本发明专利技术涉及一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线及其建模方法，熔覆层截面轮廓曲线方程为，x∈[‑wc/2，wc/2]，y是坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。曲线方程的建模方法为，进行宽带激光熔覆选择性全因素试验获得工艺参数的优选范围，进行中心复合设计试验，截取熔覆层截面试样，测绘熔覆层截面几何尺寸，建立熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的定量描述关系式，推导熔覆层截面轮廓曲线方程，验证熔覆层截面轮廓曲线方程。该曲线可为激光熔覆应用中的分层切片和轨迹规划提供数据支持，该建模方法简单、可操作性强、准确性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光熔覆
，具体涉及一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线及其建模方法。
技术介绍
激光熔覆是一种先进的表面处理技术，其原理是利用激光对合金粉末与基体表面进行辐照使之熔化，并快速凝固后形成冶金结合良好的涂层，以提高基体材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性能，与传统表面处理工艺如热喷涂、电弧堆焊、等离子喷涂等相比，激光熔覆具有热影响区小、变形小、稀释率低和区域可控等诸多优点，广泛应用于汽轮机叶片、曲轴、机床主轴等零部件的再制造修复。在激光熔覆的实际应用场合，需要做大量工艺试验，确定合适的工艺参数，以提高激光熔覆的效率。单道熔覆层是激光熔覆中重要的研究对象，其关键几何参数包括熔覆层高度、熔覆层宽度、沉积角等，这些参数是后续分层切片和多道熔覆时选择搭接率的基础，对于任意一种工艺参数组合，单道熔覆层的几何参数都不相同，如果每种工艺参数组合都进行工艺试验，则大大增加生产成本和人力成本，因此亟需通过少量工艺试验建立熔覆层截面关键几何参数与工艺参数之间的定量关系式，进而构建熔覆层截面轮廓曲线的表达式，为激光熔覆的实际应用提供技术支持。
技术实现思路
本专利技术提出了一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线及其建模方法，该曲线是在少量的工艺试验中通过总结得到的，该曲线的建模方法简单、可操作性强、准确性高，可以节约企业生产成本，可为激光熔覆应用中的分层切片和轨迹规划提供数据支持。本专利技术所采用的技术方案是：一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线，熔覆层截面是指激光熔覆中形成的与激光运动方向垂直的单道熔覆层横截面，熔覆层截面轮廓曲线方程为，x∈[-wc/2，wc/2]其中，y是熔覆层截面轮廓曲线在坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。一种建立上述熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，包括以下步骤：S1.进行宽带激光熔覆选择性全因素试验获得工艺参数的优选范围，根据工艺条件选择关键工艺参数激光功率P、粉末层厚度T、扫描速度V作为影响因素，工艺参数的范围根据选择性全因素试验结果进行选择，其中，选择性全因素试验是指在试验过程中对能够预见试验结果的工艺参数组合进行取舍，避免不必要的试验。S2.进行中心复合设计试验，根据优选的工艺参数范围设计中心复合设计试验，采用外切中心复合设计方法设计试验矩阵并进行工艺试验。S3.截取熔覆层截面试样，测绘熔覆层截面几何尺寸，几何尺寸包括熔覆层高度、熔覆层宽度和沉积角。S4.建立熔覆层几何尺寸与工艺参数的定量描述关系式，采用二次回归方法获得熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的关系，二次回归方程如下，式中，wc(P，V，T)、hc(P，V，T)和θ(P，V，T)分别为熔覆层宽度、熔覆层高度和沉积角，α0、β0、γ0是二次回归方程的常数项，αi、βi、γi是二次回归方程的一次项，αii、βii、γii是二次回归方程的交互项，αij、βij、γij是二次回归方程的二次项，k＝3，ε是误差项，i、j＝1时，xi＝P，i、j＝2时，xi＝V，i、j＝3时，xi＝T。S5.推导熔覆层截面轮廓曲线方程，方程如下，x∈[-wc/2，wc/2]式中，y是熔覆层截面轮廓曲线在坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。S6.验证熔覆层截面轮廓曲线方程，在工艺参数优选范围内随机选择一组工艺参数重复步骤S3，将获得的参数代入熔覆层截面轮廓曲线，对比曲线方程和实际截面轮廓的误差，验证曲线方程的准确性。本专利技术的有益效果是：该曲线是在少量的工艺试验中通过总结得到的，该曲线的建模方法简单、可操作性强、准确性高，可以节约企业生产成本，可为激光熔覆应用中的分层切片和轨迹规划提供数据支持；通过试验设计进行工艺试验，获得熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的关系，实现熔覆层截面关键几何参数的定量描述；构建了描述截面轮廓的曲线方程，可用于指导激光熔覆的实际生产，节约试验成本；本专利技术提出的曲线建模方法通用性强，特别适合于宽带激光熔覆领域。附图说明图1是激光熔覆中形成的与激光运动方向垂直的单道熔覆层横截面图。图2是V＝3mm/s时选择性全因素试验结果图。图3是V＝5mm/s时选择性全因素试验结果图。图4是V＝7mm/s时选择性全因素试验结果图。图5是V＝9mm/s时选择性全因素试验结果图。图6是中心复合设计因素及其水平。