一种多道多层激光熔覆层尺寸预测方法与流程

本发明涉及一种激光熔覆涂层尺寸预测方法，特别涉及一种多道多层激光熔覆层尺寸预测方法，属于激光熔覆层质量评价技术领域。

背景技术：

激光熔覆技术是一种高技术内涵的制造/制造技术。由于其工艺复杂，且熔覆过程中存在较多的不可控因素，因此对熔覆层的形貌控制往往依靠大量的实验数据积累。通过实验总结出的经验参数虽然能够成形质量满足使用性能要求的熔覆层，但是会消耗大量的时间与材料成本，大大降低了效率与效益。

目前现有的研究多针对单道单层熔覆层的尺寸预测问题，其规律不适用于多道多层熔覆层尺寸预测，在实际工作中能提供的参考价值有限。因此亟需一种科学的多道多层激光熔覆层尺寸预测方法解决生产中激光熔覆涂层形貌不稳定问题。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种多道多层熔覆层尺寸预测方法，该方法可以在再制造工艺设计阶段实现对熔覆层质量的预测。通过预测，提前了解熔覆层的预期质量，可在修复加工开始前发现熔覆层不足，并针对不足提前对工艺进行调整，从而可实现激光再制造质量的精确控制。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种多道多层激光熔覆涂层尺寸预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计单道单层激光熔覆正交实验，得到激光功率、扫描速度和送粉速度对单道熔覆层熔高、熔宽的影响关系数据；

步骤2：将试样尺寸数据及对应工艺参数输入spss分析软件进行线性回归分析，建立单道熔覆层高度、宽度与工艺参数之间的函数关系；

步骤3：在单道熔覆层试样的截面轮廓线上标记多个点位，描绘出熔覆层轮廓，并以二次代数方程进行拟合，得到单道熔覆层截面轮廓曲线；

步骤4：在步骤3的基础上，使用二次代数方程模拟多道熔覆层平面搭接的截面轮廓曲线，实现不同搭接率情况下，对熔覆层宽度的预测；

步骤5：在所述步骤3和4的基础上，使用二次代数方程模拟双层熔覆层横截面轮廓，并以各熔覆道粉末金属含量相同为前提，构建积分等式，建立多道多层熔覆层高度与工艺参数之间的函数模型，实现对熔覆层形貌的预测。

所述步骤1中设计了三因素五水平正交实验共25组，实验获得的熔覆层长度为60～80mm(毫米)。

所述步骤2中的函数关系模型如下式(i)-(ii)所示：

h0＝-0.205+0.145p-0.212vs+40.873vf(i)

w0＝33.397+1.819p-0.259vs+32.464vf(ii)

所述步骤3中得到的单道熔覆层截面轮廓曲线拟合方程如下式(iii)所示：

所述步骤4中得到的多道熔覆层宽度与工艺参数之间的函数模型如下式(iv)-(v)所示：

w＝w0+(m-1)w0×λ(iv)

w＝[(m-1)λ+1]×(1.819p-0.259vs+32.464vf+33.397)(v)

所述步骤5中得到的多道多层熔覆层高度与工艺参数之间的函数模型如下式(vi)-(vii)所示：

h＝(n-1)(-3λ³+5λ²-2λ+1)h0+h0(vi)

h＝[(n-1)(-3λ3+5λ²-2λ+1)+1]×(0.145p-0.212vs+40.873vf-0.205)(vii)

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供了一种多道多层激光熔覆层尺寸预测方法，能够结合激光熔覆工艺参数对熔高熔宽影响的线性回归模型，建立熔覆层截面轮廓曲线，最后实现通过工艺参数对多道多层熔覆层尺寸的预测，继而可在工艺设计阶段对熔覆层尺寸设计提供指导，最后得到表面形貌质量较高的熔覆涂层。

附图说明

图1a和图1b为典型单道单层熔覆层横截面形貌图。

图2为两道熔覆层平面搭接示意图。

图3为多道双层熔覆层横截面形貌示意图。

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。

本实施例的方法如下所述：

步骤1：设计单道单层激光熔覆正交实验，得到激光功率、扫描速度和送粉速度对单道熔覆层熔高、熔宽的影响关系数据；

实施例设计了三因素五水平正交实验，实验组数共25组，探究激光功率、扫描速度和送粉速度对单道单层熔覆层高度与宽度尺寸的影响规律。

本实施例的实验基材选用45#钢材料，尺寸为10mm×200mm×200mm，实验前使用砂纸打磨，去除表面氧化层，并用无水乙醇清洗，烘干待用。修复粉末选用粒度为200目的304不锈钢粉末，使用同轴送粉的方式进行激光熔覆。

