一種寬帶雷射作用下熔覆層截面輪廓曲線及其建模方法與流程
2023-05-12 09:34:01 5
本發明屬於雷射熔覆技術領域，具體涉及一種寬帶雷射作用下熔覆層截面輪廓曲線及其建模方法。
背景技術：
雷射熔覆是一種先進的表面處理技術，其原理是利用雷射對合金粉末與基體表面進行輻照使之熔化，並快速凝固後形成冶金結合良好的塗層，以提高基體材料表面的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性能，與傳統表面處理工藝如熱噴塗、電弧堆焊、等離子噴塗等相比，雷射熔覆具有熱影響區小、變形小、稀釋率低和區域可控等諸多優點，廣泛應用於汽輪機葉片、曲軸、工具機主軸等零部件的再製造修復。
在雷射熔覆的實際應用場合，需要做大量工藝試驗，確定合適的工藝參數，以提高雷射熔覆的效率。單道熔覆層是雷射熔覆中重要的研究對象，其關鍵幾何參數包括熔覆層高度、熔覆層寬度、沉積角等，這些參數是後續分層切片和多道熔覆時選擇搭接率的基礎，對於任意一種工藝參數組合，單道熔覆層的幾何參數都不相同，如果每種工藝參數組合都進行工藝試驗，則大大增加生產成本和人力成本，因此亟需通過少量工藝試驗建立熔覆層截面關鍵幾何參數與工藝參數之間的定量關係式，進而構建熔覆層截面輪廓曲線的表達式，為雷射熔覆的實際應用提供技術支持。
技術實現要素：
本發明提出了一種寬帶雷射作用下熔覆層截面輪廓曲線及其建模方法，該曲線是在少量的工藝試驗中通過總結得到的，該曲線的建模方法簡單、可操作性強、準確性高，可以節約企業生產成本，可為雷射熔覆應用中的分層切片和軌跡規劃提供數據支持。
本發明所採用的技術方案是：
一種寬帶雷射作用下熔覆層截面輪廓曲線，熔覆層截面是指雷射熔覆中形成的與雷射運動方向垂直的單道熔覆層橫截面，熔覆層截面輪廓曲線方程為，
x∈[-wc/2，wc/2]
其中，y是熔覆層截面輪廓曲線在坐標系XOY中的縱坐標、x是橫坐標、hc是熔覆層高度、wc是熔覆層寬度、θ是沉積角，XOY坐標系以熔覆層底部中心為圓形O、熔覆層寬度方向為X軸、熔覆層高度方向為Y軸，hc、wc和θ均可描述為工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T和掃描速度V的函數。
一種建立上述熔覆層截面輪廓曲線方程的建模方法，包括以下步驟：
S1.進行寬帶雷射熔覆選擇性全因素試驗獲得工藝參數的優選範圍，根據工藝條件選擇關鍵工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T、掃描速度V作為影響因素，工藝參數的範圍根據選擇性全因素試驗結果進行選擇，其中，選擇性全因素試驗是指在試驗過程中對能夠預見試驗結果的工藝參數組合進行取捨，避免不必要的試驗。
S2.進行中心複合設計試驗，根據優選的工藝參數範圍設計中心複合設計試驗，採用外切中心複合設計方法設計試驗矩陣並進行工藝試驗。
S3.截取熔覆層截面試樣，測繪熔覆層截面幾何尺寸，幾何尺寸包括熔覆層高度、熔覆層寬度和沉積角。
S4.建立熔覆層幾何尺寸與工藝參數的定量描述關係式，採用二次回歸方法獲得熔覆層截面幾何尺寸與工藝參數的關係，二次回歸方程如下，
式中，wc(P，V，T)、hc(P，V，T)和θ(P，V，T)分別為熔覆層寬度、熔覆層高度和沉積角，α0、β0、γ0是二次回歸方程的常數項，αi、βi、γi是二次回歸方程的一次項，αii、βii、γii是二次回歸方程的交互項，αij、βij、γij是二次回歸方程的二次項，k＝3，ε是誤差項，i、j＝1時，xi＝P，i、j＝2時，xi＝V，i、j＝3時，xi＝T。
S5.推導熔覆層截面輪廓曲線方程，方程如下，
x∈[-wc/2，wc/2]
式中，y是熔覆層截面輪廓曲線在坐標系XOY中的縱坐標、x是橫坐標、hc是熔覆層高度、wc是熔覆層寬度、θ是沉積角，XOY坐標系以熔覆層底部中心為圓形O、熔覆層寬度方向為X軸、熔覆層高度方向為Y軸，hc、wc和θ均可描述為工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T和掃描速度V的函數。
S6.驗證熔覆層截面輪廓曲線方程，在工藝參數優選範圍內隨機選擇一組工藝參數重複步驟S3，將獲得的參數代入熔覆層截面輪廓曲線，對比曲線方程和實際截面輪廓的誤差，驗證曲線方程的準確性。
本發明的有益效果是：
該曲線是在少量的工藝試驗中通過總結得到的，該曲線的建模方法簡單、可操作性強、準確性高，可以節約企業生產成本，可為雷射熔覆應用中的分層切片和軌跡規劃提供數據支持；通過試驗設計進行工藝試驗，獲得熔覆層截面幾何尺寸與工藝參數的關係，實現熔覆層截面關鍵幾何參數的定量描述；構建了描述截面輪廓的曲線方程，可用於指導雷射熔覆的實際生產，節約試驗成本；本發明提出的曲線建模方法通用性強，特別適合於寬帶雷射熔覆領域。
附圖說明
