CN110834094B - 一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法 - Google Patents

一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆成形技术领域，提供一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法。步骤1：建立待成形变宽度薄壁件的三维模型，对模型进行分层，获取轮廓层面信息；步骤2：计算当前层搭接的熔道数及不同宽度处的搭接率；步骤3：计算当前层不同宽度处的扫描速度；步骤4：根据当前层计算的熔道数、不同宽度处的搭接率及扫描速度，利用光外同轴送粉熔覆头进行当前层的激光熔覆；步骤5：提升熔覆头单层的高度，进入下一层，重复步骤2至步骤4，进行下一层的熔覆；步骤6：重复步骤5，直至待成形变宽度薄壁件制造完成。本发明能够实现薄壁件宽度的变化及顶部的平整，提高变宽度薄壁件成形的效率和质量。

Description

一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆成形技术领域，特别是涉及一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法。
背景技术
激光熔覆成形技术，是由激光熔覆与快速成形相结合而形成的技术，其通过使用激光将预置或同步供给的金属粉末熔化，实现材料的添加，最终实现三维实体零件的成形。激光熔覆成形过程受多个参数综合影响，主要工艺参数有激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑直径、保护气流量等。这些参数的不同组合可能会对熔覆层几何形状和机械性能产生不同的影响。
变宽度薄壁大型零件已广泛应用于航空航天等高技术领域。这种零件具有工艺复杂、宽度小、结构复杂等特点。这些特点使传统的制造技术面临巨大挑战。激光熔覆成形技术作为一种最有前途的增材制造技术，可以直接制造出具有优良力学性能的三维金属构件，在航空航天、汽车、船舶和武器装备等领域有着广阔的应用前景。
目前，变宽度薄壁零件在工艺上主要采用两种方法制造。一种是基于光外同轴送粉采用多道搭接的方法制造，此方法只通过改变搭接率实现变宽度，非常容易导致熔覆层高度不均匀，并且由于累加效应，各处高度差越来越大，最终导致成形失败。另一种是苏州大学提出的基于光内送粉的通过改变激光光斑直径进行一次扫描完成成形的方法，此方法虽然提高了现有工艺的成形效率和质量，但仅适用于可改变激光光斑直径的光内送粉，而对于目前使用较广的光外送粉还没有一种较好的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，能够实现薄壁件宽度的变化及顶部的平整，提高变宽度薄壁件成形的效率和质量。
本发明的技术方案为：
一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：用计算机建立待成形变宽度薄壁件的三维模型，利用分层软件对三维模型进行分层处理，获取待成形变宽度薄壁件的轮廓层面信息；
步骤2：根据待成形变宽度薄壁件当前层的最大宽度wmax和激光光斑直径d，计算当前层搭接的熔道数n为
Figure BDA0002243635750000021
其中，
Figure BDA0002243635750000022
为向上取整运算符，0＜n≤6；
计算当前层不同宽度w处的搭接率η(w)为
Figure BDA0002243635750000023
步骤3：设定搭接率为0处的扫描速度为vmin，并计算不同宽度w处的扫描速度v(w)：
计算宽端即搭接率为0处熔覆层的高度为Hw＝VZmaxtwin
其中，VZmax为第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，twin为搭接率为0处熔道粉末与激光束的相互作用时间，twin＝2r/vmin，r为激光光斑半径；
计算窄端即搭接率为1处熔覆层的高度为
Figure BDA0002243635750000024
其中，Vi为第i道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，Vi＝(ηi/η1)VZmax，ηi为第i道熔道的粉末利用率，ηi＝(7-i)η1/6；tnin为搭接率为1处熔道粉末与激光束的相互作用时间，tnin＝2r/vmax，vmax为搭接率为1处的扫描速度；
得到
Figure BDA0002243635750000025
保证搭接率为0处和搭接率为1处熔覆层的高度一致，从而保证整个熔覆层高度一致，即
Hw＝Hn
得到
Figure BDA0002243635750000026
设定扫描速度随搭接率的变化线性变化，得到不同宽度w处的扫描速度为
Figure BDA0002243635750000027
步骤4：根据当前层计算的熔道数n、不同宽度w处的搭接率η(w)及扫描速度v(w)，利用光外同轴送粉熔覆头进行当前层的激光熔覆；
步骤5：提升熔覆头单层的高度，进入下一层，重复步骤2至步骤4，进行下一层的熔覆；
步骤6：重复步骤5，直至待成形变宽度薄壁件制造完成。
