CN114360664A - 一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基体材料为17GrNi6Mo，熔覆材料为Ni60粉末的单道熔覆层成形控制方法，尤其是一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法。其特点是，包括如下步骤：首先采用基于响应面法中的中心复合实验设计，通过改变激光功率、送粉量和扫描速度这些工艺参数，进行激光单道熔覆实验；然后使用Design‑Expert软件对得到的实验数据进行拟合以及方差分析，构建工艺参数与熔覆层成形形状的宽度、高度回归模型，再通过实验验证回归模型的预测精度；最后通过激光熔覆工艺参数对熔覆层成形形状的影响分析。本发明方法虽然存在一定的误差，但是从误差大小分析来看，熔覆层宽度和高度的数学模型能进行高精度预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基体材料为17GrNi6Mo，熔覆材料为Ni60粉末的单道熔覆层成形控制方法，尤其是一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法。
背景技术
齿轮在服役期间不可避免出现磨损、点蚀等失效现象，采用激光熔覆技术对失效齿轮进行再制造修复可以大幅节约维护费用。激光熔覆的过程就是利用高能量的激光束将安置(预置或同步输送)在基体表面的合金材料(粉材、丝材等)与基体表层一起熔凝，这个过程是合金粉末与基体材料相互作用相互渗透凝固的过程。在激光熔覆过程中，为了得到较好质量、性能的熔覆层，激光熔覆单层单道成形形状控制，是高价值关键部件高精度成形的前提和基础。只有通过建立熔覆层工艺参数与成形形状之间的定量对应关系，才能提供预测与控制单道熔覆层成形形状，为零件再制造高精度成形奠定基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法，能够指导零件再制造时工艺参数的选择和实现熔覆层成形形状的预测与控制，从而实现单层多道、多层多道三维成形轨迹的编程和成形形状精度的控制。
一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)首先采用基于响应面法中的中心复合实验设计，通过改变激光功率、送粉量和扫描速度这些工艺参数，进行激光单道熔覆实验；
(2)然后使用Design-Expert软件对得到的实验数据进行拟合以及方差分析，构建步骤(1)的工艺参数与熔覆层成形形状的宽度、高度回归模型，再通过实验验证回归模型的预测精度；
(3)最后通过激光熔覆工艺参数对熔覆层成形形状的影响分析，在零件再制造时为工艺参数的选择提供依据。
经过试用证明，本发明方法虽然存在一定的误差，但是从误差大小分析来看，熔覆层宽度和高度的数学模型能进行高精度预测。还能指导工艺参数的选择和实现熔覆层成形形状的预测与控制，从而实现单层多道、多层多道三维成形轨迹的编程和成形形状精度的控制，而且能依照需要熔覆层的形状尺寸，计算工艺参数的大小，指导工艺参数的选择。
附图说明
图1为基板单道熔覆实验图；
图2为熔覆层宽度摄动图；
图3为熔覆层高度摄动图。
具体实施方式
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种用于17GrNi6Mo合金钢的激光单道熔覆成形控制方法，该方法基于响应面法中的中心复合实验设计，改变激光功率、送粉量和扫描速度等工艺参数，进行激光单道熔覆实验；使用Design-Expert软件对实验数据进行拟合以及方差分析，构建工艺参数与熔覆层成形形状的宽度、高度回归模型，通过实验验证回归模型的预测精度；通过激光熔覆工艺参数对熔覆层成形形状的影响分析，为工艺参数的选择提供借鉴。
