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CN105648436B - 曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置 - Google Patents

曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置，其中，所述激光熔覆成形工艺包括如下步骤：S1、设定激光熔覆头的初始负离焦，控制基体材料位于所述初始负离焦位置；S2、控制环锥形聚焦激光束、激光束内部的送粉束以及准直气，同轴出射；S3、控制激光熔覆头的姿态，沿曲率实体件的半径方向，自内而外逐层搭接熔覆各熔道层，搭接熔覆形成的各熔道层形成一层熔覆层，在一层熔覆层的搭接熔覆过程中，激光熔覆头的负离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小；S4、重复步骤S2和S3，至曲率实体件完全成形。本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺基于中空激光以及光内送粉技术，针对曲率实体件搭接过程中的内外侧弧长不一致的问题进行不等高搭接。

Description

曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置。
背景技术
激光熔覆3D成形具有较为广阔的发展前景，能够快速成形出具有复杂结构的零件。目前，较为成熟的激光熔覆快速的制造工艺有：激光选区熔化技术(SLM)和激光金属沉积技术(LMD)。
然而，上述两种成形工艺沿水平法向搭接堆积，难以成形具有悬垂结构的复杂零件。且一般的激光熔覆搭接技术沿已成型表面进行搭接时，对曲率实体件成形而言，无法克服内外层弧长不一致问题。
具体第，如图1所示，一般的激光熔覆工艺沿前层表面进行搭接，搭接过程中离焦量保持不变，设每层层高增加相等为h。如此，则对于曲率件堆积搭接过程中，如果每层增加量均为h，则外层生长量达不到H，从而导致工件成形产生缺陷。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种曲率实体件激光熔覆成形工艺及装置，以克服现有技术中存在的不足。
为了实现上述目的，本发明提供一种曲率实体件激光熔覆成形工艺，其包括如下步骤：
S1、设定激光熔覆头的初始负离焦为3-4mm，所述激光熔覆头可发射环锥形聚焦激光束，所述环锥形聚焦激光束具有对应的初始负离焦位置，控制基体材料位于所述初始负离焦位置；
S2、控制环锥形聚焦激光束、激光束内部的送粉束、以及激光束和送粉束之间的准直气，在熔覆过程中，始终相对基体材料的待熔覆表面同轴出射；
S3、控制激光熔覆头的姿态，沿曲率实体件的半径方向，自内而外逐层搭接熔覆各熔道层，搭接熔覆形成的各熔道层形成一层熔覆层，在一层熔覆层的搭接熔覆过程中，激光熔覆头的负离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小；
S4、重复步骤S2和S3，至曲率实体件完全成形。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述激光熔覆成形工艺中，在步骤S1之前还包括：对基体材料以及送粉束所使用的粉末进行前处理。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述前处理具体包括：采用砂纸对基体材料的表面进行打磨，并用酒精去除油污后，再用丙酮清洗；将所使用的粉末在200度的烘箱内放置2h，烘干去除水分。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述环锥形聚焦激光束内部送粉束的直径为2mm。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述步骤S3中，当形成的一层熔覆层为初始熔覆层时，初始熔覆层的各熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦；当形成的一层熔覆层并非初始熔覆层时，相应熔覆层的最内侧熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述步骤S3具体包括：
S31、建立空间坐标系，设置所述各熔覆层中最内侧熔道层的坐标值XP[1]～XP[m]；
S32、每层熔覆层熔覆时，控制激光熔覆头运动至XP[n]的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道，其中，1＜n＜m；
S33、扫描完毕，控制激光熔覆头返回至XP[n]的坐标值位置处，控制激光熔覆头的姿态，并沿实体件的半径方向，向外运动至下一熔道层对应的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道；
S34、重复步骤S33，至相应熔覆层完全成形。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述步骤S33中，控制激光熔覆头的姿态时，最内层熔覆喷头沿曲率实体件的半径方向的法向的单次转角为θ；
