立面激光熔覆成形工艺中成形件表面平整度的控制方法与流程

本发明涉及一种立面激光熔覆成形工艺中成形件表面平整度的控制方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术：

激光快速成形是近年来发展起来的一项先进制造技术，成为了激光熔覆技术领域的一个研究热点。激光熔覆快速成形的原理是：在CAD/CAM软件的支持下绘制出零件的实体模型并将实体模型进行分层，得到每一层截面的几何信息并将其转换为机床的运动轨迹信息。在熔覆成形时，激光束照射在基体表面并形成熔池，熔覆材料通过送粉器不断输送到熔池中并快速熔化凝固形成熔覆层，在给定的扫描轨迹下不断运动，最终得到实体金属零件。由以上原理可知，熔覆成形过程是将实体零件分层，则零件实为每一层熔覆层的叠加效果，所以每一层单道熔覆层的质量决定了最终成形零件的质量。

在激光熔覆过程中，单道熔覆层的表面平整度非常重要，对于激光快速成形，直接影响最终成形实体的精度；对于激光表面熔覆，会影响零件的最终性能。目前的主要研究集中在不同工艺参数对单道熔覆层高度和宽度的影响，也有部分研究集中在不同工艺参数对单道熔覆层宽高比的影响，进而研究宽高比对最终熔覆层表面形貌的影响。目前国内外研究学者对激光工艺参数直接影响熔覆层表面平整度的研究较少，缺乏系统的理论研究。

因此，本发明将对不同工艺参数对熔覆层表面平整度的影响进行研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于立面激光熔覆成形工艺中的关于成形件表面平整度的控制方法，且主要研究了送粉量、激光功率及扫描速度对成形件表面平整度的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种立面激光熔覆成形工艺中成形件表面平整度的控制方法，主要包括以下步骤：

A、定义熔覆层的表面平整度值为S＝h_max-h_min，h_max为熔覆层最高点距基体表面的高度，h_min为熔覆层最低点距基体表面的高度；

B、定义熔覆层的表面波动系数为Wa＝S/h_max；

C、保持激光功率、扫描速度不变，在不同送粉量下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定送粉量的取值范围；

D、保持送粉量、扫描速度不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定激光功率的取值范围；

E、保持送粉量、激光功率不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；

F、选出最佳匹配的送粉量、激光功率、扫描速度，以使得熔覆层的表面平整度值最小，表面波动系数也最小。

进一步地，熔覆过程中，送粉量的计算公式为式中t为熔覆时间，v为粉末的运动速度，S为粉管的横截面积，ρ为密度，a为粉末的浓度。

进一步地，C步骤中送粉量的取值范围为6g/min～7g/min。

进一步地，D步骤中激光功率的取值范围为500W～600W。

进一步地，E步骤中扫描速度的取值范围为>7mm/s。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种应用于立面激光熔覆成形工艺中的关于成形件表面平整度的控制方法，且主要研究了送粉量、激光功率及扫描速度对成形件表面平整度的影响，继而找出将表面平整度控制为最小状态下的各送粉量、激光功率及扫描速度的较佳取值范围。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的立面激光熔覆成形工艺中成形件表面平整度的控制方法流程图。

图2为熔道的表面波动示意图。

图3为表面平整度值和表面波动系数随送粉量变化的曲线图。

图4为表面平整度值和表面波动系数随激光功率变化的曲线图。

图5为表面平整度值和表面波动系数随扫描速度变化的曲线图。

图6为优选工艺参数下立面单道熔覆层的搭接形貌。

图7为实体堆积时的扫描路径。

图8为优选工艺参数下堆积完成的成形实体图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明是对立面激光熔覆成形技术进行的研究，且主要研究了送粉量、激光功率及扫描速度对成形件表面平整度的影响，并找出了将表面平整度控制为最小状态下的各送粉量、激光功率及扫描速度的较佳取值范围。

此次研究中所采用的工艺装备主要包括：光纤激光器、中空激光光内同轴送粉喷头、KUKA机器人、工作台、送粉系统及控制中心；一些辅助装置包括：气氛控制系统、检测与反馈控制系统。其中，所述光纤激光器为IPG公司生产的YLS-2000-TR型掺镱激光器；所述KUKA机器人为6自由度机器人，且主要由控制系统、机械手、手持操作和编程器组成；所述工作台为1自由度工作台；所述送粉系统通常由送粉器、粉末传输通道和喷头组成，本次实验所采用的送粉器型号为GTV PF2/2，这是一台用于热喷涂、激光焊接或PTA-堆焊的送粉器，可用于输送粉末状材料。对于光纤激光器、送粉器、机器人、气氛系统的控制主要集成在KUKA机器人的控制系统中，通过不同接口连接使得在机器人系统的手持编程器(KCP)上能够实现对整个系统的控制，使得空间基面三维熔覆系统的使用更加方便。

