CN110625114A - 一种用于同轴送粉的激光扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种用于同轴送粉的激光扫描方法，包括：逐层获取待加工工件截面的轮廓文件并识别，在每一层所述轮廓文件的区域内，以同一种多边形均匀排列的方式进行分区，并在每个分区内规划扫描路径，然后删除所述分区的分区线；对每个分区采取负搭接方式和内部无重叠的等距螺旋扫描路径进行激光扫描；对每一层所述轮廓文件进行边框扫描。分区后热量分散，避免了能量过于集中，降低了构件变形和开裂的几率；采用等距螺旋式扫描路径，避免了现有技术中同层面往复回填扫描时，短边相互重叠、平整度较差的问题，减少了后期机加工余量。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种用于同轴送粉的激光扫描方法。
背景技术
激光沉积增材制造技术（Laser Melt Deposition ，LMD）) 是以高功率高亮度的激光为热源，粉末同步送进的方式，将待熔粉末直接送入高能束激光产生的熔池中，由机床或机器人引导高能束激光逐层按轨迹行走，层层堆积最终成型出三维立体金属零部件。可以实现大型复杂构件的短流程、低成本、快速一体成型。但是在激光沉积增材制造过程中，其加工质量除受激光功率、熔道宽度、扫描速度、扫描间距和层厚等因素影响外，主要还与分区策略和扫描路径或扫描方式有关。
当金属粉末被送至熔池被激光辐照熔覆时，由于成型方式不同、冷却顺序不同容易导致零件的非均匀收缩，产生较大的残余应力，这种应力严重时就会使己成型层发生翘曲变形甚至开裂。分区策略和激光束的扫描方式决定着加工当前层面上的温度场分布（或者温度梯度）以及应力分布，因此也就决定了残余应力的大小和翘曲变形的程度。
目前在激光沉积增材制造大型金属构件时，大多数的分区不够分散，能量过于集中，冷却时温度梯度较大，较大的残余应力导致构件应力变形甚至开裂的问题，即使后期切割修补也会导致质量不稳定。
发明内容
为了解决现有技术中分区不够分散，能量过于集中的问题，本发明提供一种用于同轴送粉的激光扫描方法。
本发明提供一种用于同轴送粉的激光扫描方法，包括：
逐层获取待加工工件截面的轮廓文件并识别，在每一层所述轮廓文件的区域内，以同一种多边形均匀排列的方式进行分区；
在每个所述分区内规划扫描路径，然后删除所述分区的分区线；
对每个所述分区按所述扫描路径进行激光扫描；对每一层所述轮廓文件进行边框扫描。
采用上述技术方案，用多边形均匀排列进行分区，相对于圆形重叠分区，可使各分区之间的搭接率相同，保证同层扫描面更加平整；相对于棋盘式分区，可将相邻两分区的搭接线方向应力止于端点，即被搭接线两端点的多边形分区截止，并将热量分散于各个分区，避免了热量和应力集中，减缓了冷却时的温度梯度并降低了残余应力导致构件变形和开裂的几率。
进一步的，所述激光扫描的搭接方式为负搭接，所述扫描路径由正向扫描路径和回填扫描路径组成。
采用上述技术方案，负搭接的搭接方式和正向扫描结合回填扫描的方式，使激光在扫描过程中熔道与熔道间存在较大间隙，可以防止热量和应力集中，从而降低构件变形和开裂的几率。
进一步的，在用于分区的所述多边形内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第一多边形上一端点为起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，以所述第二多边形上的一点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
采用上述技术方案，螺旋式扫描使应力呈环状分布，各方向应力均匀，避免了成型零件因应力不均匀导致的翘曲变形。另一方面，螺旋式扫描，还避免了现有技术中同层面往复回填扫描时，短边相互重叠、平整度较差的问题，减少了后期机加工余量。
进一步的，在用于分区的所述多边形内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第二多边形上的一点为起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，以所述第一多边形上一端点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
进一步的，所述多边形为正多边形，所述正多边形的内切圆直径为（4n+2）S，其中，n为自然数，S为扫描间距。
