CN113059188B - 利用激光熔化成形装置加工零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法，包括以下步骤：建立单道高度与离焦量之间的函数关系；对得到的函数求导，将对一阶导数等于零进行求解得到的不同的根分别代入二阶导数中，得到的二阶导数值中小于零的数值所对应的一阶导数的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值；将对二阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入三阶导数中，得到的三阶导数值中小于零的数值所对应的二阶导数的根的数值记为第二数值；将第二数值减去第一数值，得到的结果中数值小于零且绝对值最小的数值所对应的第二数值，即为可实现最佳自愈合效果的离焦量的取值。本发明可以获得最佳的离焦量的参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法。
背景技术
激光熔化沉积技术作为典型金属增材制造技术之一，其基于“离散+堆积”原理，将零件的三维模型进行切片，离散成二维信息并进行运动路径规划，以激光为热源在基体上形成熔池，结合同步粉末输送，实现粉末在熔池内快速熔化并凝固，逐层沉积完成零件三维实体成形。该技术具有高柔性、短周期、高性能及无模具近净成形特点，在航空航天大尺寸金属构件成形及高价值零件修复方面应用广泛。
在零件激光熔化沉积成形/修复过程中，受加工工艺及零件结构影响，零件表面易出现凹凸不平缺陷，在严重情况下，零件成形/修复过程无法继续进行。现有技术中有文献提出在激光熔化沉积过程中存在“自愈合效应”，并解释了激光熔化沉积自愈合效应的原理，指出加工平面在负离焦条件下，表面起伏会随着沉积层数的增加而逐渐减小，最终得到平整表面，并且此过程无需人为干预，而是通过工艺自身调整从不稳定状态恢复到稳定状态。虽然现有技术中有文献推荐采用负离焦工艺进行零件加工，但对如何获得激光熔化沉积过程最佳自愈合的离焦量的参数未做进一步说明。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中通过激光熔化沉积技术生成零件过程中无法确定离焦量的参数，导致加工的零件无法实现最佳自愈合效果的缺陷，提供一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法，包括以下步骤：
S1、保证激光熔化成形装置的其他工艺参数相同的条件下，设定不同参数的离焦量进行单道实验，并测量在不同参数下的离焦量对应的单道的高度；
S2、以离焦量为自变量，单道的高度为因变量，建立单道的高度与离焦量之间的函数，其中，函数为至少四次函数；
S3、对得到的函数进行一阶求导和二阶求导得到一阶导数和二阶导数，将对一阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入二阶导数中，得到的二阶导数值中小于零的数值所对应的一阶导数的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值；
S4、对得到的函数进行三阶求导得到三阶导数，将对二阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入三阶导数中，得到的三阶导数值中小于零的数值所对应的二阶导数的根的数值记为第二数值；
S5、将第二数值减去第一数值，得到的结果中数值小于零且绝对值最小的数值所对应的第二数值，即为可实现最佳自愈合效果的离焦量的取值；
S6、获取所述激光熔化成形装置的汇聚焦点，所述汇聚焦点为所述激光熔化成形装置的激光熔覆头发射的激光和喷出的粉末的汇聚点，根据步骤S5得到的离焦量的数值调节所述汇聚焦点与零件成形的基板的初始距离；
S7、将步骤S5得到的离焦量的数值代入步骤S2的函数中得到对应的单道的高度数值，根据得到的单道的高度数值设置激光熔覆头与零件成形的基板的相对位移量，以使所述汇聚焦点与所述激光熔覆头喷出的粉末的附着面的距离保持不变。
在本方案中，通过限定其他工艺参数获得不同离焦量与单道高度之间的函数关系可以快速获得最佳的离焦量的参数，实现激光熔化沉积成形/修复过程零件表面局部起伏快速自愈合，促进了零件加工层厚的一致性，有助于获得均匀一致的组织及性能。
