立面雷射熔覆成形工藝中成形件表面平整度的控制方法與流程

2023-06-04 16:27:05 1

本發明涉及一種立面雷射熔覆成形工藝中成形件表面平整度的控制方法，屬於雷射熔覆技術領域。

背景技術：

雷射快速成形是近年來發展起來的一項先進位造技術，成為了雷射熔覆技術領域的一個研究熱點。雷射熔覆快速成形的原理是：在CAD/CAM軟體的支持下繪製出零件的實體模型並將實體模型進行分層，得到每一層截面的幾何信息並將其轉換為工具機的運動軌跡信息。在熔覆成形時，雷射束照射在基體表面並形成熔池，熔覆材料通過送粉器不斷輸送到熔池中並快速熔化凝固形成熔覆層，在給定的掃描軌跡下不斷運動，最終得到實體金屬零件。由以上原理可知，熔覆成形過程是將實體零件分層，則零件實為每一層熔覆層的疊加效果，所以每一層單道熔覆層的質量決定了最終成形零件的質量。

在雷射熔覆過程中，單道熔覆層的表面平整度非常重要，對於雷射快速成形，直接影響最終成形實體的精度；對於雷射表面熔覆，會影響零件的最終性能。目前的主要研究集中在不同工藝參數對單道熔覆層高度和寬度的影響，也有部分研究集中在不同工藝參數對單道熔覆層寬高比的影響，進而研究寬高比對最終熔覆層表面形貌的影響。目前國內外研究學者對雷射工藝參數直接影響熔覆層表面平整度的研究較少，缺乏系統的理論研究。

因此，本發明將對不同工藝參數對熔覆層表面平整度的影響進行研究。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種應用於立面雷射熔覆成形工藝中的關於成形件表面平整度的控制方法，且主要研究了送粉量、雷射功率及掃描速度對成形件表面平整度的影響。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種立面雷射熔覆成形工藝中成形件表面平整度的控制方法，主要包括以下步驟：

A、定義熔覆層的表面平整度值為S＝hmax-hmin，hmax為熔覆層最高點距基體表面的高度，hmin為熔覆層最低點距基體表面的高度；

B、定義熔覆層的表面波動係數為Wa＝S/hmax；

C、保持雷射功率、掃描速度不變，在不同送粉量下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定送粉量的取值範圍；

D、保持送粉量、掃描速度不變，在不同雷射功率下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定雷射功率的取值範圍；

E、保持送粉量、雷射功率不變，在不同掃描速度下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定掃描速度的取值範圍；

F、選出最佳匹配的送粉量、雷射功率、掃描速度，以使得熔覆層的表面平整度值最小，表面波動係數也最小。

進一步地，熔覆過程中，送粉量的計算公式為式中t為熔覆時間，v為粉末的運動速度，S為粉管的橫截面積，ρ為密度，a為粉末的濃度。

進一步地，C步驟中送粉量的取值範圍為6g/min～7g/min。

進一步地，D步驟中雷射功率的取值範圍為500W～600W。

進一步地，E步驟中掃描速度的取值範圍為>7mm/s。

本發明的有益效果在於：本發明提供了一種應用於立面雷射熔覆成形工藝中的關於成形件表面平整度的控制方法，且主要研究了送粉量、雷射功率及掃描速度對成形件表面平整度的影響，繼而找出將表面平整度控制為最小狀態下的各送粉量、雷射功率及掃描速度的較佳取值範圍。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1為本發明的立面雷射熔覆成形工藝中成形件表面平整度的控制方法流程圖。

圖2為熔道的表面波動示意圖。

圖3為表面平整度值和表面波動係數隨送粉量變化的曲線圖。

圖4為表面平整度值和表面波動係數隨雷射功率變化的曲線圖。

圖5為表面平整度值和表面波動係數隨掃描速度變化的曲線圖。

圖6為優選工藝參數下立面單道熔覆層的搭接形貌。

圖7為實體堆積時的掃描路徑。

圖8為優選工藝參數下堆積完成的成形實體圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

本發明是對立面雷射熔覆成形技術進行的研究，且主要研究了送粉量、雷射功率及掃描速度對成形件表面平整度的影響，並找出了將表面平整度控制為最小狀態下的各送粉量、雷射功率及掃描速度的較佳取值範圍。