采用上述技术方案，正多边形进行分区后，进行螺旋式扫描，中心点距各条边距离相等，更便于同宽度熔道的均匀排布，防止狭窄处熔道过于集中或需要调整熔道宽度的情况，从而避免热力和应力集中的问题。
进一步的，所述多边形为正六边形。
进一步的，所述激光扫描的扫描间距大于0.5D且小于0.75D，其中，D为熔道宽度。
进一步的，所述激光扫描的扫描间距大于0.6D且小于0.7D，其中，D为熔道宽度。
采用上述技术方案，控制扫描间距在0.6D到0.7D之间，可将搭接率控制在30~40%的最佳数值范围内，从而提高同一层面激光扫描的平整度。
进一步的，所述激光扫描的扫描间距为3~9mm。
采用上述技术方案，3~9mm为扫描间距的最佳数值范围，该范围内熔道宽度、扫描速率更便于控制。
进一步的，所述边框扫描采用轮廓等距线的扫描方式。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、用多边形均匀排列进行分区 ，将热量分散于各个分区，避免了热量和应力集中，减缓了冷却时的温度梯度并降低了残余应力导致构件变形和开裂的几率。
2、负搭接的搭接方式和正向扫描回填扫描的方式，使激光在扫描过程中熔道与熔道间存在较大间隙，可以防止热量和应力集中，从而降低构件变形和开裂的几率。
3、螺旋式扫描使应力呈环状分布，各方向应力均匀，避免了成型零件因应力不均匀导致的翘曲变形。另一方面，螺旋式扫描，还避免了现有技术中同层面往复回填扫描时，短边相互重叠、平整度较差的问题，减少了后期机加工余量。
附图说明
图1是本发明采用的负搭接方式的示意图，其中，D-熔道宽度，2S-步长，S-扫描间距；
图2是本发明的分区示意图；
图3是本发明各分区的扫描路径示意图；
图4是删除分区线后各分区的扫描路径示意图；
图5是分区内扫描路径示意图，其中，A为第一多边形上的端点，B为第二多边形上的一点，S为扫描间距；
图6是本发明的激光扫描方法的流程图；
图2-图5中，1是用于分区的多边形，2是扫描路径。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图6所示，提供本发明涉及的一种用于同轴送粉的激光扫描方法，包括以下步骤：
S1.逐层获取待加工工件截面的轮廓文件并识别，在每一层所述轮廓文件的区域内，以同一种多边形均匀排列的方式进行分区；
需要进一步说明的是，首先用计算机专业数据处理软件对待加工工件进行三维建模并切成若干层截面轮廓文件，对每一层的轮廓文件进行识别和分区。
待加工工件可以是TC21钛合金构件，或者TC18钛合金构件，或者其他任意一种可通过激光沉积制造的构件。
作为本步骤的一个优选实施例，多边形为正多边形，所述正多边形的内切圆直径为（4n+2）S，其中，n为自然数，S为扫描间距。所述激光扫描的扫描间距为3~9mm。
示例地，扫描间距可以设定为3mm，正多边形的内切圆直径为18mm或30mm等；扫描间距可以设定为9mm，正多边形的内切圆直径为54mm或90mm等；扫描间距可以设定为6mm，正多边形的内切圆直径为36mm或60mm等。
作为本步骤的另一个优选实施例，所述多边形为正六边形，如图2所示。
作为本步骤的另一个优选实施例，所述激光扫描的扫描间距大于0.5D、小于0.75D，其中，D为熔道宽度。
限定扫描间距和熔道宽度的倍数关系，从而可以确定激光扫描的搭接率，扫描间距大于0.5D，小于0.75D，则搭接率大于25%、小于50%。
作为本步骤的另一个优选实施例，所述激光扫描的扫描间距大于0.6D且小于0.7D，其中，D为熔道宽度。
扫描间距与熔道宽度的倍数关系在上述范围内，则激光扫描的搭接率大于30%、小于40%。
示例地，扫描间距是熔道宽度的0.65倍，则搭接率为35%，此时，激光扫描后工件表面平整。
S2. 在每个所述分区内规划扫描路径2，然后删除所述分区的分区线；分区的扫描路径2如图3所示，删除分区线后如图4所示。
需要进一步说明的是，分区线并不是扫描路径，无需对分区线进行扫描，因此，形成扫描路径后，需要删除起辅助作用的分区线。
作为本步骤的一个优选实施例，所述扫描路径2由正向扫描路径和回填扫描路径组成。
示例地，在多边形的分区内，采用先蛇型正向扫描，然后反向回填扫描的方式扫描填充整个分区。