较佳地，在步骤S1中，离焦量的参数的数值选取需涵盖正离焦、零离焦及负离焦。
在本方案中，离焦量的参数的数值选取涵盖正离焦、零离焦及负离焦可以使数据具有多样性，从而可以使得到的函数具有较高的准确性，保证了得到的最佳的离焦量的参数的准确性。
较佳地，在步骤S1中，采用金相法测量不同离焦量条件下的单道高度。
在本方案中，通过金相法测量单道高度可以得到更加准确的单道高度，保证后续得到的最佳的离焦量的参数的准确性。
较佳地，在步骤S1中，每次单道实验时需要保证基板的温度与前一次单道实验中基板的温度相同。
在本方案中，避免前一次单道实验产生的温度对后一次的单道实验造成干扰，影响单道实验的准确性。
较佳地，在步骤S1中，离焦量的参数至少选取5组。
在本方案中，采用多组参数增加实验的可靠性。
较佳地，在步骤S1中，进行不同参数下的离焦量单道试验时，保证不同离焦量参数下的激光功率、激光扫描速度、光斑直径、送粉率、载粉气流量、镜头保护气流量的工艺参数不变。
较佳地，在步骤S1中，进行不同参数下的离焦量单道试验时，激光功率2800W、激光扫描速度1000mm/min、光斑直径5mm，送粉率28g/min、载粉气流量8L/min、镜头保护气流量20L/min。
较佳地，在步骤S2中，单道高度与离焦量之间函数关系为四次函数。
在本方案中，采用四次函数关系可以在得到较为准确的离焦量参数的前提下降低工作量，提高了工作效率。
较佳地，在步骤S2中，通过多项式拟合的方式建立单道的高度与离焦量之间的函数关系。
在本方案中，通过多项式拟合的方式建立函数关系，简单便捷，降低了实验人员的工作量。
较佳地，进行多项式拟合时，需保证相关系数不小于0.995。
在本方案中，进行多项式拟合时使相关系数不小于0.995，保证了得到的函数的准确性，从而可以得到更为准确的最佳的离焦量的参数。
名词解释：
离焦量：零件在激光熔化沉积成形/修复过程中，零件的加工平面相对于激光（或粉末）汇聚焦点的偏移量，其中：位于汇聚焦点的离焦为零离焦，自汇聚焦点远离激光熔覆头方向的离焦为正离焦，自汇聚焦点靠近激光熔覆头方向的离焦为负离焦。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过限定其他工艺参数获得不同离焦量与单道高度之间的函数关系可以快速获得最佳的离焦量的参数，实现激光熔化沉积成形/修复过程零件表面局部起伏快速自愈合，促进了零件加工层厚的一致性，有助于获得均匀一致的组织及性能。
附图说明
图1为本发明实施例中利用激光熔化成形装置加工零件的方法的流程示意图。
图2为本发明较佳实施例中进行激光熔化沉积单道实验时离焦量示意图。
图3为本发明较佳实施例中进行激光熔化沉积单道实验时单道的高度的测量示意图。
图4为本发明较佳实施例中离焦量与单道的高度之间的函数关系。
图5为采用离焦量x=-2mm对工字型TC4合金零件进行激光熔化沉积成形后零件表面示意图。
图6为采用本发明较佳实施例中计算得到的离焦量x=-5.2mm对工字型TC4合金零件进行激光熔化沉积成形后零件表面示意图。
附图标记说明：
基板1
激光熔覆头2
激光3
粉末4
汇聚焦点5
单道6。
具体实施方式
下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在该实施例范围之中。
如图1所示，为本实施例公开的一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法，包括以下步骤：
S1、保证激光熔化成形装置的其他工艺参数相同的条件下，设定不同参数的离焦量进行单道实验，并测量在不同参数的离焦量对应生成的单道的高度；
S2、以离焦量为自变量，单道的高度为因变量，建立单道的高度与离焦量之间的函数，其中，函数为至少四次函数；
S3、对得到的函数进行一阶求导和二阶求导得到一阶导数和二阶导数，将对一阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入二阶导数中，得到的二阶导数值中小于零的数值所对应的一阶导数的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值；
S4、对得到的函数进行三阶求导得到三阶导数，将对二阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入三阶导数中，得到的三阶导数值中小于零的数值所对应的二阶导数的根的数值记为第二数值；
