5Mpa，保护气的流量保持在6L/min，关于基板加热的设备能加热的温度最高为400摄氏度。
实验前将基板用砂纸打磨平整，用酒精擦干净，需要熔覆的粉材在干燥箱内干燥2个小时，去除其水分，避免熔覆过程中产生气孔等缺陷。
根据响应曲面法实验原理，本实验中有4个因素，分别为送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度，建立一个四因素五水平的响应曲面法实验方案，方案中一共需要30组实验，其中水平范围分别为激光功率340W∽430W，送粉速度为0.15r/min∽0.35r/min，扫描速度为6.5mm/s∽9.5mm/s，基板温度调节为25℃∽400℃。如图1所示，在基板上熔覆30个单道熔覆层，每道长为30mm，间距为4mm。在每熔覆完一道后，都静置3分钟∽5分钟，等其热量达到一个均衡后，再进行下一道的熔覆。当需要加热平台升温时，则观察加热平台示数，等温度达到目标温度时，进行下一道的熔覆。
熔覆完成之后，为了更准确的获取熔覆层形貌参数，利用线切割的方式沿单道熔覆层垂直方向切开，用砂纸将断面打磨平整，用电子显微镜获取界面数据，包括熔宽和熔高；单道熔覆层中熔高和熔宽的测量位置如图2所示。
根据测量数据，拟合出这四个因素对熔宽和熔高的回归模型，熔高的多元回归方程为h＝a0+a1P+a2f+a3v+a4T,熔宽的多元回归方程为h＝b0+b1P+b2f+b3v+b4T，式中a0、a1、a2、a3、a4和b0、b1、b2、b3、b4均为常数，P为激光功率，f为送粉速率，v为扫描速度，T为基板温度。
由此确定了单道熔覆层熔宽和熔高的回归方程。
步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；具体步骤如下：选择单元类型，输入热物性参数和定义常量，建立激光熔覆基体和熔覆层的模型，划分网格，利用生死单元法实现熔覆层堆积，加载移动热源，完成仿真获得温度随层数的关系。
所述的建立多层熔覆温度与熔覆层关系的理论预测模型，在充分考虑具体实验条件的同时，利用有限元的方法对激光熔覆过程进行仿真模拟，在输入热物性参数时考虑温度对比热容变化的影响，采用热焓法处理相变潜热问题，在建立热源模型过程的影响热源模型效率的因素包括粉末遮挡率和材料的激光吸收率。
在仿真模拟中，可以通过调整功率的变化值来实现熔池的温度稳定在某一个数值上，从而实现熔池的稳定。
仿真模拟采用Ansys APDL来进行，在进行仿真模拟前，建立一个材料的热物性参数表，导入到软件中，进行下一步的建模和计算。激光熔覆温度场模拟是一种动态的模拟，属于瞬态传热问题，在温度的变化过程中，材料的热物性参数会有较大的变化，包括材料的线胀系数(10-6℃-1)热导率(W/(m·℃))、比热容(J/(kg·℃))，同时材料的密度(kg/m3)也会随温度变化。对于高于1000℃的热物性参数目前无法查到。对于镍基合金718来说，根据其组织特点和高温特性，对比性能相近的高温合金的数据，同样采用插值和外推的方法。
在激光熔覆过程中，热源模型的选择非常重要，在本实施例中采用的掺镱光纤激光器，激光光斑照射到熔覆层上的时候能量分布并不均匀，呈现出中间能量高周围能量小的分布，其热源模型可以近似的视为高斯分布。
在建立热源模型的过程中需要考虑两个问题，首先，在激光照射到基体或者上一道熔覆层之前需要先穿过粉末束流，在这个过程中会引起激光光波特性的变化，主要包括激光能量衰减和光束的漂移扩展与传输的线性和非线性的光学效应。为解决该问题，需引入遮光率η，在激光穿过粉末束流后损失的功率设为Ps，额定功率为P，那么遮光率η＝Ps/P，同轴送粉方式的遮光率一般在10％左右，在这里取η＝10％。然后，激光照射在熔覆层上，激光的能量并不能熔覆层完全吸收，此时会有一定的吸收率A，吸收率与材料的电阻率、激光的波长、表面粗糙度和温度因素有关，综合考虑以上因素，取吸收率为33％。
在仿真过程中，首先考虑恒定功率，观察熔覆层温度和熔覆层数的关系，此时，熔池温度是随着熔覆层的增加而增加的，在实际熔覆过程中，如果不对功率进行调整，则熔池会变大，随之带来的问题就是熔覆的薄壁件厚度增加，熔覆层高度增涨变慢，与预设的提升量ΔZ偏离。所以在仿真中逐步降低热源模型的功率，参考恒定功率的温度变化趋势，逐步的降低功率，最后达到熔池温度保持基本恒定的水平。
步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线和每层提升量。
所述以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿时需参考多层熔覆温度与熔覆层关系的理论模型，补偿后的熔宽稳定在一定数值，熔高稳定增长。
所述确定合适的功率调整曲线，调整功率逐步减小直至稳定在某个较低的功率，此时熔池温度趋于稳定。
在步骤1中，得到了熔宽和熔高随各个工艺参数的变化回归模型，如图3所示，单道熔覆层是可以近似的看作圆的一部分，通过熔宽和熔高就可以计算出来单道熔覆层的横截面积如图4所示，通过单道熔覆层的横截面积可以反映出在熔覆过程中熔入熔覆层的粉末量。计算公式如下所示：
Figure BDA0001767484310000051
其中，S代表单道熔覆层的横截面积，H为单道熔覆层的高度，W为单道熔覆层宽度。
已知一个熔覆层的横截面积，在多层熔覆过程中就可以通过数学模型来确定每熔覆一层的提升量，如图5所示，在多层堆积薄壁件的过程中，假设当上层的熔覆层堆积到下面的熔覆层上的时候，重熔形成的熔池与新加入的粉末会在重力和表面张力的作用下填补两侧的空间，在两侧形成边缘平整的熔覆层。那么每层提升量ΔZ计算就如下式：
Figure BDA0001767484310000052
在熔覆薄壁件的过程中，送粉速度和扫描速度一般是恒定的，这样在多层熔覆中影响熔入熔覆层粉末量的因素就只剩下激光功率和上一个熔覆层的余温。在步骤2中，通过仿真得到上一个熔覆层的余温数据T，而功率曲线已经通过保证熔池温度得出，熔高的多元回归方程为h＝a0+a1P+a2f+a3v+a4T和熔宽的多元回归方程为h＝b0+b1P+b2f+b3v+b4T预测每个熔覆层的熔高和熔宽，这时根据提升量ΔZ计算出在整个熔覆过程中的每层提升量；直至整个熔覆完毕，就可以得到质量良好的薄壁件。
最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据响应曲面法，进行单道熔覆实验，得到送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；
步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；
利用有限元的方法对激光熔覆过程进行仿真模拟，仿真模拟采用Ansys APDL软件来进行，在进行仿真模拟前，建立一个材料的热物性参数表，导入到所述Ansys APDL软件中，在输入热物性参数时考虑温度对比热容变化的影响，采用热焓法处理相变潜热问题，在建立热源模型过程中影响热源模型效率的因素包括粉末遮挡率和材料的激光吸收率；
步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线和每层提升量，直至整个熔覆完毕。
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