作为本步骤的进一步的优选实施例，在用于分区的所述多边形1内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形1内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第一多边形上一端点为起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，以所述第二多边形上的一点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
示例地，多边形为正六边形，扫描间距为6mm，扫描步长为12mm，熔道宽度为9.3mm，搭接率为35%；用于分区的正六边形的内切圆直径为36mm，第一多边形的内切圆直径为30mm，第二多边形的内切圆直径为6mm。如图5所示，先正向扫描，从第一多边形上的端点A开始，顺时针地以正六边形形状向心等距螺旋扫描，扫描至第二多边形上，然后开始回填扫描，以正向扫描的终点为起点开始，逆时针地以正六边形形状向外等距螺旋扫描，扫描至B点，B点与A点相接，如图5所示。
需要说明的是，也可以正向扫描逆时针螺旋扫描，回填扫描时顺时针螺旋扫描。
作为本步骤的另一个优选实施例，在用于分区的所述多边形1内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形1内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第二多边形上的一点为起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，以所述第一多边形上一端点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
本实施例中，正向扫描路径的起点和终点与上一实施例中的正向扫描路径的起点和终点互换，回填扫描路径的起点和终点与上一实施例中回填扫描路径的起点和终点互换，同样能够完成分区内的激光扫描。
S3. 对每个所述分区按所述扫描路径2进行激光扫描；对每一层所述轮廓文件进行边框扫描。
需要说明的是，所述边框扫描采用轮廓等距线的扫描方式，轮廓等距线的扫描方式为扫描路径偏离轮廓线一定距离进行扫描，可以减少后期加工余量。
作为本步骤的另一个优选实施例，所述激光扫描的搭接方式为负搭接。负搭接的方式，能最大程度的分散激光扫描热量，相邻的激光熔道之间存在间隙，利于散热，可防止热量集中。如图1所示。
步骤S3中分区内的激光扫描和边框扫描的操作顺序可以颠倒，不会影响产品的成型。
以下为具体实施例
实施例1
一种用于同轴送粉的激光扫描方法，包括以下步骤：
S1、逐层获取待加工工件截面的轮廓文件并识别，在每一层所述轮廓文件的区域内，以同一正六边形均匀排列的方式进行分区；正六边形的内切圆直径为36mm。
S2、在每个所述分区内规划扫描路径2，然后删除所述分区的分区线；所述扫描路径2由正向扫描路径和回填扫描路径组成。如图5所示。
在用于分区的所述多边形1内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同；在用于分区的所述多边形1内规划第二多边形；
所述正向扫描路径为：以所述第一多边形端点A为起点，顺时针的以正六边形形状向心等距螺旋扫描，以所述第二多边形上的一点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，逆时针的以所述正六边形形状向外等距螺旋扫描，回填至B点与所述正向扫描路径的起点相接。
用于分区的正六边形的内切圆直径为36mm，第一多边形的内切圆直径为30mm，第二多边形的内切圆直径为6mm。
S3、对每个所述分区按所述扫描路径2进行激光扫描；所述激光扫描的搭接方式为负搭接。对每一层所述轮廓文件进行边框扫描。
在本实施例中，采用上述激光扫描方法进行同轴送粉激光沉积增材制造，制备TC21金属构件，原料粉末为TC21金属粉末，激光扫描设备选择TSC-S4510设备，基板选择纯钛基板，激光扫描过程中全程氩气保护进行操作。
激光扫描的具体工艺参数如下：扫描间距为6mm，扫描步长为12mm，熔道宽度为9.3mm，搭接率为35%；激光功率为7800 W~8000W，扫描速度0.8m/min~1.2 m/min，层提升0.4mm~1.0 mm，能量密度120 J/ mm3，送粉率1.4 kg/h~2.2 kg/h。
需要说明的是，采用本实施例的激光扫描方法也可以制备其他的构件，进行增材制造的设备、原料、基板、工艺参数等可根据具体的待加工工件进行设置。
对本实施例的金属构件进行观察，表面平整，变形小无开裂。
实施例2