S5、将第二数值减去第一数值，得到的结果中数值小于零且绝对值最小的数值所对应的第二数值，即为可实现最佳自愈合效果的离焦量的取值；
S6、获取激光熔化成形装置的汇聚焦点，汇聚焦点为激光熔化成形装置的激光熔覆头发射的激光和喷出的粉末的汇聚点，根据步骤S5得到的离焦量的数值调节汇聚焦点与零件成形的基板的初始距离；
S7、将步骤S5得到的离焦量的数值代入步骤S2的函数中得到对应的单道的高度数值，根据得到的单道的高度数值设置激光熔覆头与零件成形的基板的相对位移量，以使汇聚焦点与激光熔覆头喷出的粉末的附着面的距离保持不变。
本实施例中，采用上述利用激光熔化成形装置加工零件的方法，通过限定其他工艺参数获得不同离焦量与单道高度之间的函数关系可以快速获得最佳的离焦量的参数，实现激光熔化沉积成形/修复过程零件表面局部起伏快速自愈合，促进了零件加工层厚的一致性，有助于获得均匀一致的组织及性能。
离焦量的定义如图2所示，位于激光3和粉末4的汇聚焦点5的离焦为零离焦，自汇聚焦点5远离激光熔覆头2的方向的离焦为正离焦，自汇聚焦点5靠近激光熔覆头2的方向的离焦为负离焦。离焦量的参数的数值选取涵盖正离焦、零离焦及负离焦可以使数据具有多样性，从而可以使得到的函数具有较高的准确性，保证了得到的最佳的离焦量的参数的准确性。
在本实施例中，在步骤S1中，离焦量的参数的数值选取需涵盖正离焦、零离焦及负离焦。开展不同离焦量条件下单道实验时，采用单一变量法实验，在保证不同离焦量参数下的激光功率、激光扫描速度、光斑直径、送粉率、载粉气流量、镜头保护气流量的工艺参数不变等其他工艺参数恒定的条件下，进行不同离焦量条件下的单道实验。
在本实施例中，进行不同参数下的离焦量单道试验时，设定激光功率2800W、激光扫描速度1000mm/min、光斑直径5mm，送粉率28g/min、载粉气流量8L/min、镜头保护气流量20L/min。将离焦量x由-9mm增大到9mm，增量为3mm，合计开展7组激光熔化沉积单道实验。当然，为了使单道实验更加可靠、准确，可以增加实验的组数以及减小离焦量的增量。
每次单道实验时需要保证基板的温度与前一次单道实验中基板的温度相同。避免前一次单道实验产生的温度对后一次的单道实验造成干扰，降低基板热积累对单道几何形貌的影响。因此，每次完成单道扫描需保持氩气冲击基板冷却5min以上，确保在下一单道扫描前基板冷却到室温。
如图3所示，对不同离焦量条件下的单道6的高度h进行测量时，优选采用金相法测量。通过金相法测量单道6的高度可以得到更加准确的单道6的高度，保证后续得到的最佳的离焦量的参数的准确性。
在本实施例中，不同离焦量条件下的单道6的高度h与离焦量x的数据对应关系如下表1所示：
表1单道的高度h与离焦量x的数据对应关系
本实施例中，多项式拟合可以采用Excel、origin等工具进行，通过辅助工具进行多项式拟合的方式建立函数关系，简单便捷，降低了实验人员的工作量。拟合的多项式为四次函数，采用四次函数关系可以在得到较为准确的离焦量参数的前提下降低工作量，提高了工作效率。进行多项式拟合时，需保证相关系数不小于0.995，用于保证得到的函数的准确性，从而可以得到更为准确的最佳的离焦量的参数。
在本实施例中，以离焦量x为自变量，单道的高度h为因变量，建立单道的高度h与离焦量x之间的函数关系h=f(x)，基于以上得到的数据，通过多项式拟合的方式得到本实施例中单道的高度h与离焦量x之间的函数关系f(x)=0.0252x4-0.0076x3-4.2708x2+0.5296x+373.07，经计算，相关系数R2=0.9984>0.995，表明离焦量x与单道高度h之间的相关性很好。
在其他实施例中，可以采用其他辅助工具进行多项式拟合，拟合的多项式可以为五次函数、六次函数，但至少为四次函数。
得到单道的高度h与离焦量x之间的函数关系f(x)后，对得到的函数f(x)进行一阶
求导和二阶求导得到一阶导数f'(x)和二阶导数f''(x)将对一阶导数f'(x)等于零进行求
解得到的不同的根的数值分别代入二阶导数
中，得到的二阶导数值中小于零的数值
所对应的一阶导数f'(x)的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值。第一数
值也是实际可获得最大单道高度对应的离焦量的数值。
