一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法技术

本发明专利技术涉及一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，包括如下步骤：S1、以激光功率、扫描速度、送粉速度作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，以熔宽、熔高、稀释率作为响应目标进行方差分析；S2、利用灰色关联分析方法对三个响应目标分析后得到最终的最优参数组合；S3、将最终的最优参数组合下的熔覆层轮廓建立成几何模型，计算分析后得到搭接角的最优值；S4、进行多道多层熔覆实验，经计算分析后得到径向提升量的最优值。本发明专利技术的圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法能够方便、快速准确、可靠地得到使用不同熔覆粉末和/或激光熔覆设备在圆弧面上进行激光熔覆实验时，在单道、单道多层以及多道多层熔覆工艺中的最优参数。

Optimization of laser cladding process parameters on circular arc surface

The invention relates to a method for optimizing process parameters of laser cladding on arc surface, including the following steps: S1, taking laser power, scanning speed and powder feeding speed as parameters to be optimized, designing orthogonal experiments according to Taguchi method, taking melting width, melting height and dilution rate as response targets to carry out variance analysis; After analyzing three response targets, the final optimal parameters combination is obtained; S3, the final optimal parameters combination of the cladding layer profile is established into a geometric model, calculated and analyzed to get the optimal lap angle; S4, multi-channel multi-layer cladding experiment, after calculation and analysis, the optimal value of radial lift is obtained. The method for optimizing the laser cladding process parameters on the arc surface of the invention can conveniently, quickly, accurately and reliably obtain the optimum parameters in the single channel, single channel, multi-layer and multi-channel multi-layer cladding process when laser cladding experiments are carried out on the arc surface using different cladding powder and/or laser cladding equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法
本专利技术属于激光熔覆工艺
，具体涉及一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法。
技术介绍
近些年，增材制造技术取得了快速的发展，激光熔覆是增材制造技术中最典型且应用最广泛的技术。激光熔覆作为一种先进的增材制造技术，成为材料表面改性领域的研究热点，它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与基体形成良好的冶金结合，主要用于制造复杂结构的零部件，同时又可对失效的零件进行修复。激光熔覆具有可熔覆材质品种多、稀释率小、涂层与基体结合好、熔覆层组织致密、无污染等特点，在航空航天、汽车工业、石油化工等工业领域中得到广泛应用。激光熔覆工艺参数包括单道激光熔覆工艺参数、多道单层激光熔覆工艺参数以及多道多层激光熔覆工艺参数，激光熔覆工艺参数的设置对熔覆层的质量起到至关重要的作用，且激光熔覆对粉末、设备没有通识性，不同的粉末在相同的设备上熔覆时最优参数不同，相同的粉末在不同的设备上熔覆时最优参数不同。