一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法技术

本发明专利技术涉及激光熔覆技术，特指一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法。该方法首先根据工艺需求设置熔覆线速度V等参数；根据搭接率δ和超高速激光熔覆单道宽度D

【技术实现步骤摘要】
一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法
本专利技术涉及激光熔覆技术，特指一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法。
技术介绍
2017年由德国弗朗霍夫学院提出的超高速激光熔覆技术(UltraHigh-SpeedLaserCladding)，熔覆速率可达到25～200m/min，加工过程中激光聚焦于工件上方，使得能量大部分作用于工件上方的粉末，采用这种方法，熔覆过程中基体的热输入极小，但却能保证粉末与基体发生充分冶金结合，一般稀释率仅在2～4％左右。因此，可以制备超薄且质量很高的涂层，根据熔覆速率不同，涂层厚度基本仅在25～400μm之间，且涂层表面光洁度很好，通过简单的磨削与抛光即可投入使用，被誉为替代传统电镀工艺的先进绿色制造技术，具有广阔的应用前景。超高速激光熔覆基于同轴送粉喷嘴的优化设计实现了粉末粒子与激光束的最佳耦合，在高能密度激光束的作用下使粉末与高速运动的基体表面同时熔化，快速凝固后形成与基体呈高强冶金结合的熔覆层，极大提高了熔覆速率，突破了传统熔覆的效率瓶颈。与传统激光熔覆相比，超高速激光熔覆解决了能量利用效率低、对基体热影响大以及熔覆层厚度较厚的问题；与热喷涂相比，解决了涂层冶金结合的问题，有望在期望具有冶金结合、对基体热影响小的薄涂层制备领域广泛应用。超高速激光熔覆拥有远超于传统激光熔覆的加工效率，其高效率的背后，是远超于传统激光熔覆的熔覆速率，即零件表面熔覆线速度，而为保证高速的熔覆速率，高能密度激光束与高速运动的基体表面间相对运动的有序稳定控制是必备因素；另一方面超高速激光熔覆过程中，熔覆线速度V、激光束功率P、搭接率δ等工艺参数对零件表面熔覆质量、熔覆层与基体的结合性和熔覆层厚度有显著影响。为保证盘类零件超高速激光熔覆层的表面质量，使其熔覆层均匀致密，且厚度均匀，在熔覆过程中要保证工艺参数的稳定。目前超高速激光熔覆在国内研究较少，且往往适用于圆柱类零件外圆熔覆，该过程是通过控制零件旋转角速度和激光头轴向移动速度匀速不变来实现的。然而对于回转半径不断变化的复杂回转体来说，伴随着回转半径R回的不断地变化，如果保持相同的熔覆策略将会导致表面熔覆线速度不同，和熔覆搭接率的改变，对于超高速熔覆而言，不同的熔覆线速度下熔覆质量和涂层厚度差异巨大。因此为了保证熔覆层的均匀，实现与基体的紧密结合，需要在同熔覆过程中保证熔覆线速度V值不变，熔覆搭接率相对稳定，该过程可以根据各熔覆参数间的数学联系，综合控制零件旋转角速度、激光头移动速度、激光头转动角度来实现。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法，该方法根据工艺需求设置熔覆线速度V、激光束功率P、超高速激光熔覆离焦量H、熔覆搭接率δ和超高速激光熔覆单道宽度DL以及载气流量、保护气流量参数；在复杂曲面回转体轮廓母线上设置熔覆路径节点，将复杂曲面回转体超高速激光熔覆路径设置为i段空间螺旋线，i＝1,2,3…；通过控制熔覆过程中工件转动角速度ωi，超高速激光熔覆头的移动和转动，有效调控超高速激光熔覆头与高速回转的复杂曲面回转体相对运动，实现熔覆过程中的搭接率δ、熔覆线速度V、离焦量H熔覆参数稳定性，保证熔覆效率，进而在复杂曲面回转体表面制备质量良好，薄厚均匀的涂层。其具体步骤如下：步骤1，设置平面直角坐标系在复杂曲面回转体轴向截面上建立直角坐标系，将复杂曲面回转体轴线设为X轴，径向方向设为Y轴，复杂曲面回转体轮廓母线置于第一象限。步骤2，求取熔覆进给步长ΔLΔL＝DL(1-δ)(1)；其中：ΔL为熔覆进给步长，单位：mm；δ为熔覆搭接率，0<δ<1；DL为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm；步骤3，设置熔覆路径节点求得熔覆路径节点(Xi，Yi)以及节点法线方向与X轴交角θi；θi＝arctan((1+f(Xi)′2)/(-f(Xi)′(1+f(Xi)′2)))(3)；其中：i＝1,2,3…，imax，Xmax、Xmin为X定义域内最大、最小值；Xi为熔覆路径上第i个节点的X轴坐标，单位：mm；Yi为熔覆路径上第i个节点的Y轴坐标，单位：mm；θi为熔覆路径上第i个节点的法线方向与X轴交角；步骤4，求取熔覆i段路径时所用时间Ti，工件转动角速度ωiTi＝((Yi+Yi-1)π)/V；(4)；ωi＝2V/(Yi+Yi-1)(5)；其中：i＝1,2,3…imax，Xmax、Xmin为X定义域内最大、最小值；Ti为熔覆第i段路径所用时间，单位：s；ωi为熔覆第i段路径时工件回转角速度，单位：rad/s；V为熔覆线速度，单位mm/s；Yi为熔覆路径上第i个节点的Y轴坐标。步骤5，求取超高速激光熔覆头控制参数VXi＝((Xi+H×cosθi)-(Xi-1+H×cosθi-1))/Ti(6)；VYi＝((Yi+H×sinθi)-(Yi-1+H×sinθi-1))/Ti(7)；εi＝(θi-θi-1)/Ti(8)；其中：i＝1,2,3…imax，Xmax、Xmin为X定义域内最大、最小值；；为熔覆第i段路径时熔覆头沿X轴移动速度，单位：mm/s；为熔覆第i段路径时熔覆头沿Y轴移动速度，单位：mm/s；εi为熔覆第i段路径时熔覆头转动角速度，单位：rad/s；H为超高速激光熔覆离焦量，单位：mm；Xi为熔覆路径上第i个节点的X轴坐标，单位：mm；Yi为熔覆路径上第i个节点的Y轴坐标。在步骤2中熔覆进给步长ΔL应当满足复杂曲面回转体轮廓母线拟合精度，即：由于复杂曲面回转体轮廓母线曲率半径当时r存在极值，即求得X＝Xk；复杂曲面回转体轮廓母线方程最小曲率半径其中：ΔL为熔覆进给步长，单位：mm；ΔH为离焦量变化范围极限，在满足熔覆质量前提下预先设定，单位：mm；rmin为复杂曲面回转体轮廓母线方程最小曲率半径，单位：mm；r为复杂曲面回转体轮廓母线曲率半径，单位：mm；Xk为获得复杂曲面回转体轮廓母线方程最小曲率半径时的X轴坐标。当公式(9)不能满足时，可通过熔覆设备和工艺参数调整熔覆搭接率δ，以及超高速激光熔覆单道宽度DL，从而适当降低熔覆进给步长ΔL。设定超高速激光熔覆的具体工艺参数范围区间为：光斑直径为1～5mm，盘类零件表面线速度即熔覆线速度V为10～100m/min，激光束功率P为1～10KW，送粉速率为5～40g/min，熔覆搭接率δ为0<δ<100％。此外，设垂直于步骤1中复杂曲面回转体轴向截面，且交点位于原点的方向轴为Z轴。本专利技术所用超高速激光熔覆设备中，超高速激光熔覆头至少可以实现沿X轴和Y轴的移动，以及沿Z轴和Y轴的转动；且熔覆过程中熔覆第i段路径时熔覆头沿X轴移动速度熔覆第i段路径时熔覆头沿Y轴移动速度熔覆第i段路径时熔覆头转动角速度εi均不得大于超高速激光熔覆设备熔覆头单位时间内极限移动速度和转动角速度。本专利技术的增益效果：(1)本专利技术提供的一种超高速激光熔覆复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法，其特征在于，根据工艺需求设置熔覆线速度V、激光束功率P、超高速激光熔覆离焦量H、熔覆搭接率δ和超高速激光熔覆单道宽度以及载气流量、保护气流量参数；在复杂曲面回转体轮廓母线上设置熔覆路径节点，将复杂曲面回转体超高速激光熔覆路径设置为i段空间螺旋线，通过控制熔覆过程中工件转动角速度ω