其中，θ＝h/r，公式中，h为最内侧堆积提升量,r为最内侧圆弧曲率半径。
作为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的改进，所述步骤S3中，环锥形聚焦激光束的扫描速度为6-8mm/s，送粉束的供粉率为7-9g/min，准直气的气压为0.02MPa。
为了实现上述目的，本发明还提供一种曲率实体件激光熔覆成形装置，其包括：高功率激光器系统、机器人系统、送粉器、光内送粉熔覆头、准直气输送系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺基于中空激光以及光内送粉技术，针对曲率实体件搭接过程中的内外侧弧长不一致的问题进行不等高搭接。进一步地，沿半径方向的不等高搭接熔覆过程中，离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小，克服了曲率实体件成形过程中的内外侧弧长不一致的问题，有效保证了曲率实体件的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的激光熔覆工艺对曲率实体件进行激光熔覆搭接时的原理图；
图2为中空激光熔覆头层高与离焦量的变化曲线图；
图3为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的原理图；
图4为本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺一具体实施方式的原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺基于不等高搭接自适应原理，其可以根据不同曲率半径处弧长的不同而自动适应所需生长的高度。
具体地，所述不等高搭接自适应原理如下：
中空激光熔覆头层高与离焦量的变化曲线如图2所示。当负离焦量大于1.5mm时(负离焦量为工作位置的绝对值)，单层高度随离焦量的增大而减小。而熔覆头由内而外离焦量逐渐减小，则生长量逐渐增加。由图2可知，本实验熔覆喷头自愈合区间为-1.5mm～-5.5mm。由于熔覆喷头与熔池间需保持一定安全距离，负离焦量大于5.5mm区间没有试验。成形过程中为保证内外侧圆弧差在自适应范围内，应满足公式(1)，即：
(R-r)θ≤δh…… (1)；
为工作点高度与单道最大高度差的绝对值，其中，R为最外侧圆弧曲率半径，r为最内侧圆弧曲率半径，θ为单次转角，δh为圆弧内外侧工作离焦量下对应的单层高度差。
实际实验过程中，单层高度为因变量，离焦量为自变量，故实验的顺利与否取决于离焦量的变化。近似认为层度与离焦量变化成正比，取离焦量1.5m～5.5mm之间的单道层高数据进行直线拟合，得其直线斜率为K。故公式(1)修改为：
(R-r)θ≤KΔ…… (2)；
其中，Δ为圆弧内外层工作离焦量差的绝对值(mm)。r、R分别为圆弧内外侧圆弧半径(mm),θ为单次转角(弧度)。
从而，当θ值一定时，根据公式(2)得最大可成形件壁厚S，即：
S＝R-r≤KΔ/θ…… (3)。
其中，r、R分别为圆弧内外侧圆弧半径(mm)，K为直线斜率，Δ为圆弧内外层工作离焦量差的绝对值(mm)，θ为单次转角(弧度)。
如图3所示，基于上述不等高搭接自适应原理，下面对本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺的技术方案进行详细说明。
本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺包括如下步骤S1～S4：
S1、设定激光熔覆头的初始负离焦为3-4mm，所述激光熔覆头可发射环锥形聚焦激光束，所述环锥形聚焦激光束具有对应的初始负离焦位置，控制基体材料位于所述初始负离焦位置。
其中，所述环锥形聚焦激光束内部具有送粉束，且环锥形聚焦激光束与送粉束之间具有准直气，所述环锥形聚焦激光束、送粉束、准直气保持同轴设置。优选地，送粉束的直径为2mm。
进一步地，所述激光熔覆成形工艺中，在步骤S1之前还包括：对基体材料以及送粉束所使用的粉末进行前处理。具体地，所述前处理具体包括：采用砂纸对基体材料的表面进行打磨，并用酒精去除油污后，再用丙酮清洗；将所使用的粉末在200度的烘箱内放置2h，烘干去除水分。
S2、控制环锥形聚焦激光束、激光束内部的送粉束、以及激光束和送粉束之间的准直气，在熔覆过程中，始终相对基体材料的待熔覆表面同轴出射。
S3、控制激光熔覆头的姿态，沿曲率实体件的半径方向，自内而外逐层搭接熔覆各熔道层，搭接熔覆形成的各熔道层形成一层熔覆层，在一层熔覆层的搭接熔覆过程中，激光熔覆头的负离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小。
具体地，激光熔覆头的不等高搭接熔覆过程中，激光熔覆头的负离焦量随之逐渐减小。其中，当形成的一层熔覆层为初始熔覆层时，初始熔覆层的各熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦。当形成的一层熔覆层并非初始熔覆层时，相应熔覆层的最内侧熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦。
