專利名稱：提高激光金屬成形零件表面平整度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用激光熔覆匯聚的金屬粉末到基材表面來進(jìn)行三維成形的激光 金屬直接成形技術(shù)，適合于激光金屬直接成形制造、激光表面熔覆和易損零部件的激光修 復(fù)等領(lǐng)域，特別涉及一種提高成形零件表面平整度和降低表面粗糙度的方法。
背景技術(shù)：
激光金屬直接成形技術(shù)是以快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)為基礎(chǔ)，直接制造金屬 零件的方法。包括以下步驟1、建模，利用計算機(jī)設(shè)計出零件的三維立體模型；2、切片，將 三維立體模型用垂直于Z軸的無窮大的平面切成非常薄的片層，將三維零件轉(zhuǎn)換為二維截 面；3、利用零件的截面信息，控制熔覆頭在工作臺上運(yùn)動，熔覆頭一邊輸送金屬粉末，一邊 輸送激光，在截面實體區(qū)域，激光打開，在非實體區(qū)域，激光關(guān)閉；4、粉末在激光作用下快速 熔化，并迅速凝固；5、從第3步開始重復(fù)，并不斷沿著Z軸提升，便在基材上成形了三維零 件。該工藝方法制造的零件具有以下優(yōu)點(1)快速響應(yīng)市場，縮短產(chǎn)品周期；(2)直接近凈 成形制造，制造出來的零件不需要或僅少量后處理就可直接交付使用；(3)適合制造形狀 復(fù)雜尤其是薄壁零件；(4)層間冶金結(jié)合，組織致密，力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)。正因為如此，激 光金屬直接成形在航空航天、汽車船舶和武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于粉末熔化和凝固的過程非常短暫，而且影響成形過程的因素非常多，成 形件容易出現(xiàn)塌陷、結(jié)瘤、表面不平整等缺陷。尤其是表面不平嚴(yán)重情況下，成形過程無法 繼續(xù)進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決背景技術(shù)所述困擾激光金屬成形的成形件塌陷、結(jié)瘤、表面不平整 等問題，提供了一種采用不同掃描速度提高成形零件表面平整度和降低成形側(cè)表面粗糙度 的方法。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，其特征在于，包括下述步驟(1)在熔覆每一層的過程中，先沿著輪廓邊沿以第一掃描速度由邊向內(nèi)熔覆1 3 道，所述輪廓邊沿指成形零件當(dāng)前成形截面的內(nèi)、外輪廓封閉環(huán)；(2)然后以第二掃描速度以光柵式或共形輪廓掃描方式對填充區(qū)域進(jìn)行填充式熔 覆；其中，第二掃描速度大于第一掃描速度；所述填充區(qū)域指成形截面上除了輪廓邊沿之 外的實體部分；(3)在相鄰兩層的熔覆過程中，當(dāng)采用光柵式掃描方式時，應(yīng)使相鄰兩層光柵掃描 方向保持一定的夾角，以防止誤差在XY平面上同一點處造成累積而形成偏聚。上述方案中，所述第一掃描速度為6 10mm/S ；第二掃描速度為8 15mm/s。所 述相鄰兩層光柵掃描方向的夾角為90° 120°。所述輪廓與填充區(qū)域相連接部分有補(bǔ)償 間隙，間隙寬度小于等于單道的熔覆寬度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在每層的熔覆過程中，先沿著輪廓邊沿低速熔覆，然后以 光柵式或共形輪廓的掃描方式對實體部分以高于邊沿的掃描速度進(jìn)行填充式熔覆，從而提 高了激光熔覆實體零件表面平整度，同時也降低成形側(cè)表面的粗糙度；具有實施簡單、便于 控制、效果顯著的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的激光金屬成形原理圖。圖中1、輪廓邊沿；2、填充部分；3、激光器； 4、送粉噴嘴。圖2是本發(fā)明的激光金屬成形掃描路徑示意圖。圖中①②③④表示掃描順序。圖3是本發(fā)明的激光金屬成形熔覆層表面平整度示意圖。圖4是未采用本發(fā)明方法制造的零件照片。圖5是應(yīng)用本發(fā)明方法后制造的零件照片。圖6是圖5零件的局部放大照片。