[发明专利]一种激光近净成形过程中快速确定Z轴提升量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光近净成形过程中确定Z轴提升量的方法，属于激光近净成形技术领域。

背景技术

激光近净成形技术是由美国Sandia国家实验室开发的一种基于激光的增材制造技术，可用于金属、陶瓷及塑料等零件的直接成形，在国防军事、生物医疗、海洋工程等诸多领域具有广泛的应用。该技术具有效率高、柔性大等优点，但其成形精度尚达不到传统的减材加工水平，尤其是沉积高度方向的精度要比水平方向的成形精度低一个数量级。而沉积高度方向精度不良的一个重要原因是Z轴提升量与相应工艺条件下的沉积层厚度不一致。只有设定的Z轴提升量值等于确定工艺条件下的实际单层沉积厚度，才能保证沉积过程稳定进行，进而保证沉积高度方向的精度。因此，目前对Z轴提升量的控制是激光近净成形技术研究的重点，主要的控制方法有实验法及闭环控制法。实验法是通过合理的单因素实验或正交实验得到某工艺参数条件下优化的Z轴提升量。另一种控制方法为闭环控制法，即利用传感器实时监测成形高度并向控制器反馈相应信号，进而通过调整扫描速度、送粉速率或激光功率等工艺参数来达到控制沉积高度的目的。

实验法及闭环控制法相关的文献报道如下：

中国学者卞宏友，王婷等：“激光沉积成形工艺参数对熔池温度及成形尺寸的影响”，《应用激光》，2013年33卷。

中国学者赵靖，曹文斌等：“工艺参数对镍基合金粉末激光快速烧结成形的影响”，《稀有技术材料与工程》，2008年37卷。

中国学者于君，陈静等：“激光快速成形工艺参数对沉积层的影响”，《中国激光》，2007年34卷。

中国学者谭华，陈静等：“激光快速成形过程的实时监测与闭环控制”，《应用激光》，2005年25卷。

中国学者宁国庆，钟敏霖等：“激光直接制造金属零件过程的闭环控制研究”，《应用激光》，2002年22卷。

中国学者王志坚：“装备零件激光再制造成形零件几何特征及成形精度控制研究”，华南理工大学博士学位论文，2010年。

中国学者张安峰，李涤尘等：“一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法”，西安交通大学专利，2010年。

实验法需要进行全面系统的实验摸索工作，效率相对较低且需要有经验的实验人员对成形效果进行评价，人为因素影响较大，准确性难以保证。而闭环控制法虽精度较高，但所需设备昂贵复杂，如需要高温传感器、红外高速摄像机及可变功率的激光器等。此外，当控制变量为扫描速度或激光功率时，单道沉积宽度会随二者的变化而变化，进而影响水平方向的成形精度。因此，寻找一种低成本准确确定Z轴提升量的方法对于提高激光近净成形精度，降低成形成本具有重要的意义。

发明内容

为解决现有激光近净成形过程中确定Z轴提升量成本较高、效率低下且准确度不高等问题，本发明提出一种利用数学模型快速并准确确定Z轴提升量的方法，可以直接计算某工艺参数条件下的最优Z轴提升量。

为实现上述目的，该快速确定激光功率的方法具体包括以下步骤：

A、利用预先设定的工艺参数即机床的扫描速度v、送粉器的送粉速率及激光器的激光功率P，确定沉积层宽度w。沉积层宽度w与扫描速度v、送粉速率及激光功率P有关系，沉积层宽度w的值可以通过成形单道单层沉积层后进行宽度测量得到，或通过沉积宽度工艺模型直接算出。

B、根据确定的沉积层宽度w及与机床耦合的送粉喷嘴的粉末流焦点大小确定粉末利用率u₁。粉末利用率与熔池大小及粉末流的汇聚状态有关系，粉末平均利用率的值可以通过实际成形实验后的剩余粉末测量来计算，也可以通过熔池面积与粉末流截面面积的比值计算得出。

C、将步骤(A)中所确定的单道沉积层宽度w、步骤(B)中所确定的粉末利用率u₁、设定的扫描速度v及送粉速率代入基于体积守恒推导出的Z轴提升量模型即可直接计算得到理论Z轴提升量值。其中，ρ指所成形材料的密度，(g/m³)。

Z轴提升量模型是基于一般激光近净成形过程及体积守恒推导出来的数学模型，反映了Z轴提升量与其他工艺参数之间的关系，其推导过程如下：

图1所示为典型的激光近净成形单道多层结构示意图，由于层层堆积的成形过程，单道多层结构形成层与层之间的条纹4，两条条纹之间的距离即为Z轴提升量Δz，两条条纹之间的体积就是每层的体积V₁，可表示为：

V₁＝Δz·w·L(1)