一种提高激光金属直接成形精度的试验方法

1.一种提高激光金属直接成形精度的试验方法，其特征在于，包括单道激光金属成形试验和薄壁零件堆积成形试验，金属成形的基材和送粉粉末为316L，其中：
所述的单道激光金属成形试验包括下述步骤：
(1)设定基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为5mm/s，送粉量为8.8g/min，送气量为6-8L/min；
(2)在平均输出功率相同的条件下，分别采用连续波、正弦波和方波加载进行激光单道金属成形，得到不同波形作用下单道金属成形熔覆层截面的尺寸；对比作用效果，方波加载对粉末的热效率影响最大，正弦波次之，连续波最小；
(3)在方波加载模式下调节平均输出功率、方波作用时间和重复频率对金属成形截面的影响规律如下：在基本工艺参数不变的情况下，平均输出功率越大，激光熔覆热效率越显著，热影响区越大；改变重复频率对于金属成形截面热影响区的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热效率越显著，热影响区也越大；
(4)在方波加载模式下，提高金属成形精度的优化工艺参数：平均输出功率、重复频率和方波作用时间分别为150W、100Hz和0.5ms；
所述的薄壁零件堆积成形试验包括下述步骤：
(1)设定基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为12g/min，送气量为6-8L/min；
(2)在平均输出功率相同的条件下，分别采用连续波、正弦波和方波加载进行薄壁零件堆积成形，得到不同波形作用下薄壁零件堆积成形熔覆层截面的尺寸；对比作用效果，方波加载对粉末的热效率影响最大，正弦波次之，连续波最小；
(3)在方波加载模式下调节平均输出功率、方波作用时间和重复频率对金属成形截面的影响规律如下：在基本工艺参数不变的情况下，平均输出功率越大，激光熔覆热效率越显著，热影响区越大；改变重复频率对于金属成形截面热影响区的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热效率越显著，热影响区也越大；
(4)在方波加载模式下，提高金属成形精度的优化工艺参数：平均输出功率、重复频率和方波作用时间分别为：200W、500Hz和0.1ms。

一种提高激光金属直接成形精度的试验方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种具有较小特征尺寸复杂零件的金属直接成形制造领域，适合于激光金属直接成形制造、激光表面熔覆和易损零部件的激光修复等制造领域，特别涉及一种提高激光金属直接成形精度的试验方法，\n[0002] 技术背景\n[0003] 激光金属直接成形技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术，以“离散-堆积”成形原理为基础。首先在计算机中生成最终功能零件的三维模型；然后将零件的三维数据信息转换为一系列的二维轮廓几何信息，层面几何信息融合成形参数生成扫描路径数控代码，控制成形系统采用同步送料激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料；最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。激光金属直接成形除了具有与快速原型技术相同的特点之外，还具有一些独特的优点：(1)制造速度快，节省材料，降低成本；(2)不需采用模具，使得制造成本降低15％～30％，生产周期节省40％～70％；(3)可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的零件；(4)可在零件不同部位形成不同成分和组织的梯度功能材料结构；(5)金属零件完全致密、组织细小，性能超过锻件，近成形件可直接使用或者仅需少量的后续机加工便可使用。由于具有以上优点，激光金属直接成形技术逐渐成为先进制造技术研究的热点，并在航空航天、汽车船舶和武器装备等领域得到广泛应用。然而，由于成形工艺条件复杂，熔池形状受基材与粉末合金物理化学性能、激光成形工艺参数等诸多因素的影响，对于熔池宽度的控制难度较大，而熔池宽度又直接影响金属成形宽度的大小，并最终决定了金属直接成形的最小特征尺寸，因此零件的成形精度问题始终是制约其发展的重要因素之一。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是提供一种在激光金属直接成形过程中获得较小特征尺寸的成形零件的试验方法，该方法可以提高激光金属直接成形零件的制造精度。\n[0005] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：\n[0006] 一种提高激光金属直接成形精度的试验方法，包括单道激光金属成形试验和薄壁零件堆积成形试验，其中：\n[0007] 所述的单道激光金属成形试验包括下述步骤：\n[0008] (1)设定基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为5mm/s，送粉量为\n8.8g/min，送气量为6-8L/min；\n[0009] (2)在平均输出功率相同的条件下，分别采用连续波、正弦波和方波加载进行激光单道金属成形，得到不同波形作用下单道金属成形熔覆层截面的尺寸；对比作用效果，方波加载对粉末的热效率影响最大，正弦波次之，连续波最小；\n[0010] (3)在方波加载模式下调节平均输出功率、方波作用时间和重复频率对金属成形截面的影响规律如下：在基本工艺参数不变的情况下，平均输出功率越大，激光熔覆热效率越显著，热影响区越大；改变重复频率对于金属成形截面热影响区的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热效率越显著，热影响区也越大；\n[0011] (4)在方波加载模式下，提高金属成形精度的优化工艺参数：平均输出功率、重复频率和方波作用时间分别为150W、100Hz、0.5ms；\n[0012] 