CN114535607A - 一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，包括：将加工面划分为若干小区域，在每个小区域中以填充若干条正弦函数曲线作为扫描路径，相邻正弦函数曲线之间等距分布；对S1规划的若干小区域进行激光扫描填充和同步重熔，然后对下个小区域进行扫描和同步重熔，直至整个加工面扫描完毕；整个加工面扫描完毕后，再对加工面整体进行重熔，然后进行下一层增材制造，下一层每个小区域填充的扫描路径和重熔路径都在上一层的基础上顺时针旋转45°。本发明通过曲线路径扫描加同步重熔，由于扰乱了晶粒生长方向，让晶粒无序排列，使得增材制造层整体力学性能趋于各向同性。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacturing,简写AM)与传统的减材加工思路相反，是利用高能量密度激光将材料逐点熔化，逐层堆积，直接成形。增材制造技术自出现以来，凭借加工周期短、生产效率高、可实现高柔性生产等优势得到广泛的关注。
高功率扫描振镜系统的出现，使得激光加工速度和生产效率极大提高，通过计算机控制机械装置带动X、Y反射光束的偏转实现激光光束在工作范围内的移动，并按照既定的扫描路线在扫描视场上扫出不同的图形。由于其使用的激光光源光束质量好，对比使用其他激光光源，在聚焦光斑大小相同的情况下该系统工作距离大大增加，而在相同工作距离的情况下聚焦光斑则极大的减小，这一特性使得该系统在实际应用中可以取得更高的加工效率和更好的加工质量，在搭配机器人使用时可实现真正的快速远程加工。
在基于扫描振镜的激光增材制造过程中，由于过大的冷却速度，会在工件内产生较大的残余应力以及裂纹和气孔等缺陷，影响增材制造工件的性能。一般的选区激光熔化过程仅在增材结束后对最后成形的一层(即外表面)进行重熔，不能很好地控制增材过程中层间表面粗糙度的累加效应，且增材过程中产生的气泡不能充分溢出，残留在增材制造层内形成气孔缺陷，缺陷最终可能发展为裂纹源。因此，设计出一种振镜式激光增材制造同步重熔的扫描方法，对于提高增材制造层表面质量及力学性能各向同性有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决扫描振镜激光增材制造过程中组织性能各向异性的问题，提出了一种用于扫描振镜激光增材制造同步重熔的扫描方法，通过这种方法能够降低增材制造层内部的残余应力和孔隙率，降低层间粗糙度累加效应，提高表面质量和力学性能各向同性。
一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，包括：
S1将加工面划分为若干小区域，在每个小区域中以填充若干条正弦函数曲线作为扫描路径，相邻正弦函数曲线之间等距分布；
S2对S1规划的若干小区域进行激光扫描填充和同步重熔，然后对下个小区域进行扫描和同步重熔，直至整个加工面扫描完毕；
S3整个加工面扫描完毕后，再对加工面整体进行重熔，然后进行下一层增材制造，下一层每个小区域填充的扫描路径和重熔路径都在上一层的基础上顺时针旋转45°。
进一步地，其特征在于，所述S2中同步重熔的定义为：每扫描完成一个小区域后立即对当前小区域进行重熔，重熔路径与扫描成型路径不重合，然后对下个小区域进行扫描和重熔。
进一步地，其特征在于，所述S2中重熔路径与扫描成型路径沿周期方向的轴线互相垂直。
进一步地，所述S3中重熔进行2次，第1次与第2次重熔路径互相垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明用于优化振镜式激光增材制造扫描过程，通过单层多向激光扫描及同步重熔方法，由于扰乱了晶粒生长方向，让晶粒无序排列，使得增材制造层整体力学性能趋于各向同性；又由于同步重熔有利于降低层间表面粗糙度累加效应，降低了最终的表面粗糙度，且多次重熔降低了增材制造层的温度梯度，降低了因快速冷却而产生的残余应力。在增材过程中，由于扫描层每条扫描路径的两端(即起始和结束端)冷却速度最快，熔池存在时间最短，因此比中间部分分布着更多的气孔，在重熔时令重熔层所填充的直线与扫描层曲线沿周期方向的轴线互相垂直，可以有效增加扫描层两端熔池存在时间，让气泡充分逸出，降低孔隙率。
