CN111046509A - 单道激光熔覆层形貌预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单道激光熔覆层形貌预测方法，在多次单道激光熔覆实验的基础上，利用SPSS统计分析软件，建立单道熔覆层宏观形貌与激光熔覆主要工艺参数之间的函数模型，然后通过函数模型可以快速准确地对单道激光熔覆层进行形貌预测，从而达到对熔覆层宏观形貌的精确预测目的，整个预测步骤操作方便快捷，易于实现，避免了以往靠经验判断造成的时间成本和经济成本，且该方法预测准确，误差较小,对于激光熔覆工艺具有重要的指导意义，同时也节省了企业成本，提高了加工效率，利于广泛推广。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆再制造技术领域，具体涉及一种单道激光熔覆层形貌预测方法。
背景技术
在再制造行业中，由于激光熔覆技术具有稀释率低、晶粒细小、节能高效等优点，因此被广泛应用于石化、汽车、航空航天等工业领域。在传统激光熔覆过程中，往往需要根据操作人员的实际经验，通过多次尝试来确定单道熔覆层的宏观形貌，进而确定熔覆道数、搭接率等参数，且难以确定熔池深度。因为在激光熔覆过程会受到众多因素的影响，不同的工艺参数往往会形成不同形貌的熔覆层，单靠经验判断，不仅误差较大，同时也会造成经济成本和时间成本的浪费。
发明内容
针对上述的不足，本发明目的在于，提供一种可以快速准确地对单道激光熔覆层进行形貌预测的单道激光熔覆层形貌预测方法。该单道激光熔覆层形貌预测方法能避免了以往靠经验判断造成的时间成本和经济成本，且该方法预测准确，误差较小。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)设计多组不同工艺参数的单道激光熔覆实验，工艺参数包括激光功率、扫描速度和送粉速率，每一组单道激光熔覆实验均获得一道熔覆层；
(2)在每道熔覆层中部沿垂直于激光扫描方向线切割所需尺寸大小的试样，对试样进行研磨抛光获得熔覆层横截面的金相样品；
(3)用王水对各个金相样品进行腐蚀10～15s，然后利用工业显微镜测量每个金相样品的三维形貌并记录三维形貌数据；
(4)将三维形貌数据和对应的工艺参数输入SPSS统计分析软件，分别建立熔覆层高度、熔覆层宽度、熔池深度与工艺参数之间的函数模型，实现对熔覆层形貌的预测。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(1)中通过单道激光熔覆实验获得的熔覆层的长度为30～50mm，优选为40mm。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)中的试样的长宽尺寸为8～12mm×8～12mm,优选为10mm×10mm。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)中用金相砂纸对所述试样进行研磨，通过机械抛光对试样进行抛光。机械抛光是依靠非常细小的抛光粉的磨削、滚压作用，除去试样磨面上的极薄一层金属。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)中金相样品的三维形貌数据包括熔覆层高度、熔覆层宽度和熔池深度。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)中的工业显微镜的型号为XJ-3DHD16。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(5)中的函数模型如下式(ⅰ)-(ⅲ)所示：
H＝0.1069P-0.1053Vs+1.0351Vf+0.6575 (ⅰ)
W＝0.5P-0.061Vs-0.7332Vf+2.831 (ⅱ)
D＝0.4493P-0.0438Vs-0.5691Vf-0.046 (ⅲ)
式中，H为熔覆层高度，W为熔覆层宽度，D为熔池深度，P为激光功率，Vs为扫描速度，Vf为送粉速率。
本发明的有益效果为：本发明提供的方法科学合理，在多次实验的基础上，利用SPSS统计分析软件，建立单道熔覆层宏观形貌与激光熔覆主要工艺参数之间的函数模型，然后通过函数模型可以快速准确地对单道激光熔覆层进行形貌预测，从而达到对熔覆层宏观形貌的精确预测目的，整个预测步骤操作方便快捷，易于实现，避免了以往靠经验判断造成的时间成本和经济成本，且该方法预测准确，误差较小,对于激光熔覆工艺具有重要的指导意义，同时也节省了企业成本，提高了加工效率，利于广泛推广。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为单道激光熔覆示意图。
图2为单道熔覆层宏观形貌示意图。
图3为实际单道熔覆层宏观形貌。
图4为熔覆层高度实验值与预测值对比示意图。
