曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝及
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆3D成形具有較為廣闊的發(fā)展前景，能夠快速成形出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。目前，較為成熟的激光熔覆快速的制造工藝有:激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)和激光金屬沉積技術(shù)(LMD)。
[0003]然而，上述兩種成形工藝沿水平法向搭接堆積，難以成形具有懸垂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件。且一般的激光熔覆搭接技術(shù)沿已成型表面進(jìn)行搭接時(shí)，對(duì)曲率實(shí)體件成形而言，無法克服內(nèi)外層弧長不一致問題。
[0004]具體第，如圖1所示，一般的激光熔覆工藝沿前層表面進(jìn)行搭接，搭接過程中離焦量保持不變，設(shè)每層層高增加相等為hο如此，則對(duì)于曲率件堆積搭接過程中，如果每層增加量均為h，則外層生長量達(dá)不到H，從而導(dǎo)致工件成形產(chǎn)生缺陷。
[0005]因此，針對(duì)上述問題，有必要提出進(jìn)一步的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝及裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝，其包括如下步驟:
[0008]S1、設(shè)定激光熔覆頭的初始負(fù)離焦為3-4mm，所述激光熔覆頭可發(fā)射環(huán)錐形聚焦激光束，所述環(huán)錐形聚焦激光束具有對(duì)應(yīng)的初始負(fù)離焦位置，控制基體材料位于所述初始負(fù)離焦位置；
[0009]S2、控制環(huán)錐形聚焦激光束、激光束內(nèi)部的送粉束、以及激光束和送粉束之間的準(zhǔn)直氣，在熔覆過程中，始終相對(duì)基體材料的待熔覆表面同軸出射；
[0010]S3、控制激光熔覆頭的姿態(tài)，沿曲率實(shí)體件的半徑方向，自內(nèi)而外逐層搭接熔覆各熔道層，搭接熔覆形成的各熔道層形成一層熔覆層，在一層熔覆層的搭接熔覆過程中，激光熔覆頭的負(fù)離焦量隨搭接熔覆的進(jìn)行而逐漸減??；
[0011 ] S4、重復(fù)步驟S2和S3，至曲率實(shí)體件完全成形。
[0012]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述激光熔覆成形工藝中，在步驟SI之前還包括:對(duì)基體材料以及送粉束所使用的粉末進(jìn)行前處理。
[0013]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述前處理具體包括:采用砂紙對(duì)基體材料的表面進(jìn)行打磨，并用酒精去除油污后，再用丙酮清洗;將所使用的粉末在200度的烘箱內(nèi)放置2h，烘干去除水分。
[0014]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述環(huán)錐形聚焦激光束內(nèi)部送粉束的直徑為2mm。
[0015]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述步驟S3中，當(dāng)形成的一層熔覆層為初始熔覆層時(shí)，初始熔覆層的各熔道層對(duì)應(yīng)的激光熔覆頭的負(fù)離焦量為初始負(fù)離焦；當(dāng)形成的一層熔覆層并非初始熔覆層時(shí)，相應(yīng)熔覆層的最內(nèi)側(cè)熔道層對(duì)應(yīng)的激光熔覆頭的負(fù)離焦量為初始負(fù)離焦。
[0016]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述步驟S3具體包括:
[0017]S31、建立空間坐標(biāo)系，設(shè)置所述各熔覆層中最內(nèi)側(cè)熔道層的坐標(biāo)值XP[1]?XP[m];
[0018]S32、每層熔覆層熔覆時(shí)，控制激光熔覆頭運(yùn)動(dòng)至XP[n]的坐標(biāo)值位置處，沿z軸方向掃描單道，其中，l<n<m;
[0019]S33、掃描完畢，控制激光熔覆頭返回至XP[n]的坐標(biāo)值位置處，控制激光熔覆頭的姿態(tài)，并沿實(shí)體件的半徑方向，向外運(yùn)動(dòng)至下一熔道層對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值位置處，沿z軸方向掃描單道；
[0020]S34、重復(fù)步驟S33，至相應(yīng)熔覆層完全成形。
[0021]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述步驟S33中，控制激光熔覆頭的姿態(tài)時(shí)，最內(nèi)層熔覆噴頭沿曲率實(shí)體件的半徑方向的法向的單次轉(zhuǎn)角為Θ ;