在本实施例中，对函数f(x)分别求一阶导数和二阶导数得到f'(x)=0.1008x3-0.0228x2-8.5416x+0.5296和f''(x)=0.3024x2-0.0456x-8.5416。
当f'(x)=0时的根分别为x11=-9.1、x12=0.06和x13=9.3，将x11=-9.1、x12=0.06和x13=9.3分别代入f''(x)中，得到f''(x11)、f''(x12)和f''(x13)的数值，将f''(x11)、f''(x12)和f''(x13)的数值与0比较，其中只有f''(x12)的数值小于零，f''(x12)所对应的一阶导数f'(x)的根的数值为x12=0.06。由此可获得最大单道高度对应的离焦量的数值为0.06mm，即离焦量的数值为0.06mm时，单道的高度h达到最大，为373μm。本实施例中，离焦量0.06为实现激光熔化沉积过程零件表面局部起伏能够实现自愈合效果，即离焦量取值范围为x∈[-∞，0.06]。
然后，对得到的函数f(x)进行三阶求导得到三阶导数f'''(x)，f'''(x)=0.6048x-0.0456。将对二阶导数f''(x)等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入三阶导数f‴(x)中，得到的二阶导数值中小于零的数值所对应的一阶导数f'(x)的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值。得到函数的一阶导数的极大值点为三阶函数值中小于零的三阶函数值所对应的二阶导数f''(x)的根的数值。再将得到的第二数值减去第一数值，得到的结果中数值小于零且绝对值最小的数值所对应的第二数值，即为可实现最佳自愈合效果的离焦量的取值。
即在粉末负离焦条件下，采用f(x)函数最大斜率处的离焦量可实现最佳自愈合效果。粉末负离焦条件下，曲线最大斜率处单道高度对离焦量的变化最为敏感，加工过程中零件表面局部发生的微小凸起或凹陷在后续沉积过程中能以最快速度实现自愈合，从而得到平整表面。
在本实施例中，f''(x)=0的根分别为x21=-5.2和x22=5.4，将x21=-5.2和x22=5.4代入三阶导数f'''(x)中，得到f'''(x21)和f'''(x22)，将f'''(x21)和f'''(x22)与0进行比较，将其中小于零的数值所对应的二阶导数f''(x)的根的数值记为第二数值。
在本实施例中，只有f'''(x21)的数值小于零，因此第二数值只有-5.2。且，-5.2-0.06=-5.26＜0，故离焦量为-5.2mm时可获得最佳自愈合效果。如图4所示，在x=-5.2时，A点处粉末负离焦且曲线曲率最大，可实现激光熔化沉积的最佳自愈合效果。
在本实施例中，得到离焦量的数值后开始对激光熔化成形装置进行设置和操作加工所需的零件。在对激光熔化成形装置进行设置时，先获取激光熔化成形装置的汇聚焦点，汇聚焦点为激光熔化成形装置的激光熔覆头发射的激光和喷出的粉末的汇聚点。然后根据得到的离焦量的数值调节汇聚焦点与零件成形的基板的初始距离。
参照图2所示，如果离焦量的数值为正，则零件成形的基板1设在汇聚焦点5远离激光熔覆头2的一侧（图2中示出的是离焦量数值为正的情形）；如果离焦量的数值为负，则零件成形的基板1设在汇聚焦点5靠近激光熔覆头2的一侧；如果离焦量的数值为零，则零件成形的基板1的成形表面设在汇聚焦点5所在的平面。在本实施例中，离焦量的数值为-5.2mm，表示使基板1位于汇聚焦点5靠近激光熔覆头2的一侧，且基板1的成形表面与汇聚焦点的距离为5.2mm。
调节好基板1的位置后，再将步骤5得到离焦量的数值代入步骤S2的函数中得到对应的单道的高度数值。根据得到的单道的高度数值设置激光熔覆头2与基板1的相对位移量，以使汇聚焦点5与激光熔覆头2喷出的粉末4的附着面的距离保持不变。
在零件加工过程中使激光熔覆头2与基板1发生相对位移是因为零件在成形过程中会产生一定的高度，如果不调节基板1与汇聚焦点5的距离，后喷出的粉末的附着面与汇聚焦点5的距离会越来越近，进而影响零件激光熔化沉积的最佳自愈合效果。激光熔覆头2与基板1的相对位移量可以通过单独移动激光熔覆头2或单独移动基板1来实现，也可通过同时移动激光熔覆头2和基板1来实现。