所述的薄壁零件堆积成形试验包括下述步骤：\n[0013] (1)设定基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为\n12g/min，送气量为6-8L/min；\n[0014] (2)在平均输出功率相同的条件下，分别采用连续波、正弦波和方波加载进行薄壁零件堆积成形，得到不同波形作用下薄壁零件堆积成形熔覆层截面的尺寸；对比作用效果，方波加载对粉末的热效率影响最大，正弦波次之，连续波最小；\n[0015] (3)在方波加载模式下调节平均输出功率、方波作用时间和重复频率对金属成形截面的影响规律如下：在基本工艺参数不变的情况下，平均输出功率越大，激光熔覆热效率越显著，热影响区越大；改变重复频率对于金属成形截面热影响区的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热效率越显著，热影响区也越大；\n[0016] (4)在方波加载模式下，提高金属成形精度的优化工艺参数：平均输出功率、重复频率和方波作用时间分别为：200W、500Hz、0.1ms。\n[0017] 上述方案中，所述金属成形的基材和送粉粉末为316L或其它奥氏体不锈钢。所述薄壁零件堆积成形试验的步骤(2)中，在连续波作用模式下，平均输出功率取270W时，可以得到较好的金属成形截面。\n[0018] 本发明从波形特征的角度出发，提出了运用方波加载来实现提高激光金属直接成形精度的试验方法，对于具有复杂结构和小特征尺寸的零件成形具有重要意义，在航空航天、汽车船舶、生物医学、装备制造等领域有广阔的应用前景。提出了选用激光束较小光斑直径、再利用不同波形特征的激光加载方法制造零件，首先根据基材和粉末物理化学性能选择基本工艺参数和合\n[0019] 适的平均输出功率，在平均输出功率相同的条件下，分别采用连续波、正弦波和方波加载进行激光单道金属成形实验，通过将不同波形作用下的金属成形截面在光学显微镜下测量后进行对比和分析，得到不同波形作用下单道金属成形截面的变化规律；然后针对方波各种参数，探讨方波作用模式下平均输出功率、峰值功率和重复频率对单道金属成形截面的影响；通过综合分析和比较，得到提高成形精度的工艺参数。整个实验过程中的光斑直径、扫描速度、送粉量和送气量都保持不变。在平均输出功率相同的条件下，方波加载对粉末的热效率最大，正弦波次之，连续波最小。在方波加载模式下，在其它参数一定的条件下，平均输出功率越大，热作用效果越显著，热影响区越大；重复频率的改变对于金属成形截面精度的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热作用效果越显著，热影响区也越大。为获得同样的金属直接成形零件的激光熔覆效果，方波功率输出可比连续波功率输出减小20～30％，这样方波不仅能减小热量输入、热量积累，同时成形过程中还具有较小的热影响区，有利于减小零件的特征尺寸，提高了金属直接成形零件的成形精度。通过综合分析，与连续波激光作用模式下的金属直接成形相比，运用方波加载，通过设置合理的激光参数，在较小的平均输出功率的情况下可以得到较大功率连续波相同的激光成形效果，且具有热输入小、热累积小和热影响区小的特点，减小了零件成形的特征尺寸，达到了零件成形精度提高的目的。\n附图说明\n[0020] 图1是本发明实验工艺方案流程图。\n[0021] 图2是在连续波作用模式下激光金属直接成形薄壁零件成形高度照片。\n[0022] 图3是在方波作用模式下激光金属直接成形薄壁零件成形高度照片。\n[0023] 图4是连续波加载所得到的薄壁零件宽度为0.60mm。\n[0024] 图5是方波加载所得到的薄壁零件宽度为0.48mm。\n具体实施方式\n[0025] 以下结合实施例对本发明做进一步的详细说明。\n[0026] 实施例1单道激光金属成形\n[0027] 实验过程中基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为5mm/s，送粉量为8.8g/min，送气量为6-8L/min。\n[0028] (1)首先在平均输出功率一定的条件下，分别运用连续波、正弦波和方波进行单道激光熔覆实验，得到不同波形对金属成形截面的影响。实验结果表明，在平均输出功率相同的条件下，方波加载对粉末的热效率最大，正弦波次之，连续波最小。\n[0029] (2)在方波加载模式下分别考虑平均输出功率、方波作用时间和重复频率对金属成形截面的影响。实验结果表明，在其它参数不变的情况下，平均输出功率越大，激光熔覆热效率越显著，热影响区越大；改变重复频率对于金属成形截面热影响区的影响较小；方波作用时间越短，其峰值功率越大，热效率越显著，热影响区也越大。\n[0030] (3)根据以上不同工艺参数对金属成形截面尺寸的影响规律，得到提高金属成形精度的优化工艺参数。通过实验数据分析表明，平均输出功率为150W、重复频率为100Hz、方波作用时间为0.5ms的方波加载能达到与平均输出功率为200W的连续波加载相同的金属成形效果，方波功率输出减小了25％，从而减小了热影响区和金属成形宽度，提高了单道金属成形的精度。\n[0031] 实施例2薄壁零件堆积成形\n[0032] 实验过程中基本工艺参数为：激光光斑直径0.5mm，扫描速度10mm/s，送粉量12g/min，送气量6-8L/min。\n[0033] (1)薄壁零件堆积制造前首先进行与单道金属成形工艺试验相同的探讨，在上述基本工艺参数作用下确定连续波作用模式下，当取270W时，可以得到较好的金属成形截面。\n[0034] (2)通过设置相应的实验方案，得到方波作用模式下的最佳工艺参数为：平均输出功率200W、重复频率500Hz、方波作用时间0.1ms。与连续波相比，平均输出功率减小了\n25.9％。\n[0035] (3)通过金相显微实验确定相应的薄壁零件单层提升量大小，在连续波作用模式下其单层平均提升量为0.1mm，薄壁零件的成形高度如图2所示；方波作用模式下单层平均提升量为0.08mm，薄壁零件的成形高度如图3所示。通过游标卡尺测量可知，在其它参数不变的情况下，运用连续波加载所得到的薄壁零件如图4所示，其宽度为0.60mm，而运用方波加载所得到的薄壁零件如图5所示，其宽度为0.48mm，具有更小的特征尺寸，实现了零件成形精度的提高。\n[0036] 本发明实施例所涉及金属成形的基材和送粉粉末为316L或其它类似的奥氏体不锈钢。