专利名称：提高激光金属成形零件表面平整度的方法
技术领域：
本发明涉及一种用激光熔覆汇聚的金属粉末到基材表面来进行三维成形的激光 金属直接成形技术，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修 复等领域，特别涉及一种提高成形零件表面平整度和降低表面粗糙度的方法。
背景技术：
激光金属直接成形技术是以快速原型技术和激光熔覆技术为基础，直接制造金属 零件的方法。包括以下步骤1、建模，利用计算机设计出零件的三维立体模型；2、切片，将 三维立体模型用垂直于Z轴的无穷大的平面切成非常薄的片层，将三维零件转换为二维截 面；3、利用零件的截面信息，控制熔覆头在工作台上运动，熔覆头一边输送金属粉末，一边 输送激光，在截面实体区域，激光打开，在非实体区域，激光关闭；4、粉末在激光作用下快速 熔化，并迅速凝固；5、从第3步开始重复，并不断沿着Z轴提升，便在基材上成形了三维零 件。该工艺方法制造的零件具有以下优点(1)快速响应市场，缩短产品周期；(2)直接近净 成形制造，制造出来的零件不需要或仅少量后处理就可直接交付使用；(3)适合制造形状 复杂尤其是薄壁零件；(4)层间冶金结合，组织致密，力学性能与锻件相当。正因为如此，激 光金属直接成形在航空航天、汽车船舶和武器装备等领域得到广泛应用。但是由于粉末熔化和凝固的过程非常短暂，而且影响成形过程的因素非常多，成 形件容易出现塌陷、结瘤、表面不平整等缺陷。尤其是表面不平严重情况下，成形过程无法 继续进行。
发明内容
本发明为解决背景技术所述困扰激光金属成形的成形件塌陷、结瘤、表面不平整 等问题，提供了一种采用不同扫描速度提高成形零件表面平整度和降低成形侧表面粗糙度 的方法。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种提高激光金属成形零件表面平整度的方法，其特征在于，包括下述步骤(1)在熔覆每一层的过程中，先沿着轮廓边沿以第一扫描速度由边向内熔覆1 3 道，所述轮廓边沿指成形零件当前成形截面的内、外轮廓封闭环；(2)然后以第二扫描速度以光栅式或共形轮廓扫描方式对填充区域进行填充式熔 覆；其中，第二扫描速度大于第一扫描速度；所述填充区域指成形截面上除了轮廓边沿之 外的实体部分；(3)在相邻两层的熔覆过程中，当采用光栅式扫描方式时，应使相邻两层光栅扫描 方向保持一定的夹角，以防止误差在XY平面上同一点处造成累积而形成偏聚。上述方案中，所述第一扫描速度为6 10mm/S ；第二扫描速度为8 15mm/s。所 述相邻两层光栅扫描方向的夹角为90° 120°。所述轮廓与填充区域相连接部分有补偿 间隙，间隙宽度小于等于单道的熔覆宽度。
与现有技术相比，本发明在每层的熔覆过程中，先沿着轮廓边沿低速熔覆，然后以 光栅式或共形轮廓的扫描方式对实体部分以高于边沿的扫描速度进行填充式熔覆，从而提 高了激光熔覆实体零件表面平整度，同时也降低成形侧表面的粗糙度；具有实施简单、便于 控制、效果显著的优点。
图1是本发明的激光金属成形原理图。图中1、轮廓边沿；2、填充部分；3、激光器； 4、送粉喷嘴。图2是本发明的激光金属成形扫描路径示意图。图中①②③④表示扫描顺序。图3是本发明的激光金属成形熔覆层表面平整度示意图。图4是未采用本发明方法制造的零件照片。图5是应用本发明方法后制造的零件照片。图6是图5零件的局部放大照片。