图7是中心复合设计试验矩阵。图8是熔覆层截面轮廓计算值与测量值对比结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线，熔覆层截面是指激光熔覆中形成的与激光运动方向垂直的单道熔覆层横截面，熔覆层截面轮廓曲线方程为，x∈[-wc/2，wc/2]其中，y是熔覆层截面轮廓曲线在坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。一种建立上述熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，包括以下步骤：S1.进行宽带激光熔覆选择性全因素试验获得工艺参数的优选范围(选择性全因素试验是指在试验过程中对能够预见试验结果的工艺参数组合进行取舍，避免不必要的试验)，本实施例采用45#钢作为熔覆基体，选用Ni60合金粉末作用熔覆材料，铺粉方式为预置粉末法，选择工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V作为影响因素，根据采用的工艺设备选择工艺参数的初始范围，其中激光功率P的初始范围为1.2～3.0kW，粉末层厚度T的初始范围为0.5～2.0mm，扫描速度V的初始范围为3.0～9.0mm/s，激光熔覆形成的单道熔覆层表面形貌如图2～5所示，根据如图2～5所示的试验结果优选工艺参数范围为：P＝2.2～2.8kW，T＝0.5～1.5mm，V＝3～5mm/s。S2.进行中心复合设计试验，根据优选的工艺参数范围设计中心复合设计试验，采用外切中心复合设计方法设计试验矩阵并进行工艺试验，设计因素及其水平和设计矩阵分别如图6和图7所示。S3.截取熔覆层截面试样，测绘熔覆层截面几何尺寸，几何尺寸包括熔覆层高度、熔覆层宽度和沉积角，测量结果显示于图7中。S4.建立熔覆层几何尺寸与工艺参数的定量描述关系式，采用二次回归方法获得熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的关系，本实施例中熔覆层宽度、熔覆层高度和沉积角的二次回归方程如下：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×V2hc(P，V，T)＝-0.728-0.054×P+1.546×T+0.398×V-0.340×P×T-0.143×本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线，其特征在于：熔覆层截面是指激光熔覆中形成的与激光运动方向垂直的单道熔覆层横截面，熔覆层截面轮廓曲线方程为，y=hc-0.5×wc/sinθ+(0.5×wc/sinθ)2-x2,x∈[-wc/2,wc/2]]]>其中，y是熔覆层截面轮廓曲线在坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。
【技术特征摘要】
1.一种宽带激光作用下熔覆层截面轮廓曲线，其特征在于：熔覆层截面是指激光熔覆中形成的与激光运动方向垂直的单道熔覆层横截面，熔覆层截面轮廓曲线方程为，y=hc-0.5×wc/sinθ+(0.5×wc/sinθ)2-x2,x∈[-wc/2,wc/2]]]>其中，y是熔覆层截面轮廓曲线在坐标系XOY中的纵坐标、x是横坐标、hc是熔覆层高度、wc是熔覆层宽度、θ是沉积角，XOY坐标系以熔覆层底部中心为圆形O、熔覆层宽度方向为X轴、熔覆层高度方向为Y轴，hc、wc和θ均可描述为工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V的函数。2.一种建立上述熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：包括以下步骤，S1.进行宽带激光熔覆选择性全因素试验获得工艺参数的优选范围；S2.进行中心复合设计试验；S3.截取熔覆层截面试样，测绘熔覆层截面几何尺寸；S4.建立熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的定量描述关系式；S5.推导熔覆层截面轮廓曲线方程；S6.验证熔覆层截面轮廓曲线方程。3.如权利要求2所述的熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：在S1中，在试验过程中对能够预见试验结果的工艺参数组合进行取舍。4.如权利要求2所述的熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：在S1中，根据试验条件选择工艺参数激光功率P、粉末层厚度T和扫描速度V作为影响因素，工艺参数的范围根据选择性全因素试验结果进行选择。5.如权利要求2所述的熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：在S2中，根据优选的工艺参数范围设计中心复合设计试验，采用外切中心复合设计方法设计试验矩阵并进行工艺试验。6.如权利要求2所述的熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：在S3中，熔覆层截面几何尺寸包括熔覆层高度、熔覆层宽度和沉积角。7.如权利要求2所述的熔覆层截面轮廓曲线方程的建模方法，其特征在于：在S4中，采用二次回归方法获得熔覆层截面几何尺寸与工艺参数的关系，二次回归方程如下，wc(P,V,T)=α0+Σi=...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦训鹏，刘华明，华林，胡泽启，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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