熔覆后的试样经过线切割、打磨、抛光、腐蚀后，使用光学显微镜观察并测量各样本形貌尺寸，记录结果如表1所示。

表1单道单层熔覆层形貌尺寸实验记录

步骤2：将试样尺寸数据及对应工艺参数输入spss分析软件进行线性回归分析，建立单道熔覆层高度、宽度与工艺参数之间的函数关系；

使用spss统计分析软件对表1中的数据进行分析，分别建立了激光功率、扫描速度、送粉速度与单层熔覆层熔高和熔宽之间的线性关系，得到结果如下式(1)、(2)所示。

h0＝-0.205+0.145p-0.212vs+40.873vf(1)

w0＝33.397+1.819p-0.259vs+32.464vf(2)

对该实施例进行参数检验，其显著性检验系数p的值均为0，小于检验标准0.05，表明自变量对因变量解释性很强，即激光功率、扫描速度和送粉速度对熔高和熔宽的线性影响都是显著的；线性回归判定系数r²分别为0.984和0.996，与检验标准数值1较为接近，表明该线性拟合模型优度较大，由工艺参数引起的尺寸变动占总变动的百分比较高。

步骤3：在单道熔覆层试样的截面轮廓线上标记多个点位，描绘出熔覆层轮廓，并以二次代数方程进行拟合，得到单道熔覆层截面轮廓曲线；

以实施例中实验的第18号实验样本为例，在截面形貌轮廓线上标记20个点，模拟出形貌曲线，以熔覆层与基板的结合界面为横坐标x轴，以横截面形貌的几何对称中心为纵坐标y轴建立平面直角坐标系，并在形貌曲线上记录各几何特征参数，如图1a和图1b所示。

使用二次代数方程描述图1a和图1b中的横截面形貌曲线，并得到下式(3)。

步骤4：在步骤3的基础上，使用二次代数方程模拟多道熔覆层平面搭接的截面轮廓曲线，实现不同搭接率情况下，对熔覆层宽度的预测；

在单道单层熔覆层截面轮廓拟合的基础上，讨论平面搭接情况下熔覆层宽度的变化。设定搭接率为λ，搭接宽度为d0，建立了两道熔覆层平面搭接示意图，如图2所示。

计算出若设计修复受损区域需要进行m道激光熔覆，则熔覆层的总体宽度w如下式(4)。

w＝w0+(m-1)w0×λ(4)

将工艺参数对单道单层熔覆层熔宽尺寸预测模型(式2)代入式(4)中并进行整理，则可以实现通过工艺参数对多道熔覆层熔宽的预测，如下式(5)所示：

w＝[(m-1)λ+1]×(1.819p-0.259vs+32.464vf+33.397)(5)

步骤5：在所述步骤3和4的基础上，使用二次代数方程模拟双层熔覆层横截面轮廓，并以各熔覆道粉末金属含量相同为前提，构建积分等式，建立多道多层熔覆层高度与工艺参数之间的函数模型，实现对熔覆层形貌的预测。

建立多道双层熔覆层横截面形貌示意图，如图3所示。分别以f1(x)、f3(x)和f4(x)表示第一层熔覆层内三道相互搭接的激光熔覆道的轮廓曲线，g1(x)表示第二层熔覆层的轮廓曲线。在直角坐标系oxy中，曲线f1(x)与f4(x)曲线相交于p点，g1(x)与f4(x)曲线相交于q点。

实施例所述方法在此处规定忽略由于金属粉末飞溅等导致的各熔覆层间粉末含量的细微差异，即认为各层间粉末含量相同。以此为基础建立积分等式，得到下式(6)。

求解式(6)，得到g1(x)的曲线方程为如下式(7)所示。

得到在该平面直角坐标系中，当x＝0时，f1(x)与g1(x)的函数关系，即多道多层熔覆层内部第二层高度h2与底层高度h0的关系如式(8)所示。

h2＝(-3λ³+5λ²-2λ+1)h0(8)

最终得到当多道多层熔覆层的层数为n时，多道多层熔覆层的总高度h如下式(9)。

h＝(n-1)(-3λ³+5λ²-2λ+1)h0+h0(9)

以上优选的实施方式只为说明本发明的技术构思和特点，目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡是根据本发明实质所做出的等效变化或修饰均属于本发明的保护范围。