一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法，先进行熔覆测试，获得不同工艺参数下的单道熔覆层截面宽、高数据，拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数，建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系；然后构建对应于同一提升量的阶梯形单道，据此确定激光变斑熔覆单道的工艺参数，通过激光变斑直接成形熔覆出高度平整的熔覆层；完成一层熔覆后，提升喷嘴一个分层高度，再采用阶梯形单道熔覆新的熔道，如此循环，直至三维零件制造完成。本发明专利技术获得了高度平整的熔覆层，避免了熔覆层顶部不平整及宽高比小的部位被拉裂的现象，提高了成形精度，保证了成形质量。

【技术实现步骤摘要】
一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法
本专利技术涉及一种激光直接成形方法，具体涉及一种提高通过激光变斑直接成形不等宽构件时的成形精度的方法。
技术介绍
激光金属直接成形技术是在激光熔覆基础上，融合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。以“离散－堆积”成形原理为基础，首先建立加工零件的三维CAD模型，然后将三维模型划分成一系列的二维平面，并根据二维平面轮廓规划合理的激光扫描路径，进而转化为数控工作台的运行指令，最终实现金属零件的直接成形。与一般的快速成型技术相比，激光金属直接成形技术能够快速制造出传统工艺方法难以制造的复杂金属零件；实现功能梯度材料的制造；能够制造全致密及力学性能优异的零件。由于具有以上优点，激光金属直接成形技术逐渐成为快速成形技术研究的热点和发展趋势，并在航空航天、汽车船舶和武器装备等制造领域具有广泛应用。不等宽构件由于成形宽度随扫描路径变化，现有技术中通常是通过多道搭接及规划扫描路径的方式堆积成形。不等宽构件应用广泛，例如，在航空、航天等国防领域中，大型变壁厚薄壁零件占据着重要的地位，涡轮叶片是最具代表性的零件之一。为更好的解决叶片承温能力，进一步提高叶片的冷却效率，其设计的结构日益复杂，壁厚逐渐变薄，使得其制造技术面临很大的挑战。为实现这类不等宽构件的成形，采用激光成形多道搭接方法时，搭接率的大小直接影响成形表面宏观平整度。如果搭接率选择的不合理，其成形表面的尺寸精度将很难保证，严重时甚至会导致成形无法进行，且多道搭接易造成熔覆层冷却不均匀引起能量累积，而导致熔覆层开裂等缺陷的产生。同时，多道搭接时的扫描路径规划问题也是激光直接成形中的关键步骤，直接影响着零件的成形效率和成形质量。扫描路径规划不合理不仅会造成效率低下，更会引起内部热应力分布不均，直接影响熔覆层的微观组织及力学性能。为解决多道搭接产生的缺陷问题，中国专利技术专利申请CN103231056A公开了一种不等宽构件的激光直接成形方法，根据加工部位的宽度确定熔道尺寸，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸调节激光光斑的大小，并根据已知的熔道尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，一次扫描直接成形出一层不等宽熔道。但是，在实际使用中发现，采用该方法获得的熔覆层顶部不平整。专利技术人对此进行研究，发现，在激光变斑过程中，激光的离焦光强分布如附图1所示，虽然通过工艺参数实时变化，能够达到熔覆层高度一致、宽度逐渐变化的目的，如附图2所示，但是由于离焦造成的光强分布变化，会造成熔覆层截面曲线的阶数发生变化，或者说随宽度/宽高比（宽度与高度比值）逐渐变化，熔覆层截面曲线的阶数发生变化。如附图3所示，在同一提升量下，熔覆层宽度较宽部位生长速度快，较窄部位生长速度慢，图中w2＞w1；h2＞h1。随着堆积层数增加，熔覆层生长高度并不一致，宽高比大的部位增长速度会明显大于宽高比小的部位，造成熔覆层顶部不平整，严重时会出现宽高比小的部位被拉裂现象，进而导致熔覆层无法成形。因此，有必要对不等宽构件的激光直接成形方法进行改进，以提高成形精度，解决现有技术中的上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法，解决在激光变斑直接成形过程中随堆积层增加熔覆层生长高度不一致的问题，从而提高成形精度，保证成形质量。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法，包括以下步骤：(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；(2)控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，在激光变斑的过程中同时调节激光功率、扫描速度及送粉量进行单道熔覆，测量获得不同工艺参数下的单道熔覆层截面宽、高数据，拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数；(3)根据步骤(2)获得的拟合数据，依据多层堆积熔覆层顶部平整为条件，建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系；(4)对于待熔覆的层，依据宽高比及阶数，利用步骤(3)获得的函数关系设计出不同宽高比下熔覆层的高度，构建对应于同一提升量的阶梯形单道，以所述阶梯式单道作为待熔覆的层确定激光变斑熔覆单道的工艺参数，根据获得的工艺参数控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，同时调节激光功率、扫描速度及送粉量，熔覆出高度平整的熔覆层；(5)完成一层熔覆后，提升喷嘴一个分层高度，在已经熔覆层上面按照步骤(4)再熔覆新的熔道，如此循环，直至三维零件制造完成。