因激光熔覆成形技术已得到广泛的研究，故以下说明书部分将不再对该技术进行详细说明，以下说明书部分将对立面激光熔覆成形工艺中成形件表面平整度的控制方法进行详细说明。

如图1所示，为表面平整度的控制方法流程图。从该流程图可以看出，主要包括以下步骤：

A、定义熔覆层的表面平整度值为S；

B、定义熔覆层的表面波动系数为Wa；

C、保持激光功率、扫描速度不变，在不同送粉量下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定送粉量的取值范围；

D、保持送粉量、扫描速度不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定激光功率的取值范围；

E、保持送粉量、激光功率不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔覆层的表面平整度值和表面波动系数并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；

F、选出最佳匹配的送粉量、激光功率、扫描速度，以使得熔覆层的表面平整度值最小，表面波动系数也最小。

如图2所示，为熔道的表面波动示意图。从该图可以看出，熔覆层表面并不是理想的光滑平面，而是周期性震荡起伏的粗糙表面。用金相显微镜测出熔覆层的凸起高度和下凹高度。定义h_max为熔覆层最高点距基体表面的高度，h_min为熔覆层最低点距基体表面的高度；定义熔覆层的表面平整度值(即两者之间的距离)为S＝h_max-h_min，同时定义表面平整度值与熔覆层最高点高度之比为表面波动系数表面平整度值S反应了熔覆层凸起和下凹的绝对高度，而表面波动系数Wa则反映了熔覆层表面波动高度与熔覆层最高点的比值。

需要注意的是：以下说明书中提到的所有表面平整度值和表面波动系数均是由上述对应的计算式计算得出的。

对于立面熔覆，由于熔池在重力的作用下会发生下垂，在不同工艺参数下通过理论计算得出立面熔道的临界搭接率，通过使用临界搭接率模型进行单层熔覆实验，可以看出：熔池在液态时会受到表面张力的作用，同时未进入熔池的粉末与基材之间发生碰撞，粉末受到基材反作用力的作用，使得粉末的运动具有不确定性，使得在临界搭接率的基础上并不能保证搭接形貌的平整，因此需要对不同工艺参数下搭接的形貌进行研究，得到相应的工艺参数范围，为立面上的实体堆积提供基础。因此，下文将主要研究不同工艺参数对表面平整度的影响，并找出立面激光熔覆成形合适的工艺参数范围。

如图3所示，为表面平整度值和表面波动系数随送粉量变化的曲线图。下表所示为激光熔覆过程中，不同送粉量对应的工艺参数。

结合上表和图3可以看出：随着送粉量的增大，单道熔覆层的表面平整度值和表面波动系数都是呈现先减小后增大的趋势。在送粉量为6-7g/min时，表面平整度达到最低值0.02mm。在送粉量小于7g/min时，表面波动系数逐渐降低，说明熔覆层的表面平整度值的增加幅度小于熔覆层高度增加的幅度，而当送粉量大于7g/min时，表面波动系数逐渐升高，熔覆层表面平整度值的增加幅度大于熔覆层高度的增加幅度。故，在熔覆成形时，应选择适中的送粉量，过小或过大的送粉量会造成熔覆成形过程的失败。

这是因为：在熔覆过程中，送粉量M的计算公式为式中t为熔覆时间，v为粉末的运动速度，S为粉管的横截面积，ρ为密度，a为粉末的浓度。当载气流量固定不变时，则粉末运动速度v保持不变，送粉量的增大使得粉末在单位体积内所占的浓度a增大，送入熔池的粉末质量越多则被激光能量熔化的越不充分。在激光能量密度保持不变时，熔池所能吸收和熔化的合金粉末量最大量是定值。当送入熔池的粉末量过多时，未能吸收熔化的粉末黏结在熔覆层表面，导致表面平整度值增大，不利于成形；而减小送粉量，粉末送入量较小，激光能量过大，并与基体表面作用强烈，使得熔覆层表面平整度值增大，熔覆层表面波动系数也随之增大。因此，可以总结出：C步骤中送粉量的较佳取值范围为6g/min～7g/min。

如图4所示，为表面平整度值和表面波动系数随激光功率变化的曲线图。下表所示为激光熔覆过程中，不同激光功率对应的工艺参数。

结合上表和图4可以看出：随着激光功率的逐渐增大，熔覆层的表面平整度值逐渐升高。在激光功率小于0.6kW时，熔覆层的表面平整度值比较稳定。当激光功率由0.5kW增加到0.6kW时，表面波动系数逐渐减小，熔覆层的高度增加的幅度大于表面平整度值增加的幅度，熔覆层在0.6kW时的表面波动系数最小。当激光功率大于0.6kW时，熔覆层高度的增加幅度小于熔覆层表面平整度值增加的幅度，使得熔覆层的表面波动系数逐渐增大。

由上述现象可以看出，熔覆过程中应选用较小的激光功率。但是过低的激光功率会产生粉末熔化不完全的现象，反而会导致粉末不能完全熔化而黏结在熔覆层表面，最终造成成形件表面粗糙。由公式(E为激光功率密度(J·mm-2)，P为激光功率(W)，D为光斑直径(mm)，S为喷头扫描速度(mm·s-1))可以看出：激光功率的增加会使激光功率密度增强，熔覆层高度和宽度增大。当激光功率逐渐增大时，熔池的温度增加，而粉末的输入量不变，熔池的流动性增强，熔覆层实际搭接情况与理论偏差越来越大，使得表面平整度值和表面波动系数增大。因此，可以总结出：D步骤中激光功率的较佳取值范围为500W～600W。