进一步地，所述步骤4中，相邻两层进行反向扫描。
进一步地，第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度VZmax为
Figure BDA0002243635750000031
其中，η1为第1道熔道的粉末利用率，
Figure BDA0002243635750000032
送粉速率，ρ为粉末的密度。
本发明的有益效果为：
本发明基于光外同轴送粉，采用多道搭接并根据加工部位的宽度实时改变搭接率和扫描速度，实现了薄壁件宽度的变化及顶部的平整，避免了传统只改变搭接率的成形方法导致的熔覆层高度不均匀甚至坍塌的问题，提高了变宽度薄壁件成形的效率和质量。
附图说明
图1为本发明的基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法的流程图；
图2为具体实施方式中待成形变宽度薄壁件的结构示意图；
图3为具体实施方式中变宽度单层激光熔覆成形的原理示意图；
图4为具体实施方式中变宽度单层激光熔覆成形的纵截面示意图；
图5为具体实施方式中本发明实时改变搭接率和扫描速度的成形示意图；
图6为具体实施方式中搭接率为1处多道搭接和搭接率为0处单道的示意图。
图中，1－基底，2—待成形变宽度薄壁件，3—熔道，4—粉末，5—激光束，6—宽端，7—窄端。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明的基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，针对光外同轴送粉方式的激光熔覆成形，首先建立待成形变宽度薄壁件的三维模型并对其三维模型进行分层，提取轮廓层面信息；然后根据待成形变宽度薄壁件的最大宽度计算搭接的熔道数，并计算不同宽度处的搭接率和扫描速度。保持其它工艺参数不变，通过改变搭接率和扫描速度，实现薄壁件宽度变化和当前层高度一致，逐层熔覆，来完成变宽度薄壁件的成形。具体包括下述步骤：
步骤1：如图2所示，用计算机建立待成形变宽度薄壁件的三维模型；利用分层软件对三维模型进行分层处理，获取待成形变宽度薄壁件的轮廓层面信息。
本实施例中，待成形变宽度薄壁件2的长度L＝60mm、高度H＝18mm、宽度由2.4mm到7.2mm变化。
步骤2：根据待成形变宽度薄壁件当前层的最大宽度wmax和激光光斑直径d，计算当前层搭接的熔道数n为
Figure BDA0002243635750000041
其中，
Figure BDA0002243635750000048
为向上取整运算符，0＜n≤6；
计算当前层不同宽度w处的搭接率η(w)为
Figure BDA0002243635750000042
第一层的最大宽度wmax＝7.2mm，激光光斑直径d＝2.4mm，从而第一层的熔道3的总数n为
Figure BDA0002243635750000043
第一层不同宽度w处的搭接率η(w)为
Figure BDA0002243635750000044
步骤3：根据经验值设定搭接率为0处的扫描速度为vmin＝4mm/s，并计算不同宽度w处的扫描速度v(w)：
为保证整个熔覆层不同搭接率处，熔覆层高度一致，需在高搭接率处使用高扫描速度，在低搭接率处使用低扫描速度，如图3、图4、图5所示。本实施例中，基底1的材料为45号钢、几何尺寸为150mm×100mm×10mm，激光熔覆采用的粉末4为Inconel718合金粉末，激光束5的激光功率为1000W，保护气Ar的流量为5L/min，送粉速率
Figure BDA0002243635750000049
其中，为计算熔道高度，设定某一熔道中不同位置(x，y，t)处熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向速度为
Figure BDA0002243635750000045
其中，η为熔道的粉末利用率，
Figure BDA0002243635750000046
为送粉速率，ρ为粉末的密度，r为激光光斑半径，(x，y)为坐标，t为时间，vx、vy分别为x、y轴方向的扫描速度；
熔道粉末与激光束的相互作用时间为
Figure BDA0002243635750000047
其中，v为扫描速度；
熔道在不同位置的高度为H(x，y，t)＝VZ(x，y，t)t
进行激光熔覆成形时，所用的单熔道高度值Hd(即熔道高度的最大值)为Hd＝VZmaxtin
搭接率为0处熔覆层的高度为单道高度，从而计算宽端6即搭接率为0处熔覆层的高度为Hw＝VZmaxtwin
其中，VZmax为第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，twin为搭接率为0处熔道粉末与激光束的相互作用时间，twin＝2r/vmin，r为激光光斑半径。
本实施例中，第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度VZmax为
Figure BDA0002243635750000051
其中，η1为第1道熔道的粉末利用率，
Figure BDA0002243635750000052
为送粉速率，ρ为粉末的密度。
计算窄端7即搭接率为1处熔覆层的高度为
