自适应变熔池激光增材制造工艺的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种自适应变熔池激光增材制造工艺。

背景技术：

激光增材制造技术是一种融合了快速原型技术(rp技术)与激光熔覆技术的先进制造技术，能够实现复杂零件的直接成形，具有加工柔性好、周期短和市场响应快的特点，在航空航天、汽车、医疗和石化行业具有重要的应用前景。

目前，对于一些变厚度的薄壁件如航空发动机的涡轮叶片，采用激光增材制造方法时，每一层轮廓均根据规划的扫描路径通过多道次搭接成形，再通过层层叠加而加工出具有一定高度的薄壁件。而扫描路径的规划直接影响熔覆件的成形效率和质量，若扫描路径规划不合理，不仅会降低成形效率，而且会引起熔覆件内部温度场分布不均匀，产生热应力，降低熔覆件的力学性能。搭接率的大小直接影响成形表面宏观平整程度。如果搭接率选择不合理，将直接导致成形表面宏观倾斜角度，一旦这种情况发生，成形表面的尺寸精度将难以保证，严重时甚至会导致激光增材激光无法进行。此外，多道次搭接会造成熔覆层冷却不均匀，从而导致熔覆层开裂。

为了解决变厚度薄壁件激光增材制造过程中多道次搭接产生的冷却不均匀和开裂问题，提高熔覆件的成形效率和成形质量，目前已有学者提出变光斑方法。专利(cn201310174650.3)、(cn201510270345.3)和(cn201610253396.x)以及文献(陆斌，朱刚贤，吴继琸等.基于光内送粉激光变斑直接成形薄壁叶片的工艺研究[j].中国激光，2015，(42)12:1203003-1-7；朱刚贤，石世宏，傅戈雁等.激光变斑熔覆不等宽熔道的工艺实现及实验研究[j].应用激光，2015，32(1):25-28)均通过调整激光离焦量从而改变激光光斑的大小，以适应零件厚度的变化，成形出变厚度零件。该方法在改变激光离焦量的同时，还需同时调整激光功率、送粉量、扫描速度和保护气体流量等工艺参数。就送粉量而言，送粉器到激光熔覆头的粉末传输距离至少超过5米，若想随激光光斑尺寸的改变，实时增加或减少送粉量，将很难实现。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术变厚度薄壁件激光增材制造过程中，需要通过调整激光离焦量从而改变激光光斑的大小，以适应零件厚度的变化，成形出变厚度零件，而该方法在改变激光离焦量的同时，还需同时调整激光功率、送粉量、扫描速度和保护气体流量等工艺参数，导致很难实现的问题，现提供一种自适应变熔池激光增材制造工艺，该工艺根据激光能量在光斑内的分布规律，在光斑大小、扫描速度、送粉量和保护气体流量一定的情况下，只需调整一个工艺参数—激光功率的大小，就可实时改变激光熔池的尺寸，以适应薄壁件壁厚的改变。同时能够避免多道次搭接产生的冷却不均匀和开裂问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应变熔池激光增材制造工艺，包括以下步骤：

a、进行激光熔凝试验，调节激光功率，记录不同激光功率时所对应的熔池宽度，从而构建出不同激光功率时对应熔池大小的工艺数据库；

b、用计算机三维软件建立零件三维模型，再通过分层软件对零件三维模型进行分层处理，获取零件每层平面轮廓加工信息，加工信息包含零件每层截面的中心线和轮廓曲线；

c、根据加工信息中的轮廓曲线，得出零件沿中心线不同加工位置处的内切圆，取零件不同加工位置处的内切圆直径作为熔池的宽度，再按照步骤a中的工艺数据库确定不同熔池大小时所对应的激光功率的大小，实现只需实时调节激光功率，即可直接成型出加工信息中的变宽度熔覆层；

d、每层熔覆层加工完成后，激光熔覆头上升一个分层高度，在零件已成型的熔覆层上面按照步骤c再熔覆新的熔覆层，如此循环，逐层叠加至成型出一定高度的三维零件。

步骤a中的激光熔凝试验时，激光扫描速度、离焦量和保护气体流量在一定条件下维持不变。

步骤c中通过调节激光发射器的输出电压，从而改变激光功率。

步骤a中的零件三维模型采用三维软件ug、pro/e或solidworks构建。

所述分层软件采用lmdcam2。

本发明的有益效果是：本发明通过实时调整激光功率大小实现熔池大小的连续变化，以适应薄壁件壁厚的改变，通过一次扫描而非多道次搭接直接成形出变宽度熔道，再通过逐层叠加成形出变厚度薄壁件，具有工艺参数变量少、响应快和成形效率高的特点。本发明的具体优点细化如下：