如图5所示，为表面平整度值和表面波动系数随扫描速度变化的曲线图。下表所示为激光熔覆过程中，不同扫描速度对应的工艺参数。

结合上表和图5所示，可以看出：随着扫描速度的增大，表面平整度值逐渐减小，表面波动系数也逐渐减小，熔覆层越来越平整。当扫描速度小于7mm/s时，单道熔覆层高度减小的幅度小于熔道表面平整度值减小的幅度，熔覆层的表面波动系数逐渐减小。当扫描速度大于7mm/s时，熔覆层高度减小的幅度大于熔覆层表面平整度值减小的幅度，使得熔覆层表面波动系数逐渐增大。

由公式(E为激光功率密度(J·mm-2)，P为激光功率(W)，D为光斑直径(mm)，S为喷头扫描速度(mm·s-1))可以看出：随着扫描速度的减小，激光功率密度逐渐增大，搭接模型的偏差增大，使得表面平整度值增大。因而，在进行激光熔覆时，适当的增加扫描速度会提高加工的效率，同时也会使成形件表面更为平整。因此，可以总结出：E步骤中扫描速度的较佳取值范围为>(大于)7mm/s。

通过上述不同工艺参数对表面平整度影响的研究得出：在送粉量一定时，满足激光功率密度的前提下，应降低激光功率并提高扫描速度，以提高熔覆表面的平整度。各个工艺参数的较佳取值范围为：送粉量6-7g/min，功率500-600W，扫描速度7mm/s以上，离焦量保持在-2mm。

为了对上述各个工艺参数的较佳取值范围进行验证，以下将选取合适的工艺参数组合，进行实体堆积，并对堆积后的成形实体进行观察和测量，以确认是否达到成形要求。

选取工艺参数为离焦量-2mm，送粉量6g/min，功率600W，扫描速度7mm/s。通过测量得到熔覆层的宽度为1.34mm，高度为0.17mm，相邻熔道的偏移量为0.83mm，搭接率为38.06％。在此偏移量下进行立面搭接实验，得到如图6所示的搭接形貌。可以看出熔道表面平整，无明显的起伏，表面平整度值为0.02mm，表面波动系数为11.76％。

根据所选的工艺参数，设计了一个长为20mm，宽为8mm，高度为5mm的实体。由于本发明是对立面的熔道形貌进行的研究，故在设计扫描路径时应尽量使用同一方向进行熔覆成形，避免不同方向上受力不同导致的偏差，造成实体堆积的失败。

如图7所示，为实体堆积时的扫描路径。虚线部分表示激光熔覆喷头运动时并不打开激光，这是由于使用机器人进行熔覆成形时，其会存在一个加速和减速的过程，如果在此时打开激光，则由于运动速度并没有达到匀速，会造成熔覆层两端所受的激光加载时间过长，吸收和熔化的粉末增多，使得熔覆层端部过高，影响堆积成形的精度，同时适当的关光能够延长基体的散热时间，减小了温度的累加效应。

在成形过程中，Z轴提升量的大小非常关键，过大或过小的Z轴提升量会造成光斑直径发生变化，影响熔覆成形的精度。成形过程中每一层提升的距离与单道熔覆层的高度是紧密相连的。由临界搭接率的计算原理可以得知激光熔覆喷头提升的理论高度为单道熔覆层的高度，故Z轴的提升量设定为单道熔覆层的高度0.17mm。

通过对各部分工艺的准确控制，最终堆积出了如图8所示的长方体实体结构。成形实体的表面质量是衡量成形质量的首要标准。理想的成形实体表面应该平整光滑，没有粉末粘结现象或只有少数粉末粘结。在实际成形过程中，很多工艺参数都会对成形实体的表面质量产生影响。采用光内同轴送粉激光熔覆成形的工艺方式，激光光斑包围粉斑，所以几乎没有未熔化的粉末黏附在熔覆层两侧。与光外同轴送粉相比，粉束只有一束，消除了光外送粉时不同粉束之间的相互碰撞，使得加工过程中非常平稳，没有火花。粉束外围的保护气不仅可以将粉末束缚在很小的范围内，同时也在熔池处形成了紧密的保护层，防止了熔池的氧化。通过对图8所示成形实体的观察，其表面几乎没有黏粉现象，也不存在氧化现象。通过测量，成形实体的长度为20.2mm，宽度为8.8mm，高度为5.3mm，达到成形要求。

综上所述，本发明的可应用于立面激光熔覆成形工艺中的关于成形件表面平整度的控制方法，主要研究了送粉量、激光功率及扫描速度对成形件表面平整度的影响，并找出了将表面平整度控制为最小状态下的各送粉量、激光功率及扫描速度的较佳取值范围，从而使得熔道表面平整、无明显的起伏，堆积完成的成形实体可以达到成形要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。