若在不合适的工艺参数下熔覆层则容易出现粉末利用率低、气孔、裂纹等缺陷，因此，激光熔覆工艺参数的选择是激光熔覆基本和必不可少的工作。但目前参数优化缺乏标准，对于单道激光熔覆工艺参数优化的方法较多，如响应曲面法、BP神经网络、数学统计等，但利用响应曲面法优化时图形出现一直在爬坡时就会视为参数选择失败需要重新试验，无法快速准确找到最优参数值。BP神经网络需要大量数据去训练和数组数据去验证，过程复杂繁琐。而数学统计方法在优化时如果数据拟合不好则不能在统一坐标系表示而无法选取。同时目前尚未发现在圆弧面上熔覆时对工艺参数的优化，在成形、修复一些具有圆弧结构的零件时，目前仍采用平面基板上竖直方式熔覆，但这样会出现金属液体在重力作用下流淌，导致熔池不对称、参数优化时更加困难。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，能够方便、快速准确、可靠地得到使用不同熔覆粉末和/或激光熔覆设备在圆弧面上进行激光熔覆实验时，在单道、单道多层以及多道多层熔覆工艺中的最优参数。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：本实施例提供一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，包括如下步骤：S1、以激光功率、扫描速度、送粉速度作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，在圆弧面上进行单道熔覆实验后将获得的熔宽、熔高以及稀释率作为响应目标并进行方差分析，得出三个待优化参数对三个响应目标的影响程度；S2、利用灰色关联分析方法对步骤S1中的三个响应目标进行分析，得到三个待优化参数最终的最优参数组合；S3、将步骤S2得到的最终的最优参数组合下的熔覆层的轮廓建立成几何模型并计算得到临界搭接角，然后进行多道单层熔覆实验，经计算分析后得到搭接角的最优值；S4、测量步骤S3得到的最优搭接角对应的多道单层的名义径向高度并作为初始名义径向高度，并进行多道多层熔覆实验，经计算分析后得到径向提升量的最优值。根据本专利技术，步骤S1包括如下子步骤：S11、选取3～5个水平，获得正交实验表；S12、将待熔覆粉末按照预设熔覆轨迹在基体上进行单道熔覆实验；S13、对步骤S12得到的熔覆后的基体进行切割得到熔覆层横断面，然后测量熔覆层横断面的熔宽、熔高、熔覆层轮廓半径、熔覆层面积和熔池面积；S14、计算得出关于三个响应目标的方差分析表、关于三个响应目标信噪比的响应表以及关于三个响应目标信噪比的主效应图。根据本专利技术，步骤S2体包括如下子步骤：S21、将三个响应目标转换为灰色关联度，再对灰色关联度进行方差分析，得到三个待优化参数达到三个响应目标的期望时的最优参数组合；S22、若步骤S21得到的最优参数组合在步骤S1中的正交试验表中，则可作为三个待优化参数最终的最优参数组合，否则，需要做验证试验。根据本专利技术，步骤S21包括如下子步骤：S211、对三个响应目标进行信噪比的标准化；S212、进行灰色关联系数的计算；S213、进行灰色关联度的计算；S214、将步骤S213得到的灰色关联度按照从小到大的顺序依次排列并进行方差分析，得到灰色关联度的方差分析表、灰色关联度的响应表以及灰色关联度的主效应图；再从灰色关联度的主效应图中找到三个待优化参数最大者的组合，作为三个待优化参数达到三个响应目标的期望时的最优参数组合。根据本专利技术，在步骤S3中，进行多道单层熔覆实验后测量并计算幅径比，若得到的幅径比小于幅径比期望值，则临界搭接角作为搭接角的最优值；否则，在临界搭接角附近进行至少一次梯度搜索优化，直到得到的幅径比小于幅径比期望值，得到搭接角的最优值。根据本专利技术，在步骤S3中，在临界搭接角附近进行至少一次梯度搜索优化包括如下步骤：以搭接角为θ0±Δθ'和/或θ0±2Δθ'进行至少两次搭接实验，然后测量并计算每次搭接后的幅径比，若计算得到的幅径比中的最小值小于幅径比期望值，则梯度搜索优化结束，否则，以前一步得到的幅径比中的最小值对应的搭接角作为θ1，在搭接角为θ1±Δθ”和/或θ1±2Δθ”进行至少两次搭接实验，再测量并计算每次搭接后的幅径比，直到计算得到的幅径比中的最小值小于幅径比期望值，则梯度搜索优化结束；其中，θ0为临界搭接角。根据本专利技术，在步骤S4中，多道多层熔覆实验以单向平行扫描进行提升，实验结束后测量并计算得到的熔覆层的实际径向高度与计算得到的理论径向高度的差值，若上述差值小于期望值，则初始名义径向高度作为径向提升量的最优值，否则，在初始名义径向高度附近进行至少一次梯度搜索优化，直到差值小于期望值，得到径向提升量的最优值。根据本专利技术，在步骤S4中，进行至少一次径向提升量的梯度搜索优化包括如下步骤：先以名义径向高度为R0±ΔR'和/或R0±2ΔR'进行至少两次提升实验，然后测量并计算每次实验后熔覆层的实际径向高度与计算得到的理论径向高度的差值，若差值中的最小值小于期望值，则梯度搜索优化结束，否则，以前一步中差值中的最小值所对应的的名义径向高度作为R1，再以名义径向高度为R1±ΔR”和/或R1±2ΔR”进行至少两次提升实验，再测量并计算每次实验后的差值，直到计算得到的差值中的最小值小于期望值，则梯度搜索优化结束；其中，R0表示初始名义径向高度。