此次研究中所採用的工藝裝備主要包括：光纖雷射器、中空雷射光內同軸送粉噴頭、KUKA機器人、工作檯、送粉系統及控制中心；一些輔助裝置包括：氣氛控制系統、檢測與反饋控制系統。其中，所述光纖雷射器為IPG公司生產的YLS-2000-TR型摻鐿雷射器；所述KUKA機器人為6自由度機器人，且主要由控制系統、機械手、手持操作和編程器組成；所述工作檯為1自由度工作檯；所述送粉系統通常由送粉器、粉末傳輸通道和噴頭組成，本次實驗所採用的送粉器型號為GTV PF2/2，這是一臺用於熱噴塗、雷射焊接或PTA-堆焊的送粉器，可用於輸送粉末狀材料。對於光纖雷射器、送粉器、機器人、氣氛系統的控制主要集成在KUKA機器人的控制系統中，通過不同接口連接使得在機器人系統的手持編程器(KCP)上能夠實現對整個系統的控制，使得空間基面三維熔覆系統的使用更加方便。

因雷射熔覆成形技術已得到廣泛的研究，故以下說明書部分將不再對該技術進行詳細說明，以下說明書部分將對立面雷射熔覆成形工藝中成形件表面平整度的控制方法進行詳細說明。

如圖1所示，為表面平整度的控制方法流程圖。從該流程圖可以看出，主要包括以下步驟：

A、定義熔覆層的表面平整度值為S；

B、定義熔覆層的表面波動係數為Wa；

C、保持雷射功率、掃描速度不變，在不同送粉量下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定送粉量的取值範圍；

D、保持送粉量、掃描速度不變，在不同雷射功率下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定雷射功率的取值範圍；

E、保持送粉量、雷射功率不變，在不同掃描速度下分別計算出各個熔覆層的表面平整度值和表面波動係數並進行比較，以確定掃描速度的取值範圍；

F、選出最佳匹配的送粉量、雷射功率、掃描速度，以使得熔覆層的表面平整度值最小，表面波動係數也最小。

如圖2所示，為熔道的表面波動示意圖。從該圖可以看出，熔覆層表面並不是理想的光滑平面，而是周期性震蕩起伏的粗糙表面。用金相顯微鏡測出熔覆層的凸起高度和下凹高度。定義hmax為熔覆層最高點距基體表面的高度，hmin為熔覆層最低點距基體表面的高度；定義熔覆層的表面平整度值(即兩者之間的距離)為S＝hmax-hmin，同時定義表面平整度值與熔覆層最高點高度之比為表面波動係數表面平整度值S反應了熔覆層凸起和下凹的絕對高度，而表面波動係數Wa則反映了熔覆層表面波動高度與熔覆層最高點的比值。

需要注意的是：以下說明書中提到的所有表面平整度值和表面波動係數均是由上述對應的計算式計算得出的。

對於立面熔覆，由於熔池在重力的作用下會發生下垂，在不同工藝參數下通過理論計算得出立面熔道的臨界搭接率，通過使用臨界搭接率模型進行單層熔覆實驗，可以看出：熔池在液態時會受到表面張力的作用，同時未進入熔池的粉末與基材之間發生碰撞，粉末受到基材反作用力的作用，使得粉末的運動具有不確定性，使得在臨界搭接率的基礎上並不能保證搭接形貌的平整，因此需要對不同工藝參數下搭接的形貌進行研究，得到相應的工藝參數範圍，為立面上的實體堆積提供基礎。因此，下文將主要研究不同工藝參數對表面平整度的影響，並找出立面雷射熔覆成形合適的工藝參數範圍。