[0022]其中，0=h/r，公式中，h為最內(nèi)側(cè)堆積提升量，r為最內(nèi)側(cè)圓弧曲率半徑。
[0023]作為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的改進(jìn)，所述步驟S3中，環(huán)錐形聚焦激光束的掃描速度為6-8mm/s，送粉束的供粉率為7-9g/min，準(zhǔn)直氣的氣壓為0.02MPa。
[0024]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種曲率實(shí)體件激光熔覆成形裝置，其包括:高功率激光器系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、送粉器、光內(nèi)送粉恪覆頭、準(zhǔn)直氣輸送系統(tǒng)。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝基于中空激光以及光內(nèi)送粉技術(shù)，針對(duì)曲率實(shí)體件搭接過程中的內(nèi)外側(cè)弧長不一致的問題進(jìn)行不等高搭接。進(jìn)一步地，沿半徑方向的不等高搭接熔覆過程中，離焦量隨搭接熔覆的進(jìn)行而逐漸減小，克服了曲率實(shí)體件成形過程中的內(nèi)外側(cè)弧長不一致的問題，有效保證了曲率實(shí)體件的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為現(xiàn)有的激光熔覆工藝對(duì)曲率實(shí)體件進(jìn)行激光熔覆搭接時(shí)的原理圖；
[0028]圖2為中空激光熔覆頭層高與離焦量的變化曲線圖；
[0029]圖3為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的原理圖；
[0030]圖4為本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝一【具體實(shí)施方式】的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0032]本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝基于不等高搭接自適應(yīng)原理，其可以根據(jù)不同曲率半徑處弧長的不同而自動(dòng)適應(yīng)所需生長的高度。
[0033]具體地，所述不等高搭接自適應(yīng)原理如下:
[0034]中空激光熔覆頭層高與離焦量的變化曲線如圖2所示。當(dāng)負(fù)離焦量大于1.5mm時(shí)(負(fù)離焦量為工作位置的絕對(duì)值)，單層高度隨離焦量的增大而減小。而熔覆頭由內(nèi)而外離焦量逐漸減小，則生長量逐漸增加。由圖2可知，本實(shí)驗(yàn)熔覆噴頭自愈合區(qū)間為-1.5mm?-
5.5mm。由于熔覆噴頭與熔池間需保持一定安全距離，負(fù)離焦量大于5.5_區(qū)間沒有試驗(yàn)。成形過程中為保證內(nèi)外側(cè)圓弧差在自適應(yīng)范圍內(nèi)，應(yīng)滿足公式(I)，即:
[0035](R-r)9<5h……(I)；
[0036]為工作點(diǎn)高度與單道最大高度差的絕對(duì)值，其中，R為最外側(cè)圓弧曲率半徑，r為最內(nèi)側(cè)圓弧曲率半徑，Θ為單次轉(zhuǎn)角，Sh為圓弧內(nèi)外側(cè)工作離焦量下對(duì)應(yīng)的單層高度差。
[0037]實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，單層高度為因變量，離焦量為自變量，故實(shí)驗(yàn)的順利與否取決于離焦量的變化。近似認(rèn)為層度與離焦量變化成正比，取離焦量1.5m?5.5mm之間的單道層高數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得其直線斜率為K。故公式(I)修改為:
[0038](R-r)9 <ΚΔ ……(2)；
[0039]其中，Δ為圓弧內(nèi)外層工作離焦量差的絕對(duì)值(mm)分別為圓弧內(nèi)外側(cè)圓弧半徑(mm)，θ為單次轉(zhuǎn)角(弧度)。
[0040]從而，當(dāng)Θ值一定時(shí)，根據(jù)公式(2)得最大可成形件壁厚S，即:
[0041]S = R-r<KA/0……(3)。
[0042]其中，r、R分別為圓弧內(nèi)外側(cè)圓弧半徑(mm)，K為直線斜率，Δ為圓弧內(nèi)外層工作離焦量差的絕對(duì)值(mm)，θ為單次轉(zhuǎn)角(弧度)。
[0043]如圖3所示，基于上述不等高搭接自適應(yīng)原理，下面對(duì)本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0044]本發(fā)明的曲率實(shí)體件激光熔覆成形工藝包括如下步驟SI?S4:
[0045]S1、設(shè)定激光熔覆頭的初始負(fù)離焦為3_4mm，所述激光熔覆頭可發(fā)射環(huán)錐形聚焦激光束，所述環(huán)錐形聚焦激光束具有對(duì)應(yīng)的初始負(fù)離焦位置，控制基體材料位于所述初始負(fù)離焦位置。
[00