(1)本发明不同于变光斑法，变光斑法是多工艺参数(激光功率、送粉量、扫描速度和保护气体流量等)的改变，本发明只需改变激光功率一个参数，而其它加工工艺参数均保持不变，变量少，易于实现；

(2)本发明只需根据薄壁件壁厚的变化，在其它工艺参数不变的情况下，通过改变激光功率，就可实时改变熔池的大小，从而成形出变厚度薄壁件。因此，便于实时控制；

(3)本发明成形变厚度薄壁件时，避免了多道次搭接引起的冷却不均匀和开裂等问题，提高了成形质量和成形效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中零件不同加工位置处的宽度与激光功率的换算示意图；

图2是实施例1获得的涡轮叶片样件示意图；

图中：零件的厚度表示零件沿中心线不同加工位置处的内切圆直径；

x表示沿水平方向上零件的不同加工位置。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

一种自适应变熔池激光增材制造工艺，包括以下步骤：

a、进行激光熔凝试验，调节激光功率，记录不同激光功率时所对应的熔池宽度，从而构建出不同激光功率时对应熔池大小的工艺数据库；

b、用计算机三维软件建立零件三维模型，再通过分层软件lmdcam2对零件三维模型进行分层处理，获取零件每层平面轮廓加工信息，加工信息包含零件每层截面的中心线和轮廓曲线；

c、根据加工信息中的轮廓曲线，得出零件沿中心线不同加工位置处的内切圆，其中内切圆指的是轮廓曲线的内切圆，取零件不同加工位置处的内切圆直径作为熔池的宽度，再按照步骤a中的工艺数据库确定不同熔池大小时所对应的激光功率的大小，实现只需实时调节激光功率，即可直接成型出加工信息中的变宽度熔覆层；

d、每层熔覆层加工完成后，激光熔覆头上升一个分层高度，在零件已成型的熔覆层上面按照步骤c再熔覆新的熔覆层，如此循环，逐层叠加至成型出一定高度的三维零件。

步骤a中的激光熔凝试验时，激光扫描速度、离焦量和保护气体流量在一定条件下维持不变，在此过程中不送粉。

步骤c中通过调节激光发射器的输出电压，从而改变激光功率。

步骤a中的零件三维模型采用三维软件ug、pro/e或solidworks构建，三维软件建立零件的三维模型后输出stl格式文件，并由分层软件lmdcam2对该stl格式文件的零件三维模型进行分层处理。

实施例1

以高温合金gh150涡轮叶片激光增材制造为例，进行自适应变熔池激光增材制造工艺方案说明：

当激光熔凝试验时，采用的工艺参数为：扫描速度为4mm/s，离焦量为5mm，光斑直径为3mm，氩气流量为11l/min时，通过改变激光功率大小，建立高温合金gh150激光功率与熔池大小的工艺数据库；

激光熔覆粉为高温合金gh150球形粉，粒度为75-150μm，熔覆前须对高温合金gh150球形粉在120℃左右真空条件下进行烘干处理，以去除粉末中吸附的水分；

ldm8060激光加工系统由yls-6000光纤激光器、twinpf2/2-mf送粉系统、三轴联动数控工作台、侧向送粉喷嘴及氩气保护箱等组成，每层熔覆层厚度为0.3mm，逐层堆积，激光熔覆工艺参数为：扫描速度为4mm/s，离焦量为5mm，光斑直径为3mm，氩气流量为11l/min，经过上述制造工艺获得的涡轮叶片样件如图2所示。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。