立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法技术

本发明专利技术提供了一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法。该方法先计算出熔道顶点的偏移量计算式，再根据该计算式分别研究扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳参数，从而将熔道顶点的偏移量控制为最小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，属于激光熔覆

技术介绍
激光快速成形是近年来发展起来的一项先进制造技术，成为了激光熔覆
的一个研究热点。激光熔覆快速成形的原理是：在CAD/CAM软件的支持下绘制出零件的实体模型并将实体模型进行分层，得到每一层截面的几何信息并将其转换为机床的运动轨迹信息。在熔覆成形时，激光束照射在基体表面并形成熔池，熔覆材料通过送粉器不断输送到熔池中并快速熔化凝固形成熔覆层，在给定的扫描轨迹下不断运动，最终得到实体金属零件。由以上原理可知，熔覆成形过程是将实体零件分层，则零件实为每一层熔覆层的叠加效果，所以每一层单道熔覆层的质量决定了最终成形零件的质量。由于立面熔覆时熔池的受力情况与水平面熔覆区别较大，且不同的工艺参数决定了每一层熔覆层的高度、宽度、顶点的下垂量、表面光亮程度及内部显微组织等，故对立面单道熔覆的研究非常重要。在对立面熔池进行力学分析时，发现熔融状态下，熔池在垂直方向上受到重力的作用，有向下流淌的趋势；但因熔池在熔融状态下具有粘性并在激光束作用离开后凝固，故熔池在表面张力和重力的共同作用下，熔覆层顶点产生下垂量。因此，有必要对熔覆层顶点的下垂量进行控制，以使得熔道关于激光加载中心轴线的对称度最佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，以使得熔道顶点的偏移量最小、熔道关于激光加载中心轴线的对称度最佳。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，主要包括以下步骤：A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；B、熔覆一段时间后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比，得出熔池的流动计算式；C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。进一步地，步骤B中熔池的流动计算式为：其中是熔池中垂直于层流方向的速度增量，μL为运动粘度，g为重力，γ为熔池上边沿的表面张力，T为温度，s为熔池上边沿的线元素。进一步地，步骤C具体为：1)将式1和式2带入熔池的流动计算式并进行积分运算得到式32)将U(z)＝xv/r1带入式3得出熔道顶点的偏移量计算式为：进一步地，D步骤中扫描速度的取值范围为6mm/s～10mm/s。进一步地，E步骤中激光功率的取值范围为400W～800W。进一步地，F步骤中送粉速度的取值范围为2g/min～6g/min。进一步地，G步骤中离焦量的取值范围为-4mm～-2mm。进一步地，H步骤具体为：1)选定离焦量，分别选择三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度；2)对三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度进行正交试验，选取最佳参数，并进行重复试验。进一步地，所述离焦量的最佳参数为-2mm，所述扫描速度的最佳参数为6mm/s，所述激光功率的最佳参数为700W，所述送粉速度的最佳参数为5.39g/min。进一步地，进行正交试验时，以熔覆层的表面形貌、宽高比和偏移量作为衡量指标。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，研究了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出了将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳参数，从而使得熔道的质量最好。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本专利技术立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法流程图。图2为熔融状态与凝固后的熔池的截面图。图3为不同扫描速度下的熔道表面形貌。图4为单个熔道的高度和宽度随扫描速度变化的曲线图。图5为单个熔道的宽高比随扫描速度变化的曲线图。图6为单个熔道的顶点偏移量随扫描速度变化的曲线图。图7为不同激光功率下的熔道表面形貌。图8为单个熔道的高度和宽度随激光功率变化的曲线图。图9为单个熔道的宽高比随激光功率变化的曲线图。图10为单个熔道的顶点偏移量随激光功率变化的曲线图。图11为不同送粉速度下的熔道表面形貌。图12为单个熔道的高度和宽度随送粉速度变化的曲线图。图13为单个熔道的宽高比随送粉速度变化的曲线图。图14为单个熔道的顶点偏移量随送粉速度变化的曲线图。图15为不同离焦量下的熔道表面形貌。图16为单个熔道的高度和宽度随离焦量变化的曲线图。图17为单个熔道的宽高比随离焦量变化的曲线图。图18为单个熔道的顶点偏移量随离焦量变化的曲线图。图19为优选工艺参数下立面熔覆层表面形貌。图20为优选工艺参数下单道熔覆层的横截面图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术是对立面激光熔覆成形技术进行的研究，且主要研究了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出了将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳工艺参数。此次研究中所采用的工艺装备主要包括：光纤激光器、中空激光光内同轴送粉喷头、KUKA机器人、工作台、送粉系统及控制中心；一些辅助装置包括：气氛控制系统、检测与反馈控制系统。其中，所述光纤激光器为IPG公司生产的YLS-2000-TR型掺镱激光器；所述KUKA机器人为6自由度机器人，且主要由控制系统、机械手、手持操作和编程器组成；所述工作台为1自由度工作台；所述送粉系统通常由送粉器、粉末传输通道和喷头组成，本次实验所采用的送粉器型号为GTVPF2/2，这是一台用于热喷涂、激光焊接或PTA-堆焊的送粉器，可用于输送粉末状材料。对于光纤激光器、送粉器、机器人、气氛系统的控制主要集成在KUKA机器人的控制系统中，通过不同接口连接使得在机器人系统的手持编程器(KCP)上能够实现对整个系统的控制，使得空间基面三维熔覆系统的使用更加方便。因激光熔覆成形技术已得到广泛的研究，故以下说明书部分将不再对该技术进行详细说明，以下说明书部分将对立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法进行详细说明。如图1所示，为熔道顶点偏移量的控制方法流程图。从该流程图可知，主要包括以下步骤：A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H(或为hmax)，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；B、熔覆一段时间t后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；B、熔覆一段时间后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比，得出熔池的流动计算式；C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。

【技术特征摘要】
1.一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；B、熔覆一段时间后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比，得出熔池的流动计算式；C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。2.如权利要求1所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，步骤B中熔池的流动计算式为：其中是熔池中垂直于层流方向的速度增量，μL为运动粘度，g为重力，γ为熔池上边沿的表面张力，T为温度，s为熔池上边沿的线元素。3.如权利要求2所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，步骤C具体为：1)将式1和式...

【专利技术属性】
技术研发人员：石拓，石世宏，
申请(专利权)人：苏州柯莱得激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32