如圖3所示，為表面平整度值和表面波動係數隨送粉量變化的曲線圖。下表所示為雷射熔覆過程中，不同送粉量對應的工藝參數。

結合上表和圖3可以看出：隨著送粉量的增大，單道熔覆層的表面平整度值和表面波動係數都是呈現先減小後增大的趨勢。在送粉量為6-7g/min時，表面平整度達到最低值0.02mm。在送粉量小於7g/min時，表面波動係數逐漸降低，說明熔覆層的表面平整度值的增加幅度小於熔覆層高度增加的幅度，而當送粉量大於7g/min時，表面波動係數逐漸升高，熔覆層表面平整度值的增加幅度大於熔覆層高度的增加幅度。故，在熔覆成形時，應選擇適中的送粉量，過小或過大的送粉量會造成熔覆成形過程的失敗。

這是因為：在熔覆過程中，送粉量M的計算公式為式中t為熔覆時間，v為粉末的運動速度，S為粉管的橫截面積，ρ為密度，a為粉末的濃度。當載氣流量固定不變時，則粉末運動速度v保持不變，送粉量的增大使得粉末在單位體積內所佔的濃度a增大，送入熔池的粉末質量越多則被雷射能量熔化的越不充分。在雷射能量密度保持不變時，熔池所能吸收和熔化的合金粉末量最大量是定值。當送入熔池的粉末量過多時，未能吸收熔化的粉末黏結在熔覆層表面，導致表面平整度值增大，不利於成形；而減小送粉量，粉末送入量較小，雷射能量過大，並與基體表面作用強烈，使得熔覆層表面平整度值增大，熔覆層表面波動係數也隨之增大。因此，可以總結出：C步驟中送粉量的較佳取值範圍為6g/min～7g/min。

如圖4所示，為表面平整度值和表面波動係數隨雷射功率變化的曲線圖。下表所示為雷射熔覆過程中，不同雷射功率對應的工藝參數。

結合上表和圖4可以看出：隨著雷射功率的逐漸增大，熔覆層的表面平整度值逐漸升高。在雷射功率小於0.6kW時，熔覆層的表面平整度值比較穩定。當雷射功率由0.5kW增加到0.6kW時，表面波動係數逐漸減小，熔覆層的高度增加的幅度大於表面平整度值增加的幅度，熔覆層在0.6kW時的表面波動係數最小。當雷射功率大於0.6kW時，熔覆層高度的增加幅度小於熔覆層表面平整度值增加的幅度，使得熔覆層的表面波動係數逐漸增大。

由上述現象可以看出，熔覆過程中應選用較小的雷射功率。但是過低的雷射功率會產生粉末熔化不完全的現象，反而會導致粉末不能完全熔化而黏結在熔覆層表面，最終造成成形件表面粗糙。由公式(E為雷射功率密度(J·mm-2)，P為雷射功率(W)，D為光斑直徑(mm)，S為噴頭掃描速度(mm·s-1))可以看出：雷射功率的增加會使雷射功率密度增強，熔覆層高度和寬度增大。當雷射功率逐漸增大時，熔池的溫度增加，而粉末的輸入量不變，熔池的流動性增強，熔覆層實際搭接情況與理論偏差越來越大，使得表面平整度值和表面波動係數增大。因此，可以總結出：D步驟中雷射功率的較佳取值範圍為500W～600W。

如圖5所示，為表面平整度值和表面波動係數隨掃描速度變化的曲線圖。下表所示為雷射熔覆過程中，不同掃描速度對應的工藝參數。

結合上表和圖5所示，可以看出：隨著掃描速度的增大，表面平整度值逐漸減小，表面波動係數也逐漸減小，熔覆層越來越平整。當掃描速度小於7mm/s時，單道熔覆層高度減小的幅度小於熔道表面平整度值減小的幅度，熔覆層的表面波動係數逐漸減小。當掃描速度大於7mm/s時，熔覆層高度減小的幅度大於熔覆層表面平整度值減小的幅度，使得熔覆層表面波動係數逐漸增大。

