一种立面激光熔覆加工在线调控方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种立面激光熔覆加工在线调控方法及系统，方法包括：获取激光光束和送粉粉末流的特征数据；对激光光束和送粉粉末流的特征信数据进行处理，将处理后的数据反馈至调控模型中，得到能够使激光光斑和送粉粉斑在工件处重合的送粉气体流量；以调节成分后的涂层粉末作为激光熔覆送粉粉末，控制激光熔覆装置采用包括所述送粉气体流量在内的激光熔覆工艺对工件进行激光熔覆。本发明专利技术解决了立面熔覆或工件结构复杂性较高时光粉汇聚差导致缺陷的问题，提高了激光熔覆质量和加工效率。提高了激光熔覆质量和加工效率。提高了激光熔覆质量和加工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种立面激光熔覆加工在线调控方法及系统


[0001]本专利技术属于激光熔覆
，具体涉及一种立面激光熔覆加工在线调控方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，工程机械一些大型工件表面需要激光熔覆功能涂层，如连接轴、伸缩筒、活塞杆、大型风电叶片等，现有技术为卧式熔覆，但是卧式熔覆有以下缺点：大型工件吊装和卧式装夹比较麻烦，效率低下；同时，涂层后处理车削、抛光工艺加工多为立式加工，卧式与立式后处理加工装夹基准不一样，需要多次装夹和转运，造成加工误差。此外，工程机械模具等复杂型面工件激光熔覆，熔覆工艺需采用离线编程，熔覆过程中需要频繁大角度改变熔覆枪的姿态，亟需设计需要在立面或复杂曲面进行激光熔覆。
[0003]激光熔覆是将激光束聚焦光斑照射在工件表面，将熔覆材料以粉斑形式输送至光斑内，以实现熔覆过程，平面状态下容易实现熔覆材料粉斑与激光光斑的精确耦合。而工件立面激光熔覆过程中，存在激光束和粉末流不能有效汇聚在一点的难题，这是因为光沿直线传播，而粉末由于重力作用，粉末流做抛物线运动，如图1和图2所示，而一旦激光束与送粉粉末流产成了较大的偏差，会有杂粉落在工件表面，影响工件平整度，甚至有可能导致粉末熔化不彻底，造成工件表面涂层形成夹杂、孔洞和裂纹等熔覆缺陷。因此，如何调整粉末流位置，达到与激光束良好的耦合状态，成为提高熔覆质量的关键问题。
[0004]现有技术CN202211221303.7
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一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，该专利技术提供一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，为适时改变激光聚焦光斑大小，设有依次相连的光纤连接器、光纤水冷模块、准直镜模块、聚焦镜模块、保护镜模块、光轴调节模块、Z轴调节模块和环形送粉系统，光轴调节模块和保护镜模块，可实现激光焦点的微调和精密光学部件的保护，但是光轴调节和保护镜片调节较复杂。
[0005]现有技术CN201611217009.3
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一种变斑激光熔覆装置，该专利技术公开了一种变斑激光熔覆装置，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；其可调变光斑镜组包括自适应反射镜和聚焦镜；其中自适应反射镜可以连续改变表面曲率从而改变输出光斑大小，可调变粉斑激光喷头则用于配合自适应反射镜输出的光斑大小以不同半径的输出管道进行粉末输送，从而实现可调变斑熔覆，其实际操作较复杂，加工效率低。
[0006]现有技术CN201610824872.9
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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，但是该方法未考虑超高速激光熔覆粉末在熔覆立面工件时，粉末与光斑之间的偏移量，会造成涂层缺陷。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种立面激光熔覆加工在线调控方法及系统，解决了立面熔覆或工件结构复杂性较高时光粉汇聚差导致缺陷的问题，提高了激光熔覆质量和加工效率。
[0008]本专利技术提供了如下的技术方案：
[0009]第一方面，提供一种立面激光熔覆加工在线调控方法，包括：
[0010]获取激光光束和送粉粉末流的特征数据；
[0011]对激光光束和送粉粉末流的特征信数据进行处理，将处理后的数据反馈至调控模型中，得到能够使激光光斑和送粉粉斑在工件处重合的送粉气体流量；
[0012]以调节成分后的涂层粉末作为激光熔覆送粉粉末，控制激光熔覆装置采用包括所述送粉气体流量在内的激光熔覆工艺对工件进行激光熔覆。