圖1是雷射熔覆中形成的與雷射運動方向垂直的單道熔覆層橫截面圖。
圖2是V＝3mm/s時選擇性全因素試驗結果圖。
圖3是V＝5mm/s時選擇性全因素試驗結果圖。
圖4是V＝7mm/s時選擇性全因素試驗結果圖。
圖5是V＝9mm/s時選擇性全因素試驗結果圖。
圖6是中心複合設計因素及其水平。
圖7是中心複合設計試驗矩陣。
圖8是熔覆層截面輪廓計算值與測量值對比結果圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，一種寬帶雷射作用下熔覆層截面輪廓曲線，熔覆層截面是指雷射熔覆中形成的與雷射運動方向垂直的單道熔覆層橫截面，熔覆層截面輪廓曲線方程為，
x∈[-wc/2，wc/2]
其中，y是熔覆層截面輪廓曲線在坐標系XOY中的縱坐標、x是橫坐標、hc是熔覆層高度、wc是熔覆層寬度、θ是沉積角，XOY坐標系以熔覆層底部中心為圓形O、熔覆層寬度方向為X軸、熔覆層高度方向為Y軸，hc、wc和θ均可描述為工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T和掃描速度V的函數。
一種建立上述熔覆層截面輪廓曲線方程的建模方法，包括以下步驟：
S1.進行寬帶雷射熔覆選擇性全因素試驗獲得工藝參數的優選範圍(選擇性全因素試驗是指在試驗過程中對能夠預見試驗結果的工藝參數組合進行取捨，避免不必要的試驗)，本實施例採用45#鋼作為熔覆基體，選用Ni60合金粉末作用熔覆材料，鋪粉方式為預置粉末法，選擇工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T和掃描速度V作為影響因素，根據採用的工藝設備選擇工藝參數的初始範圍，其中雷射功率P的初始範圍為1.2～3.0kW，粉末層厚度T的初始範圍為0.5～2.0mm，掃描速度V的初始範圍為3.0～9.0mm/s，雷射熔覆形成的單道熔覆層表面形貌如圖2～5所示，根據如圖2～5所示的試驗結果優選工藝參數範圍為：P＝2.2～2.8kW，T＝0.5～1.5mm，V＝3～5mm/s。
S2.進行中心複合設計試驗，根據優選的工藝參數範圍設計中心複合設計試驗，採用外切中心複合設計方法設計試驗矩陣並進行工藝試驗，設計因素及其水平和設計矩陣分別如圖6和圖7所示。
S3.截取熔覆層截面試樣，測繪熔覆層截面幾何尺寸，幾何尺寸包括熔覆層高度、熔覆層寬度和沉積角，測量結果顯示於圖7中。
S4.建立熔覆層幾何尺寸與工藝參數的定量描述關係式，採用二次回歸方法獲得熔覆層截面幾何尺寸與工藝參數的關係，本實施例中熔覆層寬度、熔覆層高度和沉積角的二次回歸方程如下：
wc(P，V，T)＝-12.049+19.562×P+3.243×T-1.831×V-0.819×P×T+0.593×P×V+0.180×T×V-3.687×P2-0.847×T2-0.034×V2
hc(P，V，T)＝-0.728-0.054×P+1.546×T+0.398×V-0.340×P×T-0.143×P×V-0.020×T×V+0.161×P2+0.093×T2+0.005×V2
θ(P，V，T)＝150+33.018×P-27.291×T-8.538×V+6.250×P×T+3.125×P×V+0.417×T×V-8.809×P2-1.951×T2-0.176×V2
式中，wc(P，V，T)、hc(P，V，T)和θ(P，V，T)是指熔覆層寬度、熔覆層高度和沉積角，P為雷射功率、V為掃描速度、T為粉末層厚度。
S5.推導熔覆層截面輪廓曲線方程，方程如下：
x∈[-wc/2，wc/2]
式中，y是熔覆層截面輪廓曲線在坐標系XOY中的縱坐標、x是橫坐標、hc是熔覆層高度、wc是熔覆層寬度、θ是沉積角，XOY坐標系以熔覆層底部中心為圓形O、熔覆層寬度方向為X軸、熔覆層高度方向為Y軸，hc、wc和θ均可描述為工藝參數雷射功率P、粉末層厚度T和掃描速度V的函數。
S6.驗證熔覆層截面輪廓曲線方程，在工藝參數優選範圍內隨機選擇一組工藝參數重複步驟S3，本實施例選取工藝參數組合：P＝2.6kW、V＝4mm/s，T＝0.8mm，將獲得的參數代入熔覆層截面輪廓曲線方程，對比曲線方程和實際截面輪廓的誤差，試驗結果如圖8所示，結果表明所提出的截面輪廓曲線吻合性較好。
該曲線是在少量的工藝試驗中通過總結得到的，該曲線的建模方法簡單、可操作性強、準確性高，可以節約企業生產成本，可為雷射熔覆應用中的分層切片和軌跡規劃提供數據支持；通過試驗設計進行工藝試驗，獲得熔覆層截面幾何尺寸與工藝參數的關係，實現熔覆層截面關鍵幾何參數的定量描述；構建了描述截面輪廓的曲線方程，可用於指導雷射熔覆的實際生產，節約試驗成本；本發明提出的曲線建模方法通用性強，特別適合於寬帶雷射熔覆領域。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。