一种研究激光金属成形自愈合能力的实验方法技术

本发明专利技术公开了一种研究激光金属成形自愈合能力的实验方法，该实验方法是在开环控制条件下通过正交实验方法，在具有“凸起”特征的基板上，采用激光金属直接成形多组单道薄壁试样，分析工艺参数对试样尺寸的影响规律，探寻主要影响因素以指导制定合理成形工艺，提高成形精度。本发明专利技术的创新点在于，通过试验方法研究不同工艺参数对激光金属成形自愈合能力的影响规律，指导制定优化工艺参数组合，并且定量分析不同材料在激光金属成形中形貌自愈合能力范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为，适合于激光金属直接成形制造、激光表面熔覆和易损零部件的激光表面修复等制造领域。
技术介绍
激光金属成形技术是在激光熔覆基础上，结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。与一般的快速成形技术相比，激光金属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；能够制造完全致密和力学性能优异的零件。由于具有以上优点，激光金属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、汽车摩托、能动和武器装备等领域得到广泛应用。然而，在成形中由于工艺条件复杂，成形过程受很多因素的影响， 而这些因素将直接影响激光金属成形的精度和质量，因此合理的工艺参数组合是提高成形精度的关键因素。
技术实现思路
本专利技术要解决激光金属成形过程中工艺参数优化问题，提供一种实验方法，进而指导制定合理的工艺参数组合。，实验设备包括Nd:YAG激光器、三轴联动工作台、送粉器、同轴送粉喷嘴及辅助装置等组成。利用美国Faro P12-7关节激光扫描测量仪测量试件尺寸。本专利技术的具体技术方案是，按照如下步骤(1)设计正交实验表；(2)在基板上成形凸起缺陷；(3)根据正交实验表进行实验；(4)测量成形件轮廓尺寸；(5)根据测量结果计算最大愈合高度与愈合速率；(6)分析实验结果得出优化工艺方案；(7)验证优化工艺方案。所述步骤(1)是指选取扫描速度、激光功率和送粉量三个工艺参数为影响因素， 设计正交实验表。首先沿基板X方向采用激光金属成形10组不同熔覆层数的凸起熔覆道，熔覆层数由一层开始依次递增一层，熔覆道长度为90mm，熔覆道间距6mm。所述步骤(3)是指根据正交试验表组织实验，实验组数由具体选用的正交实验而定。每组实验沿基板Y方向成形10组不同熔覆层数熔覆道，熔覆层数由五层开始依次递增五层，长度为70mm熔覆道间距3mm ；Y方向与X方向垂直。所述步骤(4)是指试验后采用美国Faro P12-7关节激光扫描测量系统测量不同工艺条件下成形的薄壁试件轮廓尺寸。本专利技术的实验方法是首先在工艺参数恒定的条件下，首先沿基板X方向采用激光金属成形10组不同熔覆层数的凸起熔覆道，熔覆层数由一层开始依次递增一层，长度为 90mm，熔覆道间距6mm，如图2(a)所示。为了分析形貌自愈合能力及影响因素，选用正交实验进行优化试验，具体实验组数由选用的正交实验而定。每组实验沿基板Y方向(与凸起垂直方向)成形10组不同熔覆层数熔覆道，熔覆层数由五层开始依次递增五层，长度为70mm 熔覆道间距3mm，如图2(b)所示。每个基板上完成三组实验。试验后采用美国FaroP12_7 关节激光扫描测量系统测量不同工艺条件下成形的薄壁试件尺寸，并计算在凸起处顶端表面波峰与两侧波谷之间的最大差值。因为薄壁试件的熔覆高度差已经超出粗糙度测量范围，所以用表面平整度变化来衡量形貌自愈合能力的大小。以最大愈合高度和愈合速率为参考指标，通过正交实验直观分析法，来评价不同工艺参数对激光金属成形影响规律，制定合理的优化工艺参数组合并通过实验加以验证。附图说明图1是研究激光金属成形自愈合能力的实验流程图；图2是研究激光金属成形自愈合能力的实验示意图；其中(a)立体图、(b)横截面图；图3不同工艺参数下LMDF工艺成形试样示意图；图4试样轮廓曲线扫描结果示意图；图5正交试验结果示意图；(a)最大愈合高度；(b)实现愈合时愈合速率；图6不同工艺参数对形貌自愈合能力的影响规律示意图；(a)因素水平与最大愈合高度关系，(b)因素水平与实现愈合时愈合速率关系。1为工作台、2为基板、3为激光熔池、4为粉末流、5为同轴送粉喷嘴、6为激光束、 7为人为制作凸起、8为工作台运动方向、9为熔覆层、10为人为制作凸起、11为工作台运动方向。