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术的圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法中：在进行单道熔覆实验时，选定激光功率、扫描速度、送粉速度这三个参数作为待优化参数，利用田口方法与灰色关联分析方法相结合进行分析。其中，田口方法可根据待优化参数设计正交实验，并对响应目标进行方差分析，进而可量化分析出待优化参数对各单一响应目标的影响趋势及大小。而灰色关联分析方法能够将多个响应目标转换成单一的目标来最终评价，然后分析后即可得到激光功率、扫描速度、送粉速度的最终的最优参数组合，实现多目标多参数的优化。因此，将田口方法与灰色关联分析方法相结合应用到单道熔覆实验的参数优化中，可全面地分析出各参数对单道熔覆层的影响大小和趋势，简单方便，进而快速准确地实现多目标多参数的优化。在保证单道熔覆实验中各参数为最优值的情况下，再进行多道单层熔覆实验和多道多层熔覆实验中的搭接角和径向提升量的优化，也更加提高了参数优化的准确可靠性。由此，本专利技术中的圆弧面上激光熔覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以激光功率、扫描速度、送粉速度作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，在圆弧面上进行单道熔覆实验后将获得的熔宽、熔高以及稀释率作为响应目标并进行方差分析，得出三个所述待优化参数对三个所述响应目标的影响程度；S2、利用灰色关联分析方法对步骤S1中的三个所述响应目标进行分析，得到三个所述待优化参数最终的最优参数组合；S3、将步骤S2得到的最终的最优参数组合下的熔覆层的轮廓建立成几何模型并计算得到临界搭接角，然后进行多道单层熔覆实验，经计算分析后得到搭接角的最优值；S4、测量步骤S3得到的最优搭接角对应的多道单层的名义径向高度并作为初始名义径向高度，并进行多道多层熔覆实验，经计算分析后得到径向提升量的最优值。

【技术特征摘要】
1.一种圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以激光功率、扫描速度、送粉速度作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，在圆弧面上进行单道熔覆实验后将获得的熔宽、熔高以及稀释率作为响应目标并进行方差分析，得出三个所述待优化参数对三个所述响应目标的影响程度；S2、利用灰色关联分析方法对步骤S1中的三个所述响应目标进行分析，得到三个所述待优化参数最终的最优参数组合；S3、将步骤S2得到的最终的最优参数组合下的熔覆层的轮廓建立成几何模型并计算得到临界搭接角，然后进行多道单层熔覆实验，经计算分析后得到搭接角的最优值；S4、测量步骤S3得到的最优搭接角对应的多道单层的名义径向高度并作为初始名义径向高度，并进行多道多层熔覆实验，经计算分析后得到径向提升量的最优值。2.如权利要求1所述的圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：S11、选取3～5个水平，获得正交实验表；S12、将待熔覆粉末按照预设熔覆轨迹在基体上进行单道熔覆实验；S13、对步骤S12得到的熔覆后的基体进行切割得到熔覆层横断面，然后测量所述熔覆层横断面的熔宽、熔高、熔覆层轮廓半径、熔覆层面积和熔池面积；S14、计算得出关于三个所述响应目标的方差分析表、关于三个所述响应目标信噪比的响应表以及关于三个所述响应目标信噪比的主效应图。3.如权利要求1所述的圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，其特征在于，步骤S2体包括如下子步骤：S21、将三个所述响应目标转换为灰色关联度，再对所述灰色关联度进行方差分析，得到三个所述待优化参数达到三个所述响应目标的期望时的最优参数组合；S22、若步骤S21得到的最优参数组合在步骤S1中的所述正交试验表中，则可作为三个所述待优化参数最终的最优参数组合，否则，需要做验证试验。4.如权利要求3所述的圆弧面上激光熔覆工艺参数优化的方法，其特征在于，步骤S21包括如下子步骤：S211、对三个所述响应目标进行信噪比的标准化；S212、进行灰色关联系数的计算；S213、进行灰色关联度的计算；S214、将步骤S213得到的灰色关联度按照从小到大的顺序依次排列并进行方差分析，得到灰色关联度的方差分析表、灰色关联度的响应表以及灰色关联度的主效应图；再从所述灰色关联度的主效应图中找到三个所述待优化参数最大者的组合，作...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨林，于天彪，张超，赵雨，孙佳钰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21