CN118123244A - 基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法 - Google Patents
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Abstract
基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,所述热源为多激光或激光与电弧复合的打印头,通过建立数学模型,控制各单独可控的激光器等热源的输出功率,按照规划路径即熔池移动方向,提高熔池前进方向的激光器的输出功率,降低熔池尾部方向的激光器的输出功率,使热量输出与熔池移动路径相耦合。本发明基于非均匀能量分布,增大了熔池移动方向的热量输入,降低了熔池尾部方向的热量输入,提高熔池移动方向的沉积量,提高沉积率,提高能量综合利用率,降低熔覆过程中的热量输入,降低层间冷却时间,提高材料性能。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造或焊接技术领域,具体涉及一种基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法。
背景技术
增材制造是一种自下而上,由线-面-体逐层叠加的数字化制造技术。增材制造依据热源的不同包括激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等。
传统的电弧、电子束和单束激光等热源均为单一热源,其特点是热源作用在熔池各个方向上的功率相等,无法对各个方向上的热输入量进行调制。多热源如多激光束增材由于引入了多个方向上的热源,就使得在增材过程中对熔池各个方向上的热输入量进行调制成为可能。通过单独控制每一个激光器调制各激光器的输入功率,就可以使多激光束按照一定的规则合成为需要的功率大小和能量分布。
在增材制造过程中,热源通过熔融金属或非金属材料形成熔池沉积在基板上,通过熔池的次第连接和叠加形成增材焊道。熔池根据规划的路径移动,由于规划路径是复杂的直线和曲线的集合,因此在路径的不同位置,熔池在平面内的移动具有方向性,而由于热源对熔池的热输入具有累积性,熔池移动路径的尾部常常温度较高,而熔池顺着路径前进方向上的温度较低,熔池尾部的温度过高使得增材过程中整体热输入量较大,需要等待前层温度冷却后才能进行下一层的增材;熔池前部的温度较低使得材料无法有效融化,只能降低熔池的移动速度进行有效熔融,熔池的移动最大速度也因此受限,这两点就导致了整体的增材效率较低。
现有技术热源的平均功率容易导致以下几个问题:(1)熔池移动方向上热量不足,导致熔融不充分,或熔覆速度较小,熔覆效率降低;(2)熔池移动方向相反方向(熔池尾部)热量冗余,导致层间冷却时间较长,热影响区变大,熔覆效率进一步降低;(3)热量的不必要损耗,导致熔覆设备的整体能量利用效率较低。为了解决上述问题,本发明构思了熔池热输入峰值方向与熔池移动方向保持一致,即可大幅提高增材的材料沉积效率。
发明内容
本发明设计了一种基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,根据熔池在实际增材过程中的规划路径(运动方向即熔池移动方向),通过控制多个热源产生不同功率的激光,动态地对熔池各个方向上的热输入进行调制,增加熔池移动方向上的热量输入,降低熔池尾部成形区域的热量输入。以减小热影响区,提升整体的增材效率。
基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,包括以下几个步骤:
S1:建立平面直角坐标系,确定单独可控的激光器数量n(n>2),确定各激光器的最大输出功率Pmax,确定各激光功率矢量及其与x轴正方向的夹角/>,设定功率系数,其中i=1...n,/>;
S2:以各激光功率矢量及其与沿x轴正方向的夹角/>建立均匀能量分布场,以均匀能量分布场建立封闭形状C,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C偏离原位置形成偏离的封闭形状C1,C1与C半径相同,偏离的封闭形状C1的几何中心为/>,即规划路径/>;
S3:读取工控机打印头的运动速度矢量,则规划路径,得到/>;
S4:计算各激光器的功率系数,/>为各激光器的功率矢量/>与偏离的封闭形状C1的交点的值,即/>;
S5:计算各激光器实际输出功率大小,。