Figure BDA0002243635750000053
其中，Vi为第i道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，Vi＝(ηi/η1)VZmax，ηi为第i道熔道的粉末利用率，ηi＝(7-i)η1/6；tnin为搭接率为1处熔道粉末与激光束的相互作用时间，tnin＝2r/vmax，vmax为搭接率为1处的扫描速度。进行变宽度熔覆成形时，在搭接率为1的位置处，各道在同一位置处熔覆，且熔覆头高度不变化，由相关研究可知同轴送粉的粉末浓度呈如图6所示的高斯分布，受粉末分布的限制，由下而上各熔道粉末利用率逐渐减低，各道的高度也逐渐降低。
计算得到
Figure BDA0002243635750000054
因受粉末分布限制，搭接率为1处总高度也会受到限制，另外本发明研究薄壁成形，因此限制熔道数量n不大于6。
保证搭接率为0处和搭接率为1处熔覆层的高度一致，从而保证整个熔覆层高度一致，即
Hw＝Hn
得到
Figure BDA0002243635750000055
设定扫描速度随搭接率的变化线性变化，得到不同宽度w处的扫描速度为
Figure BDA0002243635750000056
计算得到
v(w)＝4+6η(w)＝13-5w/4
步骤4：根据当前层计算的熔道数n、不同宽度w处的搭接率η(w)及扫描速度v(w)，利用光外同轴送粉熔覆头进行当前层的激光熔覆。
本实施例中，为避免因单向扫描引起的端部倾斜，相邻两层进行反向扫描。
步骤5：提升熔覆头单层的高度，进入下一层，重复步骤2至步骤4，进行下一层的熔覆。
步骤6：重复步骤5，直至待成形变宽度薄壁件制造完成。
本实施例中，最终成形的变宽度薄壁件的高度与设计高度基本一致，没有出现倾斜或坍塌现象，而且薄壁宽度范围由2.4mm到7.2mm变化，误差不超过0.2mm。可见，本发明基于光外同轴送粉，采用多道搭接并根据加工部位的宽度实时改变搭接率和扫描速度，实现了薄壁件宽度的变化及顶部的平整，避免了传统只改变搭接率的成形方法导致的熔覆层高度不均匀甚至坍塌的问题，提高了变宽度薄壁件成形的效率和质量。
显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：用计算机建立待成形变宽度薄壁件的三维模型，利用分层软件对三维模型进行分层处理，获取待成形变宽度薄壁件的轮廓层面信息；
步骤2：根据待成形变宽度薄壁件当前层的最大宽度wmax和激光光斑直径d，计算当前层搭接的熔道数n为
Figure FDA0002243635740000011
其中，
Figure FDA0002243635740000016
为向上取整运算符，0＜n≤6；
计算当前层不同宽度w处的搭接率η(w)为
Figure FDA0002243635740000012
步骤3：设定搭接率为0处的扫描速度为vmin，并计算不同宽度w处的扫描速度v(w)：
计算宽端即搭接率为0处熔覆层的高度为
Hw＝VZmaxtwin
其中，VZmax为第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，twin为搭接率为0处熔道粉末与激光束的相互作用时间，twin＝2r/vmin，r为激光光斑半径；
计算窄端即搭接率为1处熔覆层的高度为
Figure FDA0002243635740000013
其中，Vi为第i道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度，Vi＝(ηi/η1)VZmax，ηi为第i道熔道的粉末利用率，ηi＝(7-i)η1/6；tnin为搭接率为1处熔道粉末与激光束的相互作用时间，tnin＝2r/vmax，vmax为搭接率为1处的扫描速度；
得到
Figure FDA0002243635740000014
保证搭接率为0处和搭接率为1处熔覆层的高度一致，从而保证整个熔覆层高度一致，即
Hw＝Hn
得到
Figure FDA0002243635740000015
设定扫描速度随搭接率的变化线性变化，得到不同宽度w处的扫描速度为
Figure FDA0002243635740000021
步骤4：根据当前层计算的熔道数n、不同宽度w处的搭接率η(w)及扫描速度v(w)，利用光外同轴送粉熔覆头进行当前层的激光熔覆；
步骤5：提升熔覆头单层的高度，进入下一层，重复步骤2至步骤4，进行下一层的熔覆；
步骤6：重复步骤5，直至待成形变宽度薄壁件制造完成。
2.根据权利要求1所述的基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，其特征在于，所述步骤4中，相邻两层进行反向扫描。
3.根据权利要求1所述的基于光外同轴送粉的变宽度薄壁件激光熔覆成形方法，其特征在于，第1道熔道粉末与激光束相互作用区域材料上表面的Z向最大速度VZmax为
Figure FDA0002243635740000022
其中，η1为第1道熔道的粉末利用率，
Figure FDA0002243635740000023
为送粉速率，ρ为粉末的密度。
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