上述技术方案中，激光光斑的大小通过离焦方式调节。或者，激光光斑的大小通过光束变换方式实现。上述技术方案中，通过采用实时可控的送粉器实现连续变化送粉量的目的。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：1、本专利技术通过实验拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数，进而建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系，在此基础上，创造性地提出了构建阶梯式单道，通过熔覆阶梯式单道而不是常规的平面单道，对熔覆层的生长起到了补偿作用，从而获得了高度平整的熔覆层。2、本专利技术通过构建阶梯式单道的方式进行变光斑单道熔覆，解决了在激光变斑直接成形过程中随堆积层增加熔覆层生长高度不一致的问题，避免了熔覆层顶部不平整及宽高比小的部位被拉裂的现象，提高了成形精度，保证了成形质量。附图说明图1是激光离焦光强分布示意图；图2是变光斑熔覆层截面几何形貌示意图；图3是同一提升量下熔覆层横截面形貌示意图；图4是本专利技术实施例中激光变斑直接成形的工作原理示意图；图5是实施例中激光变斑设计的阶梯形单道示意图；图6是采用图5的设计单道生长获得的理想熔覆层横截面形貌示意图；图7是实施例中激光变斑阶梯形单道参数调整图；图8是采用现有技术成形的薄壁叶片样件示意图；图9是实施例获得的薄壁叶片样件示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：实施例一：参见附图4所示，为激光变斑直接成形的工作原理示意图。基于激光变斑直接成形，本实施例提供了一种提高不等宽构件精度的方法，包括以下步骤：(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；(2)参见附图6所示，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，在激光变斑的过程中同时调节激光功率、扫描速度及送粉量进行单道熔覆，测量获得不同工艺参数下的单道熔覆层截面宽、高数据，拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数；(3)根据步骤(2)获得的拟合数据，依据多层堆积熔覆层顶部平整为条件，建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系；(4)对于待熔覆的层，依据宽高比及阶数，利用步骤(3)获得的函数关系设计出不同宽高比下熔覆层的高度，构建对应于同一提升量的阶梯形单道，附图5是阶梯形单道的示意图，设计的熔覆层横截面中，w2＞w1；h2＜h1；以所述阶梯式单道作为待熔覆的层确定激光变斑熔覆单道的工艺参数，根据获得的工艺参数控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，同时调节激光功率、扫描速度及送粉量，熔覆出高度平整的熔覆层；由于阶梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法，包括以下步骤：(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；(2)控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，在激光变斑的过程中同时调节激光功率、扫描速度及送粉量进行单道熔覆，测量获得不同工艺参数下的单道熔覆层截面宽、高数据，拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数；(3)根据步骤(2)获得的拟合数据，依据多层堆积熔覆层顶部平整为条件，建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系；(4)对于待熔覆的层，依据宽高比及阶数，利用步骤(3)获得的函数关系设计出不同宽高比下熔覆层的高度，构建对应于同一提升量的阶梯形单道，以所述阶梯式单道作为待熔覆的层确定激光变斑熔覆单道的工艺参数，根据获得的工艺参数控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，同时调节激光功率、扫描速度及送粉量，熔覆出高度平整的熔覆层；(5)完成一层熔覆后，提升喷嘴一个分层高度，在已经熔覆层上面按照步骤(4)再熔覆新的熔道，如此循环，直至三维零件制造完成。

【技术特征摘要】
1.一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法，包括以下步骤：(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；(2)控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸对激光光斑的大小进行实时连续调节，在激光变斑的过程中同时调节激光功率、扫描速度及送粉量进行单道熔覆，测量获得不同工艺参数下的单道熔覆层截面宽、高数据，拟合出不同宽高比下熔覆层截面曲线的阶数；(3)根据步骤(2)获得的拟合数据，依据多层堆积熔覆层顶部平整为条件，建立不同宽高熔覆层截面曲线的阶数与单层熔覆层高度、提升量的函数关系；(4)对于待熔覆的层，依据宽高比及阶数，利用步骤(3)获得的函数关系设计出不同宽高比...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱刚贤，陆斌，石世宏，傅戈雁，吴继琸，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32