CN105349994B - 用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺 - Google Patents

用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其包括如下步骤：S1.建立准直长度与送粉工艺参数之间的关系式；S2.获得激光与基面不同夹角下，单道参数与搭接率；S3.生成零件内腔表面的三维模型；S4.生成送粉喷头的运动轨迹；S5.选择熔覆时的工艺参数；S6.根据步骤S5中的最大倾角、送粉工艺参数、熔覆工艺参数，控制送粉喷头按照所述运动轨迹进行内腔表面熔覆修复。本发明的激光熔覆工艺基于“光束中空、光内送粉”技术，克服了喷头非竖直送粉过程中粉束汇聚性差和空间干涉范围大的问题，并控制送粉喷头伸进零件内腔进行修复，可以获得良好的熔覆层，该熔覆层表面平整，没有明显的裂纹，微观组织良好，满足使用性能，从而延长零件的使用寿命。

Description

用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺
技术领域
本发明涉及一种熔覆工艺，特别是涉及一种用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺。
背景技术
激光熔覆技术由于具有冷却速度快、变形小、熔覆层性能优异等特点而得到广泛应用，例如，利用激光熔覆技术对零件的表面进行修复再制造和进行表面改性。
现有的激光熔覆技术主要是针对零件的外表面进行熔覆修复，如中国专利CN102732831A，“汽车模具的激光修复工艺”，利用激光熔覆技术对模具边角、上平面进行熔覆修复，表面达到使用要求，但是采用预置粉末形式，并不适用于内腔表面的修复。
中国专利CN103255412A，“一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法”，应用激光熔覆技术在柱形轧辊表面涂覆高硬度合金层，熔覆过程中光头姿态不变，主要依靠轧辊回转进行表面修复，不适用于需要变角度的内腔修复。
传统的激光熔覆送粉喷头是基于光外送粉原理，粉束离焦下汇聚性差，喷头尺寸较大，光外送粉喷头在零件外表面并且该外表面为接近水平面时，可获得良好的熔覆层，但在内腔表面特别是需要变角度、非水平面的内表面修复方面存在很大的局限性。
如靳晓曙、杨洗陈等(激光三维直接制造和再制造新型同轴送粉喷头的研究[J]，应用激光，2008,28(4))分析了影响同轴送粉喷头粉末流形貌和粉末流参数的因素，开发了新型的光外同轴送粉，提高了性能，但并不适用于内腔的修复。
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，本发明提供一种用于零件内腔表面，特别是具有变角度的内腔表面修复的激光熔覆工艺，以克服现有技术中存在的不足。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其包括如下步骤：
S1.建立激光内送粉喷头的粉束在不同倾斜角度下的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式；
S2.在激光轴线与基面法线不同夹角下，进行单道和多道搭接实验，获得激光与基面不同夹角下，单道参数与搭接率；
S3.生成零件内腔表面的三维模型；
S4.根据生成的三维模型以及送粉喷头的尺寸，生成送粉喷头的运动轨迹；
S5.根据激光轴线与零件内腔的熔覆基面法线的夹角，确定激光在每一层的最大倾角，根据步骤S1中建立的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式选择送粉时的工艺参数，并根据步骤S2中建立的单道参数与搭接率、以及步骤S4中的送粉喷头的运动轨迹选择熔覆时的工艺参数；
S6.根据步骤S5中的最大倾角、送粉工艺参数、熔覆工艺参数，控制送粉喷头按照所述运动轨迹进行表面熔覆修复。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述步骤S1中，所述送粉工艺参数包括：准直气速度、粉末载气速度、送粉速率。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述准直气速度为3m/s-5m/s，送粉速率为3g/min-30g/min。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述步骤S3中，生成零件内腔表面的三维模型时，通过获取零件的设计模型或逆向反求的方式建立相应三维模型。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述逆向反求采用三坐标测量、逐层扫描以及光学测量的方式进行。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述激光熔覆工艺中，在步骤S6之前还包括对所述零件的内腔进行预处理，所述预处理包括熔覆基面表面清理、疲劳层去除以及零件预热。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述步骤S5中，所述熔覆时的工艺参数包括激光功率、扫描速度、离焦量以及搭接率。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，所述步骤S6中，熔覆过程中，保持每层熔覆时，激光与熔覆基面法方向之间的夹角固定，并逐层进行表面熔覆修复，直至零件内腔表面修复完成。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，在进行同一层熔覆过程中，激光与熔覆基面法方向之间的夹角为熔覆基面对应的熔覆层与零件不产生干涉时的最大夹角。