进一步的,S2中,控制各激光器功率矢量之间的夹角相同,设定各激光器实际输出功率大小相同即/>相同,形成均匀能量分布场,均匀能量分布场建立封闭形状C,所述封闭形状C为圆形,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C的半径为/>,封闭形状C偏离形成偏离的封闭形状C1,偏离的封闭形状C1的圆心为/>,半径为,控制各激光器在熔池即偏离的封闭形状C1内的功率输出。
进一步的,S4中,计算各激光器的功率系数:;由于;则其中:;/>。
进一步的,封闭形状C为规则形状。
进一步的,封闭形状C为圆形、椭圆形、花瓣形、正多边形或圆环形。
进一步的,所述单独可控的激光器数量为3-20个。
进一步的,所述单独可控的激光器数量为3-8个。
进一步的,所述各激光器的最大输出功率Pmax为200-500W。
进一步的,所述各激光功率矢量与沿x轴正方向的夹角/>。
本发明的有益技术效果:实现热源和路径(运动方向即熔池移动方向)的耦合,使热量输入与熔池移动方向协调一致,增加熔池移动方向的热量输入,降低熔池移动方向相反方向的热量输入,提高熔池移动方向的沉积量,提高沉积率,提高能量综合利用率,降低熔覆过程中的热量输入,降低层间冷却时间,提高材料性能。
附图说明
图1是均匀能量分布和非均匀能量分布的各激光能量大小对比示意图。其中,图1中的(a)是均匀能量分布情况下的各激光能量大小示意图。图1中的(b)是非均匀能量分布情况下的各激光能量大小示意图。
图2是形成图1中各激光能量分布的激光功率矢量图。其中,图2中的(a)对应图1中(a)的均匀能量分布情况下各激光功率矢量图。图2中的(b)对应图1中(b)的非均匀能量分布情况下各激光功率矢量图。
图3是本发明封闭形状C其中之一规则形状的示意图。
图4是本发明封闭形状C为椭圆形的示意图。
图5是本发明运动方向即熔池移动方向与x轴正方向不同夹角的六个激光器功率矢量分布图。
图6是本发明运动方向即熔池移动方向与x轴正方向不同夹角的六个激光器功率矢量值图。
图7是本发明规划路径为直线情况下多激光与规划路径相耦合的示意图。
图8是本发明规划路径为折线情况下多激光与规划路径相耦合的示意图。
图9是本发明规划路径为正弦波情况下多激光与规划路径相耦合的示意图。
图10是本发明规划路径为圆形情况下多激光与规划路径相耦合的示意图。
具体实施方式
本发明的实施参考图1-10。
基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,本发明以多激光打印头作为其中之一实施例,具体以六激光打印头为例,将多激光打印头应用在不同规划路径中时,多激光形成的非均匀能量分布与路径耦合,使得熔池的移动方向上的激光能量输入较大,熔池移动方向相反方向上(熔池尾部)的激光能量输入较小。需要说明的是,本发明的方法不限于应用在多激光增材制造/焊接领域,还可以应用在电弧或电弧与激光复合等具有多热源的增材制造或焊接领域中。
图1中(a)为现有技术的六激光功率大小示意图。图中包含六个激光光斑,六个激光光斑为B1,B2,B3,B4,B5,B6,需要说明的是,图中光斑的大小不表示实际的光斑大小,仅表示各激光光斑功率大小。图中六激光形成均匀的激光能量分布。
图1中(b)为本发明方法形成的六激光功率大小示意图。需要说明的是,图中光斑的大小不表示实际的光斑大小,仅表示各激光光斑功率大小。当多激光打印头沿某一方向运动,如沿x轴正方向运动时形成该图。图中,沿x轴正方向的激光光斑B1较大即表示沿x轴正方向(熔池移动方向)的激光输出功率较大,沿x轴负方向的光斑B4较小即表示沿x轴负方向(熔池移动方向的相反方向)的激光输出功率较小,形成沿x轴方向的非均匀的激光能量分布。
图2中(a)为图1中(a)的各激光功率矢量图,各激光功率矢量为,现有技术中六激光实际输出功率大小相同即/>相同,六激光之间夹角为60°,因此形成了均匀的光斑和能量分布,即图1中的(a)所示。
图2中的(a)为图1中(b)的各激光功率矢量图,各激光功率矢量为,本发明通过调节各激光器功率系数大小,即各激光功率系数/>,实现图1中(b)的非均匀激光能量分布。
为了计算特定路径下的非均匀能量分布场的各激光器的功率输出,本发明建立了相应的数学模型,并采用以下方法:
基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,包括以下几个步骤:
S1:建立平面直角坐标系,确定单独可控的激光器数量n(n>2),确定各激光器的最大输出功率Pmax,确定各激光功率矢量及其与x轴正方向的夹角/>,设定功率系数,其中i=1...n,/>;