【技术特征摘要】
1.一种超高速激光熔覆复杂曲面回转体的方法，其特征在于，根据工艺需求设置熔覆线速度V、激光束功率P、超高速激光熔覆离焦量H、熔覆搭接率δ和超高速激光熔覆单道宽度以及载气流量、保护气流量参数；在复杂曲面回转体轮廓母线上设置熔覆路径节点，将复杂曲面回转体超高速激光熔覆路径设置为i段空间螺旋线，通过控制熔覆过程中工件转动角速度ωi，超高速激光熔覆头的移动和转动，有效调控超高速激光熔覆头与高速回转的复杂曲面回转体相对运动，实现熔覆过程中的搭接率δ、熔覆线速度V、离焦量H熔覆参数稳定性，保证熔覆效率，进而在复杂曲面回转体表面制备质量良好，薄厚均匀的涂层；具体步骤如下：
步骤1，设置平面直角坐标系
在复杂曲面回转体轴向截面上建立直角坐标系，将复杂曲面回转体轴线设为X轴，径向方向设为Y轴，复杂曲面回转体轮廓母线置于第一象限；
步骤2，求取熔覆进给步长ΔL
ΔL＝DL(1-δ)(1)；
其中：ΔL为熔覆进给步长，单位：mm；δ为熔覆搭接率，0<δ<1；DL为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm；
步骤3，设置熔覆路径节点



求得熔覆路径节点(Xi，Yi)以及节点法线方向与X轴交角θi；
θi＝arctan((1+f(Xi)′2)/(-f(Xi)′(1+f(Xi)′2)))(3)；
其中：i＝1,2,3…，imax，Xmax、Xmin为X定义域内最大、最小值；Xi为熔覆路径上第i个节点的X轴坐标，单位：mm；Yi为熔覆路径上第i个节点的Y轴坐标，单位：mm；θi为熔覆路径上第i个节点的法线方向与X轴交角；
步骤4，求取熔覆i段路径时所用时间Ti，工件转动角速度ωi
Ti＝((Yi+Yi-1)π)/V；(4)；
ωi＝2V/(Yi+Yi-1)(5)；
其中：i＝1,2,3…imax，Xmax、Xmin为X定义域内最大、最小值；Ti为熔覆第i段路径所用时间，单位：s；ωi为熔覆第i段路径时工件回转角速度，单位：rad/s；V为熔覆线速度，单位mm/s；Yi为熔覆路径上第i个节点的Y轴坐标；
步骤5，求取超高速激光熔覆头控制参数






εi＝(θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，杜家龙，徐祥，罗开玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32