作为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺的改进，在进行同一层熔覆过程中，激光束焦点与熔覆基面之间的距离保持固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺基于“光束中空、光内送粉”技术，克服了喷头非竖直送粉过程中粉束汇聚性差和空间干涉范围大的问题，并控制送粉喷头伸进零件内腔进行修复，可以获得良好的熔覆层，该熔覆层表面平整，没有明显的裂纹，微观组织良好，满足使用性能，从而延长零件的使用寿命。同时，通过本发明的激光熔覆工艺，可进行内腔表面改性以提高表面质量，节约生产成本。
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为本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺中光内送粉的原理图；
图2为单道实验示意图，其中，β为光束轴线与基面法线夹角，θ为基面法线与竖直方向夹角；
图3为零件内腔修复时，送粉喷头运动示意图。
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。
本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺包括如下步骤：
S1.建立激光内送粉喷头的粉束在不同倾斜角度下的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式。
如图1所示，具体地，光内送粉时，光束与粉束一体同轴。所述准直长度指送粉喷头出口粉束直径扩大至目标光斑直径时的长度。所述送粉工艺参数包括：准直气速度、粉末载气速度、送粉速率。
光内送粉的原理是通过锥形反射镜1和环形反射镜2将实心圆柱形光束3转换成中空锥形光束4。锥形光束轴线4上安装一根同轴粉管5和一根同轴保护气管6，由于粉管5喷出的粉束与环形气流准直，从而，光、粉、气一体同轴粉末的指向性好，粉束在各倾角下能保持较小的发散角，采用光内送粉技术，送粉喷头的尺寸较小，可伸进内腔进行熔覆。
此外，离焦下锥形光束形成的光斑为环形，相比圆形光斑能量发生外移，弥补边缘能量不足，有利于采用合适的搭接率，提高熔覆层表面平整度和搭接区的组织性能，保证内腔表面修复的质量。
在内腔修复过程中，激光不能保持竖直状态而要倾斜一个角度，从而需要考虑重力对粉末的影响。因此，研究在不同倾斜角度下粉末准直长度与送粉工艺参数的关系。上述不同倾角的取值范围为0°～90°，准直气速度为3m/s-5m/s，送粉速率为3g/min-30g/min，最后制定表格供查找。
S2.在激光轴线与基面法线不同夹角下，进行单道和多道搭接实验，建立激光与基面不同夹角下，单道参数与搭接率。
如图2所示，具体地，单道参数主要是单道的宽度、高度以及熔池的偏移量，所述熔池的偏移量指熔覆层最高点轴线位置偏离激光束轴线位置间的距离，从而，根据单道参数优化搭接率。
进一步地，在激光轴线与基面法线不同夹角下，进行单道和多道搭接实验，获得不同夹角下的单道参数和合适的搭接率。具体地，图2中，激光光束运动方向为垂直纸面，进行基面8法线7不同夹角(0°-90°)下的实验。所述实验包括基面在不同倾角的状态下，激光光束方向与其各夹角角度(0°-70°)下的实验。
此时，光内送粉喷头工艺参数为：激光功率为600W-1800W之间，激光扫描速度为5mm/s-10mm/s，环形光斑直径为2mm-5mm，搭接率在30％-50％之间。
S3.生成零件内腔表面的三维模型。
具体地，生成零件内腔表面的三维模型时，通过获取零件的设计模型或逆向反求的方式建立相应三维模型。其中，所述逆向反求采用三坐标测量、逐层扫描以及光学测量的方式进行。
S4.根据生成的三维模型以及送粉喷头的尺寸，生成送粉喷头的运动轨迹。
如图3所示，具体地，所述运动轨迹包括送粉喷头9轴线与基面之间的夹角即姿态信息。同时，由于内腔10尺寸小，激光光束不能与基面进行垂直熔覆，需要倾斜一定的角度。其中，倾角和运动轨迹根据零件内腔几何信息和送粉喷头尺寸确定，确保不发生干涉。本实施例中，保持零件水平放置，待修复内腔面与竖直方向夹角5°，确定光束与基面夹角最大为30°。
上述运动轨迹的生成方法主要包含四种，(1)示教编程，该方法是将要运动轨迹上的点示教给机器人，由点生成轨迹，若采用此方式可以跳过内腔表面三维信息获取步骤；(2)高级编程，利用机器人高级编程软件进行编程，对于可以精确获得内腔表面信息的情况可采用此方法；(3)离线编程，采用第三方编程软件，导入三维模型，自动生成轨迹路径；(4)在线编程，该方式是基于高精度传感器***，实时检测待修复曲面轮廓，将表面信息并反馈至机器人控制***，生成机器人运动代码，控制送粉喷头进行运动，该方法可适用不同形状的内腔表面。