(二)本发明的有益效果：
(1)熔覆层宽度：
由Design-Expert软件对试验数据拟合及方差分析，获得熔覆层成形形状宽度的回归模型由式(1)示出，熔覆层宽度的方差分析结果由表1所示。
Width＝5.174-8.846*A+0.272*B+0.516*C-0.142*A*B-0.076*A*C+0.007*B*C+3.715*A2-0.075*C2 (1)
表1熔覆层宽度方差分析表
从表1中可以看出，回归模型的数值为11.42，P值为0.0004，表明熔覆层宽度与激光功率、送粉量、扫描速度的回归方程有良好的可靠性和显著性。相关系数值为0.9113，小于1且接近于1，表明模型拟合的较好。信噪比值为12.552，数值比4大，说明回归模型的构造是合理的。失拟项中的值为4.51，表示没有不匹配系数，所以可以用拟合的数学回归模型对试验真实数据进行预测和分析。观察方差分析表中P值可知：激光功率与送粉量，送粉量对于熔覆层宽度的影响较大，显著性高。通过每个因素的平均均方差MS大小，可得影响熔覆层宽度的工艺参数主次排序为送粉量＞激光功率＞扫描速度。
通过对齿轮激光再制造系统集成和对单道熔覆层预测与控制，以提高成形轨迹位置精度和形状精度，来实现齿轮成形精度，获得合理加工余量。
(2)熔覆层高度
由Design-Expert软件对试验数据拟合及方差分析，获得熔覆层成形形状高度的回归数学模型为式(2)，熔覆层高度的方差分析如表2所示。Height＝-23.122+21.606*A+0.166*B-0.155*C-0.036*A*B+0.238*A*C-0.014*B*C-5.045*A2-0.022*C2(2)
表2熔覆层高度方差分析表
由表2可知，模型的F值为12.09，P值为0.0003，表明熔覆层高度与激光功率、扫描速度、送粉量的回归方程有良好的可靠性和显著性；相关系数R2值为0.9159，小于1且接近于1，表明模型拟合的较好；信噪比值为12.411，数值比4大，说明回归模型的构造是合理的。失拟项中的F值为1.61，表示没有不匹配系数，所以可以用拟合的数学回归模型对试验真实数据进行预测和分析。观察方差分析表中P值可知：送粉量与扫描速度的交互作用(BC)，扫描速度(C)对于熔覆层高度的影响较大，显著性高。通过每个因素的平均均方差MS大小，对熔覆层高度造成影响的工艺参数排序为C>A>B，即扫描速度＞激光功率＞送粉量。
(3)回归模型实验验证
通常，在获得回归模型后，仍然需要通过实验，去验证模型的误差，即相对误差，评价该模型是否具有指导意义。验证的实验参数及其结果如
表3所示。表3数学模型试验验证结果。
分析表3，熔覆层宽度预测值与实际值的偏差在2.4％～5％之间，熔覆层高度预测值与实际值的偏差都在在3.4％～4.7％之间，总体来看，误差都小于5％，说明熔覆层成形形状的宽度与高度回归模型具有普遍适用性。
虽然存在一定的误差，但是从误差大小分析来看，熔覆层宽度和高度数学模型能进行高精度预测。能指导工艺参数的选择和实现熔覆层成形形状的预测与控制。实现单层多道、多层多道三维成形轨迹的编程和成形形状精度的控制。而且能依照需要熔覆层的形状尺寸，计算工艺参数的大小，指导工艺参数的选择。
基板单道熔覆实验如图1所示，由于修复基体为风电齿轮常用的17CrNiMo6合金钢，选择基材尺寸为长×宽×厚(170mm×170mm×10mm)大小的矩形板，对矩形板进行热处理，表面渗碳、淬火，有效硬化层深度在1.5～2mm，表面硬度达到与齿轮表面相同的硬58-62HRC，对基材进行线切割加工，切割完成后用磨床打磨，磨去基材上的氧化物层和锈蚀，以减少基体表面缺陷对熔覆质量的影响，用无水酒精和丙酮清洁表面；熔覆材料为Ni60合金粉末，纯度大于99.5％，尺寸规格为150-300目，Ni60主要成分含量如表4所示。粉末熔点为1050℃，熔焊层硬度可达HRC58-62，松装密度为4.6g/cm3