图5为熔覆层宽度实验值与预测值对比示意图。
图6为熔池深度实验值与预测值对比示意图。
具体实施方式
实施例：本实施例提供的一种单道激光熔覆层形貌预测方法，其包括以下步骤：
(1)本实施例中，以设计19组不同工艺参数的单道激光熔覆实验为例。其它实施例中，也可以采用其它组数,如17组、18组等。
工艺参数包括激光功率P、扫描速度Vs、送粉速率Vf。每道熔覆层的长度均优选为40mm，其它实施例中，该每道熔覆层的长度也可以为30～50mm，熔覆示意图如图1所示，每组实验工艺参数如表1所示；
表1激光熔覆工艺参数表
| 实验序号 | 激光功率P(kW) | 扫描速度V<sub>s</sub>(mm/s) | 送粉速率V<sub>f</sub>(g/s) |
| 1 | 2.2 | 6 | 0.375 |
| 2 | 2.2 | 7 | 0.5 |
| 3 | 2.2 | 8 | 0.625 |
| 4 | 2.4 | 7 | 0.625 |
| 5 | 2.4 | 8 | 0.375 |
| 6 | 2.4 | 6 | 0.5 |
| 7 | 2.6 | 8 | 0.5 |
| 8 | 2.6 | 6 | 0.625 |
| 9 | 2.6 | 7 | 0.375 |
| 10 | 2 | 7 | 0.5 |
| 11 | 2.4 | 7 | 0.5 |
| 12 | 2.8 | 7 | 0.5 |
| 13 | 3.2 | 7 | 0.5 |
| 14 | 2.4 | 5 | 0.5 |
| 15 | 2.4 | 9 | 0.5 |
| 16 | 2.4 | 11 | 0.5 |
| 17 | 2.4 | 7 | 0.25 |
| 18 | 2.4 | 7 | 0.75 |
| 19 | 2.4 | 7 | 1 |
(2)分别进行实验，然后在每道熔覆层中部沿垂直于激光扫描方向线切割10mm×10mm大小的试样,其它实施例中，试样的长宽尺寸可以为8～12mm×8～12mm；用金相砂纸研磨并通过机械抛光进行抛光后获得熔覆层横截面的金相样品；
(3)用王水对上述获得的金相样品进行腐蚀10～15s，然后利用型号为XJ-3DHD16的工业显微镜测量每个金相样品的三维形貌(熔覆层高度、熔覆层宽度、熔池深度)并记录数据。图2为单道熔覆层宏观形貌示意图(熔覆层高度为H，熔覆层宽度为W，熔池深度为D)，图3为显微镜观察到的熔覆层宏观形貌，测得每组单道熔覆层形貌数据如表2所示；
表2单道熔覆层形貌数据
| 实验序号 | 高度H(mm) | 宽度W(mm) | 熔池深度D(mm) |
| 1 | 0.55 | 3.29 | 0.51 |
| 2 | 0.65 | 3.11 | 0.32 |
| 3 | 0.52 | 3.05 | 0.36 |
| 4 | 0.89 | 3.11 | 0.3 |
| 5 | 0.51 | 3.25 | 0.41 |
| 6 | 0.86 | 3.36 | 0.5 |
| 7 | 0.67 | 3.4 | 0.52 |
| 8 | 0.85 | 3.51 | 0.57 |
| 9 | 0.7 | 3.45 | 0.64 |
| 10 | 0.65 | 3.02 | 0.14 |
| 11 | 0.7 | 3.25 | 0.47 |
| 12 | 0.67 | 3.4 | 0.6 |
| 13 | 0.72 | 3.57 | 0.75 |
| 14 | 0.96 | 3.32 | 0.59 |
| 15 | 0.29 | 3.15 | 0.5 |
| 16 | 0.38 | 2.98 | 0.23 |
| 17 | 0.51 | 3.33 | 0.5 |
| 18 | 1.01 | 2.91 | 0.26 |
| 19 | 1.29 | 2.84 | 0.11 |
(4)将上述测得的三维形貌数据和对应的工艺参数输入SPSS统计分析软件，分别建立熔覆层高度、熔覆层宽度、熔池深度与工艺参数之间的函数模型。利用本发明方法得到的函数模型如下式(1)-(3)所示：
H＝0.1069P-0.1053Vs+1.0351Vf+0.6575 (1)
W＝0.5P-0.061Vs-0.7332Vf+2.831 (2)
D＝0.4493P-0.0438Vs-0.5691Vf-0.046 (3)
式中，H为熔覆层高度，W为熔覆层宽度，D为熔池深度，P为激光功率，Vs为扫描速度，Vf为送粉速率。
为了检验该模型的预测准确性，分别对熔覆层高度、宽度和熔池深度进行了预测对比，具体结果如表3所示，其中H为高度实验值，H′为高度预测值；W为宽度实验值，W′为宽度预测值；D为熔池深度实验值，D′为熔池深度预测值。将上述结果用折线图表示，其中图4为熔覆层高度对比结果，图5为熔覆层宽度对比结果，图6为熔池深度对比结果。三种预测结果误差均在可接受范围内，表明本发明方法可以快速准确地对单道熔覆层进行形貌预测。