S5.根据激光轴线与零件内腔的熔覆基面法线的夹角，确定激光在每一层的最大倾角，根据步骤S1中建立的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式选择送粉时的工艺参数，并根据步骤S2中建立的单道参数与工艺参数之间的关系、以及步骤S4中的送粉喷头的运动轨迹选择熔覆时的工艺参数。
其中，所述熔覆时的工艺参数包括激光功率、扫描速度、离焦量以及搭接率。具体地，离焦量的选择通过粉束的准直长度获得，激光功率、扫描速度通过光束轴线与熔覆基面法线不同夹角下的正交优化实验获得，参数选择时保证每层熔道具有相同的高度以获得平整的表面。
此外，在进行内腔表面熔覆修复之前，所述激光熔覆工艺中，在步骤S6之前还包括对所述零件的内腔进行预处理，所述预处理包括熔覆基面表面清理、疲劳层去除以及零件预热。
S6.根据步骤S5中的最大倾角、送粉工艺参数、熔覆工艺参数，控制送粉喷头按照所述运动轨迹进行表面熔覆修复。
所述步骤S6中，熔覆过程中，保持每层熔覆时，激光与熔覆基面法方向之间的夹角固定，并逐层进行表面熔覆修复，直至零件内腔表面修复完成。此外，在进行同一层熔覆过程中，激光与熔覆基面法方向之间的夹角为熔覆基面对应的熔覆层与零件不产生干涉时的最大夹角。同时，在进行同一层熔覆过程中，激光束焦点与熔覆基面之间的距离保持固定。
综上所示，本发明的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺基于“光束中空、光内送粉”技术，克服了喷头非竖直送粉过程中粉束汇聚性差和空间干涉范围大的问题，并控制送粉喷头伸进零件内腔进行修复，可以获得良好的熔覆层，该熔覆层表面平整，没有明显的裂纹，微观组织良好，满足使用性能，从而延长零件的使用寿命。同时，通过本发明的激光熔覆工艺，可进行内腔表面改性以提高表面质量，节约生产成本。
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合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述激光熔覆工艺包括如下步骤：
S1.建立激光内送粉喷头的粉束在不同倾斜角度下的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式；
S2.在激光轴线与基面法线不同夹角下，进行单道和多道搭接实验，获得激光与基面不同夹角下，单道参数与搭接率；
S3.生成零件内腔表面的三维模型；
S4.根据生成的三维模型以及送粉喷头的尺寸，生成送粉喷头的运动轨迹；
S5.根据激光轴线与零件内腔的熔覆基面法线的夹角，确定激光在每一层的最大倾角，根据步骤S1中建立的准直长度与送粉工艺参数之间的关系式选择送粉时的工艺参数，并根据步骤S2中建立的单道参数与搭接率、以及步骤S4中的送粉喷头的运动轨迹选择熔覆时的工艺参数；
S6.根据步骤S5中的最大倾角、送粉工艺参数、熔覆工艺参数，控制送粉喷头按照所述运动轨迹进行表面熔覆修复。
2.根据权利要求1所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S1中，所述送粉工艺参数包括：准直气速度、粉末载气速度、送粉速率。
3.根据权利要求2所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述准直气速度为3m/s-5m/s，送粉速率为3g/min-30g/min。
4.根据权利要求1所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S3中，生成零件内腔表面的三维模型时，通过获取零件的设计模型或逆向反求的方式建立相应三维模型。
5.根据权利要求4所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述逆向反求采用三坐标测量、逐层扫描以及光学测量的方式进行。
6.根据权利要求1所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述激光熔覆工艺中，在步骤S6之前还包括对所述零件的内腔进行预处理，所述预处理包括熔覆基面表面清理、疲劳层去除以及零件预热。
7.根据权利要求1所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S5中，所述熔覆时的工艺参数包括激光功率、扫描速度、离焦量以及搭接率。
8.根据权利要求1所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，所述步骤S6中，熔覆过程中，保持每层熔覆时，激光轴线与熔覆基面法方向之间的夹角固定，并逐层进行表面熔覆修复，直至零件内腔表面修复完成。
9.根据权利要求8所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，在进行同一层熔覆过程中，激光轴线与熔覆基面法方向之间的夹角为熔覆基面对应的熔覆层与零件不产生干涉时的最大夹角。
10.根据权利要求8所述的用于零件内腔表面修复的激光熔覆工艺，其特征在于，在进行同一层熔覆过程中，激光束焦点与熔覆基面之间的距离保持固定。
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