由公式(E為雷射功率密度(J·mm-2)，P為雷射功率(W)，D為光斑直徑(mm)，S為噴頭掃描速度(mm·s-1))可以看出：隨著掃描速度的減小，雷射功率密度逐漸增大，搭接模型的偏差增大，使得表面平整度值增大。因而，在進行雷射熔覆時，適當的增加掃描速度會提高加工的效率，同時也會使成形件表面更為平整。因此，可以總結出：E步驟中掃描速度的較佳取值範圍為>(大於)7mm/s。

通過上述不同工藝參數對表面平整度影響的研究得出：在送粉量一定時，滿足雷射功率密度的前提下，應降低雷射功率並提高掃描速度，以提高熔覆表面的平整度。各個工藝參數的較佳取值範圍為：送粉量6-7g/min，功率500-600W，掃描速度7mm/s以上，離焦量保持在-2mm。

為了對上述各個工藝參數的較佳取值範圍進行驗證，以下將選取合適的工藝參數組合，進行實體堆積，並對堆積後的成形實體進行觀察和測量，以確認是否達到成形要求。

選取工藝參數為離焦量-2mm，送粉量6g/min，功率600W，掃描速度7mm/s。通過測量得到熔覆層的寬度為1.34mm，高度為0.17mm，相鄰熔道的偏移量為0.83mm，搭接率為38.06％。在此偏移量下進行立面搭接實驗，得到如圖6所示的搭接形貌。可以看出熔道表面平整，無明顯的起伏，表面平整度值為0.02mm，表面波動係數為11.76％。

根據所選的工藝參數，設計了一個長為20mm，寬為8mm，高度為5mm的實體。由於本發明是對立面的熔道形貌進行的研究，故在設計掃描路徑時應儘量使用同一方向進行熔覆成形，避免不同方向上受力不同導致的偏差，造成實體堆積的失敗。

如圖7所示，為實體堆積時的掃描路徑。虛線部分表示雷射熔覆噴頭運動時並不打開雷射，這是由於使用機器人進行熔覆成形時，其會存在一個加速和減速的過程，如果在此時打開雷射，則由於運動速度並沒有達到勻速，會造成熔覆層兩端所受的雷射加載時間過長，吸收和熔化的粉末增多，使得熔覆層端部過高，影響堆積成形的精度，同時適當的關光能夠延長基體的散熱時間，減小了溫度的累加效應。

在成形過程中，Z軸提升量的大小非常關鍵，過大或過小的Z軸提升量會造成光斑直徑發生變化，影響熔覆成形的精度。成形過程中每一層提升的距離與單道熔覆層的高度是緊密相連的。由臨界搭接率的計算原理可以得知雷射熔覆噴頭提升的理論高度為單道熔覆層的高度，故Z軸的提升量設定為單道熔覆層的高度0.17mm。

通過對各部分工藝的準確控制，最終堆積出了如圖8所示的長方體實體結構。成形實體的表面質量是衡量成形質量的首要標準。理想的成形實體表面應該平整光滑，沒有粉末粘結現象或只有少數粉末粘結。在實際成形過程中，很多工藝參數都會對成形實體的表面質量產生影響。採用光內同軸送粉雷射熔覆成形的工藝方式，雷射光斑包圍粉斑，所以幾乎沒有未熔化的粉末黏附在熔覆層兩側。與光外同軸送粉相比，粉束只有一束，消除了光外送粉時不同粉束之間的相互碰撞，使得加工過程中非常平穩，沒有火花。粉束外圍的保護氣不僅可以將粉末束縛在很小的範圍內，同時也在熔池處形成了緊密的保護層，防止了熔池的氧化。通過對圖8所示成形實體的觀察，其表面幾乎沒有黏粉現象，也不存在氧化現象。通過測量，成形實體的長度為20.2mm，寬度為8.8mm，高度為5.3mm，達到成形要求。

綜上所述，本發明的可應用於立面雷射熔覆成形工藝中的關於成形件表面平整度的控制方法，主要研究了送粉量、雷射功率及掃描速度對成形件表面平整度的影響，並找出了將表面平整度控制為最小狀態下的各送粉量、雷射功率及掃描速度的較佳取值範圍，從而使得熔道表面平整、無明顯的起伏，堆積完成的成形實體可以達到成形要求。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。