S2:以各激光功率矢量及其与沿x轴正方向的夹角/>建立均匀能量分布场,所述均匀能量分布场的能量呈平顶分布,以均匀能量分布场建立封闭形状C,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C偏离原位置形成偏离的封闭形状C1,C1与C半径相同,偏离的封闭形状C1的几何中心为/>,即规划路径/>;
S3:读取工控机打印头的运动速度矢量,则规划路径,可以得到;
S4:计算各激光器的功率系数,即为各激光器的功率矢量/>与偏离的封闭形状C1的交点的值,即/>;
S5:计算各激光器实际输出功率大小。
需要说明的是,封闭形状C为规则形状,如圆形、椭圆形、花瓣形、正多边形或圆环形等。如图3所示,给出了封闭形状C的一种示意图。图中即为封闭形状C偏离为偏离的封闭形状C1后,各激光器在偏离的封闭形状C1内的功率矢量,/>为各激光器在偏离的封闭形状C1内的功率值。/>即为各激光器在偏离的封闭形状C1内的实际功率输出。
如图4所示,给出了封闭形状C为椭圆形的示意图。图中即为封闭形状C偏离为偏离的封闭形状C1后,各激光器在偏离的封闭形状C1内的功率矢量,/>为各激光器在偏离的封闭形状C1内的功率系数。/>即为各激光器在偏离的封闭形状C1内的实际功率输出。
当封闭形状C为圆形时候,参考图1-2,图5-10,本发明方法具体步骤为:
S1:建立平面直角坐标系,确定单独可控的激光器数量n(n>2),确定各激光器的最大输出功率Pmax,确定各激光功率矢量,与沿x轴方向的夹角/>,设定功率系数,其中i=1...n,/>。
S2:控制各激光器功率矢量之间的夹角相同,设定各激光器实际输出功率大小相同即/>相同,形成均匀能量分布场,均匀能量分布场建立封闭形状C,所述封闭形状C为圆形,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C的半径为/>,封闭形状C偏离形成偏离的封闭形状C1,偏离的封闭形状C1的圆心为/>,半径为/>,控制各激光器在熔池即偏离的封闭形状C1内的功率输出。
如图2中的(a)所示,六激光打印头,控制各激光器功率矢量之间的夹角相同为60°,设定各激光器实际输出功率大小相同即/>相同,形成均匀能量分布场,确定各激光器的最大输出功率Pmax为500w,则可以形成半径/>为500W的均匀能量分布场封闭形状C,其圆心为坐标原点。当封闭形状C偏离,则形成非均匀能量分布场,如图2中的(b)所示,封闭形状C偏离为偏离的封闭形状C1,C1的圆心为/>,半径为/>,圆心移动的路径即为熔池移动的路径即为规划的路径,控制各激光器在熔池即偏离的封闭形状C1内的功率输出。
S3:读取工控机打印头的运动速度矢量,则规划路径,由于规划路径/>,可以得到。
S4:计算各激光器的功率系数为:;即,其中;/>;当的值越大,说明偏离的封闭形状C1即熔池的移动方向的功率输出较熔池尾部的功率输出的差值越大。
S5:各激光器实时输出所需要的功率大小,各激光器实际输出功率。
如图5所示,给出了熔池移动方向与x轴正方向不同夹角的六个激光器功率矢量分布图。其中图5中的(a)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为0°时的六个激光功率矢量的分布。图5中的(b)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为60°时的六个激光功率矢量的分布。图5中的(c)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为120°时的六个激光功率矢量的分布。图5中的(d)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为180°时的六个激光功率矢量的分布。图5中的(e)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为240°时的六个激光功率矢量的分布。图5中的(e)为熔池移动方向与x轴正方向夹角为300°时的六个激光功率矢量的分布。
如图6所示,给出了运动方向即熔池移动方向与各激光功率系数的关系,图中横坐标为运动方向即熔池移动方向与x轴正方向的夹角,纵坐标为各激光功率系数。图中所示各激光功率系数合成的总功率系数大小不变。
表1给出了熔池移动方向与x轴正方向0°-150°的六激光功率系数。
表2给出了熔池移动方向与x轴正方向180°-360°的六激光功率系数。
在熔池的线性移动过程中,本发明方法可以给出0°-360°内任意角度情况下各激光功率值,因此可以确认在任意的规划路径中均可以使用本发明方法进行各激光功率的调制,输出所需要的功率大小。