如图4所示，基于上述变离焦的调节方式，所述步骤S3具体包括S31～S34：
S31、建立空间坐标系，设置所述各熔覆层中最内侧熔道层的坐标值XP[1]～XP[m]。
S32、每层熔覆层熔覆时，控制激光熔覆头运动至XP[n]的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道，其中，1＜n＜m。
即XP[n]进行熔覆的熔覆层中，最内侧的熔道层的坐标值。
S33、扫描完毕，控制激光熔覆头返回至XP[n]的坐标值位置处，控制激光熔覆头的姿态，并沿实体件的半径方向，向外运动至下一熔道层对应的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道。
其中，控制激光熔覆头的姿态时，最内层熔覆喷头沿曲率实体件的半径方向的法向的单次转角为θ。其中，θ＝h/r，公式中，h为最内侧堆积提升量,r为最内侧圆弧曲率半径。
S34、重复步骤S33，至相应熔覆层完全成形。
此外，所述步骤S3中，环锥形聚焦激光束的扫描速度为6-8mm/s，送粉束的供粉率为7-9g/min，准直气的气压为0.02MPa。
S4、重复步骤S2和S3，至曲率实体件完全成形。
本发明还提供一种曲率实体件激光熔覆成形装置，其包括：高功率激光器系统、机器人系统、送粉器、光内送粉熔覆头、准直气输送系统。
其中，高功率激光器系统用于提供激光；所述机器人系统用于控制所述光内送粉熔覆头的运动；所述送粉器用于光内送粉；所述光内送粉熔覆头用于形成内部具有送粉束的环锥形聚焦激光束；准直气输送系统用于提供环锥形聚焦激光束和送粉束之间的准直气。
综上所述，本发明的曲率实体件激光熔覆成形工艺基于中空激光以及光内送粉技术，针对曲率实体件搭接过程中的内外侧弧长不一致的问题进行不等高搭接。进一步地，沿半径方向的不等高搭接熔覆过程中，离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小，克服了曲率实体件成形过程中的内外侧弧长不一致的问题，有效保证了曲率实体件的质量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述激光熔覆成形工艺包括如下步骤：
S1、设定激光熔覆头的初始负离焦为3-4mm，所述激光熔覆头可发射环锥形聚焦激光束，所述环锥形聚焦激光束具有对应的初始负离焦位置，控制基体材料位于所述初始负离焦位置；
S2、控制环锥形聚焦激光束、激光束内部的送粉束、以及激光束和送粉束之间的准直气，在熔覆过程中，始终相对基体材料的待熔覆表面同轴出射；
S3、控制激光熔覆头的姿态，沿曲率实体件的半径方向，自内而外逐层搭接熔覆各熔道层，搭接熔覆形成的各熔道层形成一层熔覆层，在一层熔覆层的搭接熔覆过程中，激光熔覆头的负离焦量随搭接熔覆的进行而逐渐减小；
S4、重复步骤S2和S3，至曲率实体件完全成形；
其中，所述步骤S3具体包括：
S31、建立空间坐标系，设置所述各熔覆层中最内侧熔道层的坐标值XP[1]～XP[m]；
S32、每层熔覆层熔覆时，控制激光熔覆头运动至XP[n]的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道，其中，1＜n＜m；
S33、扫描完毕，控制激光熔覆头返回至XP[n]的坐标值位置处，控制激光熔覆头的姿态，并沿实体件的半径方向，向外运动至下一熔道层对应的坐标值位置处，沿z轴方向扫描单道；控制激光熔覆头的姿态时，最内层熔覆喷头沿曲率实体件的半径方向的法向的单次转角为θ，其中，θ＝h/r，公式中，h为最内侧堆积提升量,r为最内侧圆弧曲率半径；
S34、重复步骤S33，至相应熔覆层完全成形。
2.根据权利要求1所述的曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述激光熔覆成形工艺中，在步骤S1之前还包括：对基体材料以及送粉束所使用的粉末进行前处理。
3.根据权利要求2所述的曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述前处理具体包括：采用砂纸对基体材料的表面进行打磨，并用酒精去除油污后，再用丙酮清洗；将所使用的粉末在200度的烘箱内放置2h，烘干去除水分。
4.根据权利要求1所述的曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述环锥形聚焦激光束内部送粉束的直径为2mm。
5.根据权利要求1所述的曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述步骤S3中，当形成的一层熔覆层为初始熔覆层时，初始熔覆层的各熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦；当形成的一层熔覆层并非初始熔覆层时，相应熔覆层的最内侧熔道层对应的激光熔覆头的负离焦量为初始负离焦。
6.根据权利要求1所述的曲率实体件激光熔覆成形工艺，其特征在于，所述步骤S3中，环锥形聚焦激光束的扫描速度为6-8mm/s，送粉束的供粉率为7-9g/min，准直气的气压为0.02MPa。
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