一種激光近凈成形過程中快速確定激光功率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種激光近凈成形過程中快速確定激光功率的方法，主要包括以下步驟：(1)首先根據(jù)成形零件設(shè)計(jì)要求確定單道沉積寬度w及材料種類，并根據(jù)設(shè)備工作范圍將掃描速度v及送粉速率作為輸入?yún)?shù)直接給定；(2)根據(jù)成形材料的種類及加工過程特征確定粉末利用率u1，激光吸收率u2，及其前一沉積層溫度T1；(3)然后將上述所得數(shù)據(jù)及成形所用材料的物性參數(shù)代入基于能量守恒定律推導(dǎo)的激光功率模型直接計(jì)算得到所需激光功率值P。本發(fā)明利用數(shù)學(xué)模型綜合考慮了影響所需激光功率的主要參數(shù)，可直接并準(zhǔn)確地得到給定工藝參數(shù)條件下成形所需的激光功率值，避免了大量實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工作并提高了確定參數(shù)的準(zhǔn)確性及效率。
【專利說明】一種激光近凈成形過程中快速確定激光功率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光近凈成形過程中確定激光功率值的方法，屬于激光近凈成形【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光近凈成形技術(shù)是一種基于激光的增材制造技術(shù)，可用于金屬、陶瓷及塑料等零件的直接成形，在國防軍事、生物醫(yī)療、海洋工程等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。激光近凈成形過程是一個(gè)復(fù)雜的多場耦合過程，影響成形質(zhì)量的因素較多，包括成形環(huán)境、工藝參數(shù)、設(shè)備條件及成形材料本身的特性等，而在這些影響因素中，成形工藝參數(shù)是對(duì)成形零件尺寸精度，微觀組織及機(jī)械性能最主要的影響因素。對(duì)于常規(guī)激光近凈成形系統(tǒng)，工藝參數(shù)主要包括掃描速度V、送粉速率:TO,及激光功率P，三個(gè)參數(shù)相互影響，共同決定成形零件的質(zhì)量。
[0003]目前，激光近凈成形過程中確定工藝參數(shù)，尤其是確定激光功率值的方法主要是實(shí)驗(yàn)法，即利用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行單道單層或單道多層成形并進(jìn)行優(yōu)化得到成形效果較好的工藝參數(shù)組合，進(jìn)而利用優(yōu)化得到的工藝參數(shù)進(jìn)行零件的最終成形。該方法需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，并需要有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行操作和效果判定，不僅增加了制造成本而且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)含有較多的人為因素，難以獲得理想的工藝參數(shù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)法只針對(duì)某一種特定的材料有效，如果成形材料更換，則需要進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)來確定相應(yīng)的工藝參數(shù)。
[0004]利用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化確定的研究較多，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道如下:
[0005]中國學(xué)者程晶，張永忠等:“激光快速成形技術(shù)制備Al/SiC復(fù)合材料工藝參數(shù)研究”，《金屬熱處理》，2002年27卷。
[0006]中國學(xué)者卞宏友，王婷等:“激光沉積成形工藝參數(shù)對(duì)熔池溫度及成形尺寸的影響”，《應(yīng)用激光》，2013年33卷。
[0007]中國學(xué)者薛春芳，董世運(yùn)等:“工藝參數(shù)對(duì)激光直接燒結(jié)成型涂覆層的影響”，《機(jī)械工程材料》，2003年27卷。
[0008]中國學(xué)者趙靖，曹文斌等:“工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金粉末激光快速燒結(jié)成形的影響”，《稀有金屬材料與工程》，2008年37卷。
[0009]中國學(xué)者于君，陳靜等:“激光快速成形工藝參數(shù)對(duì)沉積層的影響”，《中國激光》，2007 年 34 卷。
[0010]目前在基于激光的增材制造領(lǐng)域中，激光功率參數(shù)的確定主要以單因素實(shí)驗(yàn)或正交實(shí)驗(yàn)為主，而利用實(shí)驗(yàn)法確定激光功率參數(shù)具有成本高、效率低且結(jié)果不夠準(zhǔn)確等缺陷。尤其是對(duì)于工藝參數(shù)合理范圍非常狹窄的成形過程，如成形高溫合金及陶瓷零件等，僅利用實(shí)驗(yàn)法難以確定最優(yōu)的參數(shù)。因此，尋找一種可以快速準(zhǔn)確確定激光功率的方法對(duì)于激光近凈成形技術(shù)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]為解決激光近凈成形過程中實(shí)驗(yàn)法確定工藝參數(shù)效率低下、準(zhǔn)確度不高等問題，本發(fā)明提出一種利用數(shù)學(xué)模型快速并準(zhǔn)確確定激光功率參數(shù)的方法，不但可以直接計(jì)算某工藝參數(shù)條件下的所需激光功率，而且該模型可靈活地適用于不同材料的成形。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，該快速確定激光功率的方法包括以下步驟:
[0013]A、根據(jù)成形零件的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定單道沉積寬度W、機(jī)床的掃描速度V及送粉器的送粉速率Jli。
[0014]B、根據(jù)單道沉積寬度w及與機(jī)床耦合的送粉噴嘴的粉末流焦點(diǎn)大小確定粉末利用率W。粉末利用率與熔池大小及粉末流的匯聚狀態(tài)有關(guān)系，粉末利用率的值可以通過實(shí)際成形實(shí)驗(yàn)后的剩余粉末測量來計(jì)算，也可以通過熔池面積與粉末流截面面積的比值計(jì)算得出。
[0015]C、根據(jù)預(yù)成形材料的物理特性和激光本身的特性確定激光吸收率U2，成形材料的物理特性是指導(dǎo)電性、液固相態(tài)等，激光本身的特性是指波長、頻率等；
[0016]根據(jù)加工環(huán)境溫度、激光掃描方式及掃描速度V確定前一沉積層溫度
[0017]D、將步驟㈧所確定的單道沉積寬度W、掃描速度V、送粉速率Λ
及步驟⑶與(C)中所確定的粉末利用率Ul、激光吸收率U2、前一沉積層溫度T1,以及所成形材料的物性參數(shù)代入基于能量守恒推導(dǎo)出的激光功率模型
【權(quán)利要求】
1.一種激光近凈成形過程中快速確定激光功率的方法，其特征在于包括以下步驟: A、根據(jù)成形零件的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定單道沉積寬度W、機(jī)床的掃描速度V及送粉器的送粉速率m; B、根據(jù)單道沉積寬度w及與機(jī)床耦合的送粉噴嘴的粉末流焦點(diǎn)大小確定粉末利用率U1 ; C、根據(jù)預(yù)成形材料的物理特性和激光本身的特性確定激光吸收率u2，根據(jù)加工環(huán)境溫度、激光掃描方式及掃描速度V確定前一沉積層的溫度T1 ； D、將確定的單道沉積寬度W、掃描速度V、送粉速率Λ、粉末利用率U1、激光吸收率U2和前一沉積層溫度T1代入激光功率模型直接計(jì)算所需激光功率值:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的粉末利用率U1的值通過實(shí)際成形實(shí)驗(yàn)后的剩余粉末測量來計(jì)算或通過熔池面積與粉末流焦點(diǎn)處分布面積的比值計(jì)算得出。
【文檔編號(hào)】B29C67/04GK104029395SQ201410240479
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月31日
【發(fā)明者】吳東江, 牛方勇, 周思雨, 馬廣義, 張璧 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)