基体材料和熔覆材料的化学成分如表4
表4熔覆材料和基体材料化学成分(wt.％)
这种合金钢常用于风机齿轮箱齿轮、重型汽车及重型汽车起重机变速箱齿轮的制造，尤其是在大功率风力发电机齿轮箱齿轮的制造上。齿轮箱齿轮承受着变载的冲击载荷及周期性变动的弯曲载荷，齿轮表面的磨损、点蚀、微裂纹等失效易发，极易引发断齿等严重失效而停机。所以修复材料需具有较强的韧性、耐冲击性、并且具有较高的硬度。根据某型号兆瓦级风力发电机齿轮箱高速轴齿轮表面的硬度要求、热膨胀系数相近原理、熔点相近原则、润湿性原则等条件，选用的。
根据响应面法中心复合实验设计，选择工艺参数中的关键因素激光功率、送粉量和扫描速度为影响因素。把能表示熔覆层成形形状的宽度和高度作为响应面。再结合某型号兆瓦级风电齿轮箱齿轮点蚀、磨损深度统计数据，确定所选因素的参数和水平，如表5所示。
表5中心复合实验工艺参数和水平
为了表述简便，激光功率用英文字母A表示，送粉量英文字母B表示，扫描速度用英文字母C表示，熔覆层成形形状的熔覆层宽度用Width表示，熔覆层高度用Height表示。
利用Design-Expert软件建立了一个三因素三水平中心复合矩阵，共有14个轴点和6个复制中心点，即设计了14个因子实验和6个中心实验，共有20个中心复合实验组，中心复合实验参数及结果如表6所示，表6中心复合实验参数及结果
(1)工艺参数对熔覆层宽度影响分析
图2是熔覆层宽度摄动图，图中A激光功率＝2.1，B送粉量＝20，C扫描速度＝4.5，横坐标表示偏离参考点，纵坐标表示熔覆层宽度(mm)，显示了工艺参数3个因素与熔覆层宽度响应值之间的影响关系。当激光功率不断增加时，熔覆层宽度也随之增大。主要是因为激光功率的增加，造成一定范围内的基体与粉末激光能量变大，增大了作用范围，使熔覆层宽度增加。还可以看出，当送粉量不断增大时，熔覆层宽度也随之变大。主要是因为一定时间范围内参与加工的粉末变多了。当扫描速度增加，熔覆层宽度减小，这是由于扫描速度增大后，单位体积内熔覆的粉末和基体所吸收的能量降低，造成熔池中液态金属的流动性变慢，从而降低熔覆层宽度。
(2)工艺参数对熔覆层高度影响分析
图3是熔覆层高度摄动图，图中A激光功率＝2.1，B送粉量＝20，C扫描速度＝4.5，横坐标表示偏离参考点，纵坐标表示熔覆层高度(mm)，表达了工艺参数的3个因素与熔覆层高度响应值之间的影响关系。分析图3，当激光功率不断增大时，熔覆层高度也随之增大。但当增大到一定数值时，熔覆层高度迅速减小。主要是因为激光功率的增大，造成一定范围内的基体与粉末激光能量变大，增大了作用范围，使熔覆层高度增加。但是熔池中的温度也在增加，使熔化的金属的粘度降低，加大了流动性，造成熔覆层高度逐渐下降。分析摄动图还可以看出，随着送粉量的增大，熔覆层高度也在增加。这是由于在送粉量较大的情况下，向熔池中注入的颗粒越多，熔覆层的高度也随之增加；扫描速度对熔覆层高度有负面影响，熔覆层高度随着扫描速度的加大而减小，因为扫描速度的增加会导致一些颗粒未被注入熔池，从而降低熔覆层的高度。
Claims (1)
1.一种用于合金钢的激光单道熔覆成形控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先采用基于响应面法中的中心复合实验设计，通过改变激光功率、送粉量和扫描速度这些工艺参数，进行激光单道熔覆实验；
(2)然后使用Design-Expert软件对得到的实验数据进行拟合以及方差分析，构建步骤(1)的工艺参数与熔覆层成形形状的宽度、高度回归模型，再通过实验验证回归模型的预测精度；
(3)最后通过激光熔覆工艺参数对熔覆层成形形状的影响分析，在零件再制造时为工艺参数的选择提供依据。
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