例如，在本实施例中，进行工字型TC4合金零件激光熔化沉积成形，离焦量x=-5.2mm对应的单道的高度h=274.33μm，工字型TC4合金零件加工过程中每次单道成形后激光熔覆头2朝远离基板1的方向移动274.33μm。
在本实施例中，采用离焦量x=-5.2mm进行工字型TC4合金零件激光熔化沉积成形时，如图6所示，得到的TC4合金零件表面平整无凹陷。
作为对比例，同样选择TC4合金零件进行激光熔化沉积成形实验，采用离焦量x=-2mm，其他工艺参数与离焦量x=-5.2mm时的相同，即激光功率2800W、激光扫描速度1000mm/min、光斑直径5mm，送粉率28g/min、载粉气流量8L/min、镜头保护气流量20L/min。如图5所示，得到的TC4合金零件心部表面出现凹陷。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、保证激光熔化成形装置的其他工艺参数相同的条件下，设定不同参数的离焦量进行单道实验，并测量在不同参数下的离焦量对应的单道的高度；
S2、以离焦量为自变量，单道的高度为因变量，建立单道的高度与离焦量之间的函数，其中，函数为至少四次函数；
S3、对得到的函数进行一阶求导和二阶求导得到一阶导数和二阶导数，将对一阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入二阶导数中，得到的二阶导数值中小于零的数值所对应的一阶导数的根的数值，将其中绝对值最小的根的数值记为第一数值；
S4、对得到的函数进行三阶求导得到三阶导数，将对二阶导数等于零进行求解得到的不同的根的数值分别代入三阶导数中，得到的三阶导数值中小于零的数值所对应的二阶导数的根的数值记为第二数值；
S5、将第二数值减去第一数值，得到的结果中数值小于零且绝对值最小的数值所对应的第二数值，即为可实现最佳自愈合效果的离焦量的取值；
S6、获取所述激光熔化成形装置的汇聚焦点，所述汇聚焦点为所述激光熔化成形装置的激光熔覆头发射的激光和喷出的粉末的汇聚点，根据步骤S5得到的离焦量的数值调节所述汇聚焦点与零件成形的基板的初始距离；
S7、将步骤S5得到的离焦量的数值代入步骤S2的函数中得到对应的单道的高度数值，根据得到的单道的高度数值设置激光熔覆头与零件成形的基板的相对位移量，以使所述汇聚焦点与所述激光熔覆头喷出的粉末的附着面的距离保持不变。
2.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，离焦量的参数的数值选取需涵盖正离焦、零离焦及负离焦。
3.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，采用金相法测量不同离焦量条件下的单道的高度。
4.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，每次单道实验时需要保证基板的温度与前一次单道实验中基板的温度相同。
5.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，离焦量的参数至少选取5组。
6.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，进行不同参数下的离焦量单道试验时，保证不同离焦量参数下的激光功率、激光扫描速度、光斑直径、送粉率、载粉气流量、镜头保护气流量的工艺参数不变。
7.如权利要求6所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，进行不同参数下的离焦量单道试验时，激光功率2800W、激光扫描速度1000mm/min、光斑直径5mm，送粉率28g/min、载粉气流量8L/min、镜头保护气流量20L/min。
8.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S2中，单道高度与离焦量之间函数关系为四次函数。
9.如权利要求1所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，在步骤S2中，通过多项式拟合的方式建立单道高度与离焦量之间的函数关系。
10.如权利要求9所述的利用激光熔化成形装置加工零件的方法，其特征在于，进行多项式拟合时，需保证相关系数不小于0.995。
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