本实施例的一种用于同轴送粉发激光扫描方法，与实施例1基本相同，不同点仅在于，扫描间距为3mm，扫描步长为6mm，熔道宽度为4.3mm，搭接率为30%；用于分区的正六边形的内切圆直径为30mm，第一多边形的内切圆直径为24mm，第二多边形的内切圆直径为3mm；激光扫描时先执行边框扫描后执行分区内的激光扫描。
对本实施例的金属构件进行观察，表面平整，变形小无开裂。
实施例3
本实施例的一种用于同轴送粉发激光扫描方法，与实施例1基本相同，不同点仅在于：扫描间距为9mm，扫描步长为18mm，熔道宽度为15mm，搭接率为40%；用于分区的正六边形的内切圆直径为90mm，第一多边形的内切圆直径为72mm，第二多边形的内切圆直径为9mm；
正向扫描路径为：以第二多边形上一点为起点，逆时针的以正六边形形状向外等距螺旋扫描，以第一多边形上的端点A为终点。
所述回填扫描路径为：以与端点A相平齐的B点为起点，顺时针的以所述正六边形形状向心等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
对本实施例的金属构件进行观察，表面平整，变形小无开裂。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，包括：
逐层获取待加工工件截面的轮廓文件并识别，在每一层所述轮廓文件的区域内，以同一种多边形均匀排列的方式进行分区；
在每个所述分区内规划扫描路径，然后删除所述分区的分区线；
对每个所述分区按所述扫描路径进行激光扫描；对每一层所述轮廓文件进行边框扫描。
2.根据权利要求1所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述激光扫描的搭接方式为负搭接，所述扫描路径由正向扫描路径和回填扫描路径组成。
3.根据权利要求2所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，
在用于分区的所述多边形内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第一多边形上一端点为起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，以所述第二多边形上的一点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
4.根据权利要求2所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，
在用于分区的所述多边形内规划第一多边形，所述第一多边形与用于分区的所述多边形同心，且相距用于分区的所述多边形0.5S，其中，S为扫描间距；在用于分区的所述多边形内规划第二多边形，所述第二多边形与用于分区的所述多边形同心，且所述第二多边形的内切圆直径为S，其中，S为扫描间距；
所述正向扫描路径为：以所述第二多边形上的一点为起点，以所述多边形形状向外等距螺旋扫描，以所述第一多边形上一端点为终点；
所述回填扫描路径为：以所述正向扫描路径的终点为所述回填扫描路径的起点，以所述多边形形状向心等距螺旋扫描，回填至与所述正向扫描路径的起点相接。
5.根据权利要求1所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述多边形为正多边形，所述正多边形的内切圆直径为（4n+2）S，其中，n为自然数，S为扫描间距。
6.根据权利要求5所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述多边形为正六边形。
7.根据权利要求1所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描间距大于0.5D且小于0.75D，其中，D为熔道宽度。
8.根据权利要求7所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描间距大于0.6D且小于0.7D，其中，D为熔道宽度。
9.根据权利要求1所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描间距为3~9mm。
10.根据权利要求1所述的用于同轴送粉的激光扫描方法，其特征在于，所述边框扫描采用轮廓等距线的扫描方式。
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