实施例1,如图5所示,路径为直线情形下的热源与路径耦合,图中运动方向即熔池移动方向与x轴正方向夹角为0°,,参考表1角度为0°下的功率系数。若各激光器的最大输出功率相同且为500w,则六激光实际输出功率分别为:500w、344.95w、144.85w、100w、144.85w、344.95w。
实施例2,如图6所示,路径为折线情形下的热源与路径耦合。图中运动方向即熔池移动方向与x轴正方向夹角为270°,,参考表2角度为270°下的功率系数。若各激光器的最大输出功率相同且为500w,则六激光实际输出功率分别为:223.6w、456.05w、456.05w、223.6w、109.65w、109.65w。
实施例3,如图7所示,路径为平面正弦波情形下的热源与路径耦合的示意图。图中所示运动方向即熔池移动方向与x轴正方向夹角为0°,,参考表1角度为0°下的功率系数。若各激光器的最大输出功率相同且为500w,则六激光实际输出功率分别为:500w、344.95w、144.85w、100w、144.85w、344.95w。
实施例4,如图8所示,路径为圆形情形下的热源与路径耦合。图中运动方向即熔池移动方向与x轴正方向夹角为90°,,参考表1角度为90°下的功率系数。若各激光器的最大输出功率相同且为500w,则六激光实际输出功率分别为:223.6w、109.65w、109.65w、223.6w、456.05w、456.05w。
对本领域技术人员而言,上述实施例是示范性的、非限制性的,本发明的保护范围不因上述实施例而限定,同时不应将权利要求书中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:包括以下几个步骤:
S1:建立平面直角坐标系,确定单独可控的激光器数量n(n>2),确定各激光器的最大输出功率Pmax,确定各激光功率矢量及其与x轴正方向的夹角/>,设定功率系数,其中i=1...n,/>;
S2:以各激光功率矢量及其与沿x轴正方向的夹角/>建立均匀能量分布场,以均匀能量分布场建立封闭形状C,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C偏离原位置形成偏离的封闭形状C1,C1与C半径相同,偏离的封闭形状C1的几何中心为/>,即规划路径;
S3:读取工控机打印头的运动速度矢量,则规划路径,得到/>;
S4:计算各激光器的功率系数,/>为各激光器的功率矢量/>与偏离的封闭形状C1的交点的值,即/>;
S5:计算各激光器实际输出功率大小,。
2.根据权利要求1所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:S2中,控制各激光器功率矢量之间的夹角相同,设定各激光器实际输出功率大小相同即/>相同,形成均匀能量分布场,均匀能量分布场建立封闭形状C,所述封闭形状C为圆形,以封闭形状C表示熔池,封闭形状C的半径为/>,封闭形状C偏离形成偏离的封闭形状C1,偏离的封闭形状C1的圆心为/>,半径为/>,控制各激光器在熔池即偏离的封闭形状C1内的功率输出。
3.根据权利要求2所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:S4中,计算各激光器的功率系数:;由于;则其中:;/>。
4.根据权利要求1所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:封闭形状C为规则形状。
5.根据权利要求4所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:封闭形状C为圆形、椭圆形、花瓣形、正多边形或圆环形。
6.根据权利要求1所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:所述单独可控的激光器数量为3-20个。
7.根据权利要求6所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:所述单独可控的激光器数量为3-8个。
8.根据权利要求1所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:所述各激光器的最大输出功率Pmax为200-500W。
9.根据权利要求1所述的基于非均匀能量分布的热源与规划路径相耦合的增材方法,其特征在于:所述各激光功率矢量与沿x轴正方向的夹角/>。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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