[0013]进一步的，所述激光光束和送粉粉末流的特征数据包括：送粉管的出口O、送粉粉末流按抛物线运动后与工件竖直面的交点P1、OP1所在直线与工件竖直面的夹角α、送粉管的延长线与工件竖直面的夹角θ。
[0014]进一步的，当θ＜α，即激光光斑在送粉管延长线与工件竖直面交点的上方时，送粉气体流量为0；当θ＞α，即激光光斑在送粉管延长线与工件竖直面交点的下方时，将对激光光束和送粉粉末流的特征信数据处理后的数据反馈至调控模型中，计算得到送粉气体流量。
[0015]进一步的，所述调控模型为根据Fluet仿真离散相仿真和PIV粒子图像测速技术得到的送粉速度v与送粉气体流量Q的关系模型，具体为：
[0016]v＝k*Q
n
+b
[0017]式中，k为系数，b为常数。
[0018]进一步的，所述送粉速度v的计算方法包括：
[0019]送粉管的出口O至工件竖直面的水平方向位移S和竖直方向位移H分别为：
[0020]S＝vtsinθ
[0021]H＝vtcosθ+0.5gt2[0022]式中，t为任意一个送粉时间段，θ为送粉管的延长线与工件竖直面的夹角；
[0023]送粉粉末流按抛物线运动后与工件竖直面的交点P1，送粉管的出口O至工件竖直面的垂线与工件竖直面的交点为P3，则在三角形OP1P3中，存在几何关系：
[0024]H＝hcosα
[0025]S＝hsinα
[0026]式中，α为OP1所在直线与工件竖直面的夹角，h为OP1间的距离；
[0027]故hcos＝vtcosθ+0.5gt2，hsinα＝vtsinθ；
[0028]计算得到：
[0029][0030]进一步的，调节涂层粉末成分以获得激光熔覆送粉粉末的方法包括：
[0031]测定现有涂层粉末的元素成分；
[0032]根据现有涂层粉末的元素成分计算铬当量和镍当量，并在舍弗勒组织图找到相应位置；
[0033]在维持耐点蚀当量和碳当量稳定的条件下，根据激光熔覆层的硬度需求，改变铬元素和钼元素的含量以调节涂层涂层粉末成分，得到激光熔覆送粉粉末。
[0034]进一步的，铬当量Cr
eq
和镍当量Ni
eq
的计算公式分别为：
[0035]Cr
eq
＝Cr％+Mo％+1.5Si％+0.5Nb％；
[0036]Ni
eq
＝Ni％+30C％+30N％+0.5Mn％+0.25Cu％。
[0037]进一步的，耐点蚀当量PREN和碳当量C
eq
的计算公式分别为：
[0038]PREN＝Cr％+3.3Mo％+16N％
‑
Mn％；
[0039]C
eq
＝C％+Mn％/6+(Cr％+Mo％+V％)/5+(Cu％+Ni％)/15。
[0040]进一步的，还包括：激光熔覆完成后，在同一车床或转台上进行立式车削加工、抛光。
[0041]第二方面，提供一种立面激光熔覆加工在线调控系统，包括：
[0042]数据获取模块，用于获取激光光束和送粉粉末流的特征数据；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种立面激光熔覆加工在线调控方法，其特征在于，包括：获取激光光束和送粉粉末流的特征数据；对激光光束和送粉粉末流的特征信数据进行处理，将处理后的数据反馈至调控模型中，得到能够使激光光斑和送粉粉斑在工件处重合的送粉气体流量；以调节成分后的涂层粉末作为激光熔覆送粉粉末，控制激光熔覆装置采用包括所述送粉气体流量在内的激光熔覆工艺对工件进行激光熔覆。2.根据权利要求1所述的立面激光熔覆加工在线调控方法，其特征在于，所述激光光束和送粉粉末流的特征数据包括：送粉管的出口O、送粉粉末流按抛物线运动后与工件竖直面的交点P1、OP1所在直线与工件竖直面的夹角α、送粉管的延长线与工件竖直面的夹角θ。3.根据权利要求2所述的立面激光熔覆加工在线调控方法，其特征在于，当θ＜α，即激光光斑在送粉管延长线与工件竖直面交点的上方时，送粉气体流量为0；当θ＞α，即激光光斑在送粉管延长线与工件竖直面交点的下方时，将对激光光束和送粉粉末流的特征信数据处理后的数据反馈至调控模型中，计算得到送粉气体流量。4.根据权利要求1所述的立面激光熔覆加工在线调控方法，其特征在于，所述调控模型为根据Fluet仿真离散相仿真和PIV粒子图像测速技术得到的送粉速度v与送粉气体流量Q的关系模型，具体为：v＝k*Q
n
+b式中，k为系数，b为常数。5.根据权利要求4所述的立面激光熔覆加工在线调控方法，其特征在于，所述送粉速度v的计算方法包括：送粉管的出口O至工件竖直面的水平方向位移S和竖直方向位移H分别为：S＝vtsinθH＝vtcosθ+0.5gt2式中，t为任意一个送粉时间段，θ为送粉管的延长线与工件竖直面的夹角；送粉粉末流按抛物线运动后与工件竖直面的交点P1，送粉管的出口O至工件竖直面的垂线与工件竖直面的交点为P3，则在三角形OP1P3中，存在几何关系：H＝hcosαS＝hsinα式中，α为OP1所在直线与工件竖直面的夹角，h为OP1间的距离；故hcos＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：员霄，陈新春，陆智俊，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：