附图说明
图1为本发明的一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法流程图；
图2是本发明一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法中扫描成型与重熔路径示意图；
图中，1-分区扫描成形路径，2-分区同步重熔路径，3-区域边界线，4-整体重熔路径。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
采用一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，包括如下步骤：
(1)设置加工面大小为100×100mm，每个小区域大小为4×4mm；
(2)以正弦曲线均匀填充小区域作为扫描路径，正弦函数曲线的振幅为1mm，周期为2π，初始相位角为0°。相邻两条正弦曲线等距分布，距离为0.03mm；以直线均匀填充作为重熔路径，相邻两条直线等距分布，距离为0.03mm。重熔路径与扫描路径沿周期方向的轴线互相垂直；
(3)沿着步骤(2)规划的扫描路径和重熔路径进行激光扫描填充和同步重熔，激光功率为600W，扫描速度500mm/s；扫描完成后对增材制造层进行2次整体重熔，2次重熔路径相互垂直，激光功率600W，扫描速度500mm/s。
实施例二
运用本发明对汽轮机叶片汽蚀部位进行修复，对叶片轻度汽蚀区域进行打磨并用丙酮出去表面油污，测量待修复区域大小为15×30mm，深度为1mm。
对待修复区域进行渗透探伤，确认汽蚀部位被完全去除。
选择某Co基合金粉末为修复材料，其成分如下：
叶片待修复区域为曲面，选用6％硅酸钠溶液为粘接剂，与合金粉末按重量比1：5混合搅拌至糊状后，涂抹在待修复区域并压实，再将0.2mm塞尺铺在粉末两侧，用刮板将粉末刮平，静置5分钟等待粘接剂干燥。
调整振镜激光增材制造系统焦距，将待修复区域划分为若干个5×5mm小区域，以正弦曲线均匀填充小区域作为扫描路径，正弦函数曲线的振幅为0.8mm，周期为2π，初始相位角为0°。相邻两条正弦曲线等距分布，距离为0.05mm；以直线均匀填充作为重熔路径，相邻两条直线等距分布，距离为0.05mm。重熔路径与扫描路径沿周期方向的轴线互相垂直。
确定激光功率为600W，扫描速度为300mm/s，成型扫描与重熔的激光功率和扫描速度相同。对划分好的小区域依次进行激光扫描加同步重熔，待修复区扫描完毕后对增材制造层进行整体重熔，减小残余应力并且去除小区域的分界线，然后进行下一层增材。
增材结束后对增材制造层进行打磨，用丙酮除去油污，然后进行渗透探伤，检查修复区是否存在气孔、裂纹等缺陷，校验修复质量是否合格。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，其特征在于，包括：
S1将加工面划分为若干小区域，在每个小区域中以填充若干条正弦函数曲线作为扫描路径，相邻正弦函数曲线之间等距分布；
S2对S1规划的若干小区域进行激光扫描填充和同步重熔，然后对下个小区域进行扫描和同步重熔，直至整个加工面扫描完毕；
S3整个加工面扫描完毕后，再对加工面整体进行重熔，然后进行下一层增材制造，下一层每个小区域填充的扫描路径和重熔路径都在上一层的基础上顺时针旋转45°。
2.根据权利要求1所述的一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，其特征在于，所述S2中同步重熔的定义为：每扫描完成一个小区域后立即对当前小区域进行重熔，重熔路径与扫描成型路径不重合，然后对下个小区域进行扫描和重熔。
3.根据权利要求1所述的一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，其特征在于，所述S2中重熔路径与扫描成型路径沿周期方向的轴线互相垂直。
4.根据权利要求1-3中任一所述的一种用于扫描振镜的激光增材制造各向同性的扫描方法，其特征在于，所述S3中重熔进行2次，第1次与第2次重熔路径互相垂直。
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