表3实验值与预测值对比结果
本发明单道激光熔覆层形貌预测方法在多次实验的基础上，利用SPSS统计分析软件建立单道熔覆层宏观形貌与激光熔覆主要工艺参数之间的函数模型，SPSS是世界上最早采用图形菜单驱动界面的统计软件。SPSS采用类似EXCEL表格的方式输入与管理数据，数据接口较为通用，能方便的从其他数据库中读入数据。其统计过程包括了常用的、较为成熟的统计过程，完全可以满足非统计专业人士的工作需要。SPSS的基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等等。SPSS统计分析过程包括描述性统计、均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析、对数线性模型、聚类分析、数据简化、生存分析、时间序列分析、多重响应等几大类，每类中又分好几个统计过程，比如回归分析中又分线性回归分析、曲线估计、Logistic回归、Probit回归、加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中又允许用户选择不同的方法及参数。通过SPSS统计分析软件所建立的函数模型可以快速准确地对单道激光熔覆层进行形貌预测，从而达到对熔覆层宏观形貌的精确预测目的。本发明单道激光熔覆层形貌预测方法具体具有以下优点：
1、利用本发明单道激光熔覆层形貌预测方法建立函数模型可以快速准确地对单道激光熔覆层进行形貌预测，操作方便快捷。
2、本发明单道激光熔覆层形貌预测方法能避免了以往靠经验判断造成的时间成本和经济成本，且该方法预测准确，误差较小。
3、利用本发明单道激光熔覆层形貌预测方法进行形貌预测，可以大幅提高企业效率，对于激光熔覆的工艺指导具有重要意义。
4、本发明单道激光熔覆层形貌预测方法从理论层面揭示了工艺参数与熔覆层宏观形貌之间的量化关系，为单道熔覆层的形貌预测提供了新的思路。
5、在实际应用中，利用发明单道激光熔覆层形貌预测方法对熔池深度进行了预测，能克服了经验判断只能得到熔覆层高度和宽度的缺点，对确保熔覆层稀释率，提高熔覆质量具有重要意义。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似方法而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)设计多组不同工艺参数的单道激光熔覆实验，工艺参数包括激光功率、扫描速度和送粉速率，每一组单道激光熔覆实验均获得一道熔覆层；
(2)在每道熔覆层中部沿垂直于激光扫描方向线切割所需尺寸大小的试样，对试样进行研磨抛光获得熔覆层横截面的金相样品；
(3)用王水对各个金相样品进行腐蚀10～15s，然后利用工业显微镜测量每个金相样品的三维形貌并记录三维形貌数据；
(4)将三维形貌数据和对应的工艺参数输入SPSS统计分析软件，分别建立熔覆层高度、熔覆层宽度、熔池深度与工艺参数之间的函数模型，实现对熔覆层形貌的预测。
2.根据权利要求1所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中通过单道激光熔覆实验获得的熔覆层的长度为30～50mm。
3.根据权利要求1所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的试样的长宽尺寸为8～12mm×8～12mm。
4.根据权利要求1所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中用金相砂纸对所述试样进行研磨，通过机械抛光对试样进行抛光。
5.根据权利要求3所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中金相样品的三维形貌数据包括熔覆层高度、熔覆层宽度和熔池深度。
6.根据权利要求3所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中的工业显微镜的型号为XJ-3DHD16。
7.根据权利要求5所述的单道激光熔覆层形貌预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中的函数模型如下式(ⅰ)-(ⅲ)所示：
H＝0.1069P-0.1053Vs+1.0351Vf+0.6575 (ⅰ)
W＝0.5P-0.061Vs-0.7332Vf+2.831 (ⅱ)
D＝0.4493P-0.0438Vs-0.5691Vf-0.046 (ⅲ)
式中，H为熔覆层高度，W为熔覆层宽度，D为熔池深度，P为激光功率，Vs为扫描速度，Vf为送粉速率。
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