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，一種提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，包括下述步驟(1)在熔覆每一層的過程中，先沿著截面上輪廓邊界以較低速度(V邊沿=6 10mm/s)由邊向內(nèi)熔覆1 3道，由于速度降低，等價于同時提高了能量密度和粉末濃度，使 得邊沿的熔覆層厚度增大，避免了成形層邊沿的塌陷和結(jié)瘤等缺陷；(2)以較高掃描速度(V㈣=8 15mm/s)填充截面上除去邊沿的實體部分；填充 方式可以為光柵式或共形輪廓式(也叫輪廓偏置式)；(3)在相鄰兩層的熔覆過程中，當(dāng)采用光柵式掃描方式時，相鄰兩層光柵掃描方向 的夾角應(yīng)為90° 120°，以防止誤差在XY平面上同一點處累積。在圖1的實驗過程中，激光器3的功率和送粉噴嘴4的送粉量均保持不變；掃描 時，采用先掃描邊沿部分1、后掃描填充部分2。填充部分2和邊沿部分1之間如有補(bǔ)償間 隙；其寬度小于單道的熔覆寬度。具體熔覆次序可參見圖2，①為外邊沿；②為內(nèi)邊沿；③為填充部分外側(cè)；④為填 充部分內(nèi)側(cè)。如圖3所示，由于熔池中液態(tài)金屬的表面張力及粉末顆粒的熔入與激光束和噴嘴 送粉氣流之間的相互作用下，導(dǎo)致熔覆層表面和側(cè)面并不是理想的平面，而是具有周期性 的波峰、波谷形式的表面[圖3(a)]。熔覆層表面的波峰與波谷之間的差值，定義為表面平 整度s[圖3(b)]。本發(fā)明方法可以將表面平整度s控制在小于0. 05mm。圖4為未采用本發(fā)明方法的成形效果，可以看到側(cè)壁有溝壑狀缺陷[圖4(a)]； 上表面邊沿坍塌[圖4(b)]，成形無法繼續(xù)；測量其側(cè)面較平整部分，粗糙度最小為Ra = 13. 5 u m。圖5和圖6為采用本發(fā)明方法的成形效果，可以看到零件側(cè)壁平整；經(jīng)測量，其側(cè) 面沿豎直方向粗糙度小于Ra = 5iim，頂部表面平整度s = 0. 03mm。
權(quán)利要求
一種提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，其特征在于，包括下述步驟(1)在熔覆每一層的過程中，先沿著輪廓邊沿以第一掃描速度由邊向內(nèi)熔覆1～3道，所述輪廓邊沿指成形零件當(dāng)前成形截面的內(nèi)、外輪廓封閉環(huán)；(2)然后以第二掃描速度，基于光柵式或共形輪廓掃描方式對填充區(qū)域進(jìn)行填充式熔覆；其中，第二掃描速度大于第一掃描速度；所述填充區(qū)域指當(dāng)前成形截面上除了輪廓邊沿之外的實體部分；(3)在相鄰兩層的熔覆過程中，當(dāng)采用光柵式掃描方式時，應(yīng)使相鄰兩層光柵掃描方向保持一定的夾角，以防止誤差在XY平面上同一點處造成累積而形成偏聚。
2.如權(quán)利要求1所述的提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 第一掃描速度為6 15mm/s ；第二掃描速度為8 20mm/s。
3.如權(quán)利要求1所述的提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 激光熔覆相鄰兩層光柵掃描方向的夾角應(yīng)為90° 120°。
4.如權(quán)利要求1所述的提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，其特征在于所述 輪廓與填充區(qū)域相連接部分有補(bǔ)償間隙，間隙寬度小于等于單道的熔覆寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高激光金屬成形零件表面平整度的方法，主要應(yīng)用于激光金屬直接成形制造、激光表面熔覆、易損零部件的激光修復(fù)、快速成形等制造領(lǐng)域。在激光金屬直接成形過程中，在其它工藝參數(shù)保持不變時，通過合理降低截面輪廓內(nèi)環(huán)和輪廓外環(huán)(亦即邊沿處)的掃描速度、合理提高填充區(qū)域的掃描速度來有效提高激光金屬成形零件表面的平整度和降低成形側(cè)面的表面粗糙度，具有實施簡單、便于控制、效果顯著的優(yōu)點，本發(fā)明可有效地提高激光金屬成形零件熔覆層表面的平整度和降低熔覆側(cè)面的表面粗糙度。
文檔編號C23C24/10GK101899662SQ20101023433
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者盧秉恒, 同治強(qiáng), 張安峰, 朱剛賢, 李滌塵, 路橋潘 申請人:西安交通大學(xué);西安瑞特快速制造工程研究有限公司