具体实施例方式实施案例1 1、激光直接成形薄壁零件选用材料实验中使用的金属粉末与基板材料均为 316L不锈钢，粉末粒度30 45 μ m，基板几何尺寸140mm X 70mm X 10mm。正交实验参数如表 1所示。2、选用L9 (43)正交实验表进行本次试验，实验后9组试样实物如图3所示，三维测量仪测得数据如图4所示。根据测量结果计算每组试样最大愈合高度与愈合速率，结果如 5所示。对图5中正交实验结果进行极差直观分析，亦可以准确得出不同工艺参数对形貌自愈合能力的影响规律如图6所示。从图6(a)，(b)中看出三个工艺参数与形貌自愈合能力之间关系最大愈合高度激光功率极差0.观，扫描速度极差0. 93，送粉量极差0. 16 ；实现愈合时愈合速率激光功率极差0. 0023，扫描速度极差0. 0167，送粉量极差0. 0019。无论是最大愈合高度还是实现愈合时愈合速率，扫描速度的极差最大是影响最大的因素，激光功率极差次之，送粉量最小。因此不同因素影响由大到小依次为扫描速度>激光功率> 送粉量。综合考虑最大愈合高度与愈合速率影响因素，得出优化工艺参数组合即激光功率 MOw、扫描速度6mm/s和送粉量7. Og/min,也就是第六组试样工艺参数组合，从第六组实物图和轮廓信息图可以直观的看出其成形质量较好。 表1正交实验顺序及工艺参数范围权利要求1.，其特征在于，按照如下步骤(1)设计正交实验表；(2)在基板上成形凸起缺陷；(3)根据正交实验表进行实验；(4)测量成形件轮廓尺寸；(5)根据测量结果计算最大愈合高度与愈合速率；(6)分析实验结果得出优化工艺方案；(7)验证优化工艺方案。2.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤(1)是指选取扫描速度、激光功率和送粉量三个工艺参数为影响因素，设计正交实验表。3.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤(2)是指，首先沿基板X方向采用激光金属成形10组不同熔覆层数的凸起熔覆道，熔覆层数由一层开始依次递增一层， 熔覆道长度为90mm，熔覆道间距6mm。4.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤(3)是指根据正交试验表组织实验，实验组数由具体选用的正交实验而定。每组实验沿基板Y方向成形10组不同熔覆层数熔覆道，熔覆层数由五层开始依次递增五层，长度为70mm熔覆道间距3mm ；Y方向与X 方向垂直。5.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤(4)是指试验后采用美国 Faro P12-7关节激光扫描测量系统测量不同工艺条件下成形的薄壁试件轮廓尺寸。全文摘要本专利技术公开了，该实验方法是在开环控制条件下通过正交实验方法，在具有“凸起”特征的基板上，采用激光金属直接成形多组单道薄壁试样，分析工艺参数对试样尺寸的影响规律，探寻主要影响因素以指导制定合理成形工艺，提高成形精度。本专利技术的创新点在于，通过试验方法研究不同工艺参数对激光金属成形自愈合能力的影响规律，指导制定优化工艺参数组合，并且定量分析不同材料在激光金属成形中形貌自愈合能力范围。文档编号B23K26/34GK102240853SQ201110133998公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月24日 优先权日2本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种研究激光金属成形自愈合能力的实验方法，其特征在于，按照如下步骤：（１）设计正交实验表；（２）在基板上成形凸起缺陷；（３）根据正交实验表进行实验；（４）测量成形件轮廓尺寸；（５）根据测量结果计算最大愈合高度与愈合速率；（６）分析实验结果得出优化工艺方案；（７）验证优化工艺方案。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李涤尘，张安峰，鲁中良，杨小虎，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，西安瑞特快速制造工程研究有限公司，
类型：发明
国别省市：87