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，一种提高激光金属成形零件表面平整度的方法，包括下述步骤(1)在熔覆每一层的过程中，先沿着截面上轮廓边界以较低速度(V边沿=6 10mm/s)由边向内熔覆1 3道，由于速度降低，等价于同时提高了能量密度和粉末浓度，使 得边沿的熔覆层厚度增大，避免了成形层边沿的塌陷和结瘤等缺陷；(2)以较高扫描速度(V㈣=8 15mm/s)填充截面上除去边沿的实体部分；填充 方式可以为光栅式或共形轮廓式(也叫轮廓偏置式)；(3)在相邻两层的熔覆过程中，当采用光栅式扫描方式时，相邻两层光栅扫描方向 的夹角应为90° 120°，以防止误差在XY平面上同一点处累积。在图1的实验过程中，激光器3的功率和送粉喷嘴4的送粉量均保持不变；扫描 时，采用先扫描边沿部分1、后扫描填充部分2。填充部分2和边沿部分1之间如有补偿间 隙；其宽度小于单道的熔覆宽度。具体熔覆次序可参见图2，①为外边沿；②为内边沿；③为填充部分外侧；④为填 充部分内侧。如图3所示，由于熔池中液态金属的表面张力及粉末颗粒的熔入与激光束和喷嘴 送粉气流之间的相互作用下，导致熔覆层表面和侧面并不是理想的平面，而是具有周期性 的波峰、波谷形式的表面[图3(a)]。熔覆层表面的波峰与波谷之间的差值，定义为表面平 整度s[图3(b)]。本发明方法可以将表面平整度s控制在小于0. 05mm。图4为未采用本发明方法的成形效果，可以看到侧壁有沟壑状缺陷[图4(a)]； 上表面边沿坍塌[图4(b)]，成形无法继续；测量其侧面较平整部分，粗糙度最小为Ra = 13. 5 u m。图5和图6为采用本发明方法的成形效果，可以看到零件侧壁平整；经测量，其侧 面沿竖直方向粗糙度小于Ra = 5iim，顶部表面平整度s = 0. 03mm。
权利要求
一种提高激光金属成形零件表面平整度的方法，其特征在于，包括下述步骤(1)在熔覆每一层的过程中，先沿着轮廓边沿以第一扫描速度由边向内熔覆1～3道，所述轮廓边沿指成形零件当前成形截面的内、外轮廓封闭环；(2)然后以第二扫描速度，基于光栅式或共形轮廓扫描方式对填充区域进行填充式熔覆；其中，第二扫描速度大于第一扫描速度；所述填充区域指当前成形截面上除了轮廓边沿之外的实体部分；(3)在相邻两层的熔覆过程中，当采用光栅式扫描方式时，应使相邻两层光栅扫描方向保持一定的夹角，以防止误差在XY平面上同一点处造成累积而形成偏聚。
2.如权利要求1所述的提高激光金属成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 第一扫描速度为6 15mm/s ；第二扫描速度为8 20mm/s。
3.如权利要求1所述的提高激光金属成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 激光熔覆相邻两层光栅扫描方向的夹角应为90° 120°。
4.如权利要求1所述的提高激光金属成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 轮廓与填充区域相连接部分有补偿间隙，间隙宽度小于等于单道的熔覆宽度。
全文摘要
本发明公开了一种提高激光金属成形零件表面平整度的方法，主要应用于激光金属直接成形制造、激光表面熔覆、易损零部件的激光修复、快速成形等制造领域。在激光金属直接成形过程中，在其它工艺参数保持不变时，通过合理降低截面轮廓内环和轮廓外环(亦即边沿处)的扫描速度、合理提高填充区域的扫描速度来有效提高激光金属成形零件表面的平整度和降低成形侧面的表面粗糙度，具有实施简单、便于控制、效果显著的优点，本发明可有效地提高激光金属成形零件熔覆层表面的平整度和降低熔覆侧面的表面粗糙度。
文档编号C23C24/10GK101899662SQ20101023433
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者卢秉恒, 同治强, 张安峰, 朱刚贤, 李涤尘, 路桥潘 申请人:西安交通大学;西安瑞特快速制造工程研究有限公司