專利名稱：一種提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有較小特征尺寸復(fù)雜零件的金屬直接成形制造領(lǐng)域， 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)等制 造領(lǐng)域，特別涉及一種提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，
背景技術(shù)：
激光金屬直接成形技術(shù)融合了快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，以"離散 一堆積"成形原理為基礎(chǔ)。首先在計(jì)算機(jī)中生成最終功能零件的三維模型； 然后將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列的二維輪廓幾何信息，層面幾何信 息融合成形參數(shù)生成掃描路徑數(shù)控代碼，控制成形系統(tǒng)采用同步送料激光熔 覆的方法按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料；最終形成三維實(shí)體零件或僅需進(jìn) 行少量加工的近形件。激光金屬直接成形除了具有與快速原型技術(shù)相同的特 點(diǎn)之外，還具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(O制造速度快，節(jié)省材料，降低成本；
(2)不需采用模具，使得制造成本降低15% 30%，生產(chǎn)周期節(jié)省40% 70%; (3)可以生產(chǎn)用傳統(tǒng)方法難于生產(chǎn)甚至不能生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的零件；
(4)可在零件不同部位形成不同成分和組織的梯度功能材料結(jié)構(gòu)；(5)金屬 零件完全致密、組織細(xì)小，性能超過(guò)鍛件，近成形件可直接使用或者僅需少 量的后續(xù)機(jī)加工便可使用。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，激光金屬直接成形技術(shù)逐漸 成為先進(jìn)制造技術(shù)研究的熱點(diǎn)，并在航空航天、汽車船舶和武器裝備等領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用。然而，由于成形工藝條件復(fù)雜，熔池形狀受基材與粉末合金物理化學(xué)性能、激光成形工藝參數(shù)等諸多因素的影響，對(duì)于熔池寬度的 控制難度較大，而熔池寬度又直接影響金屬成形寬度的大小，并最終決定了 金屬直接成形的最小特征尺寸，因此零件的成形精度問(wèn)題始終是制約其發(fā)展 的重要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在激光金屬直接成形過(guò)程中獲得較小特征尺寸 的成形零件的試驗(yàn)方法，該方法可以提高激光金屬直接成形零件的制造精度。
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(shí)現(xiàn)的
一種提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，包括單道激光金屬成形試 驗(yàn)和薄壁零件堆積成形試驗(yàn)，其中-
所述的單道激光金屬成形試驗(yàn)包括下述步驟-
(1) 設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為5mm/s， 送粉量為8.8g/min，送氣量為6-8L/min;
(2) 在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、正弦波和方波加 載進(jìn)行激光單道金屬成形，得到不同波形作用下單道金屬成形熔覆層截面的 尺寸；對(duì)比作用效果，方波加載對(duì)粉末的熱效率影響最大，正弦波次之，連 續(xù)波最?。?br> (3) 在方波加載模式下調(diào)節(jié)平均輸出功率、方波作用時(shí)間和重復(fù)頻率對(duì) 金屬成形截面的影響規(guī)律如下在基本工藝參數(shù)不變的情況下，平均輸出功 率越大，激光熔覆熱效率越顯著，熱影響區(qū)越大；改變重復(fù)頻率對(duì)于金屬成 形截面熱影響區(qū)的影響較??；方波作用時(shí)間越短，其峰值功率越大，熱效率 越顯著，熱影響區(qū)也越大；(4)在方波加載模式下，提高金屬成形精度的優(yōu)化工藝參數(shù)平均輸出
功率、重復(fù)頻率和方波作用時(shí)間分別為150W、 100Hz、 0.5ms;
所述的薄壁零件堆積成形試驗(yàn)包括下述步驟
(1) 設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為10mm/s, 送粉量為12g/min，送氣量為6-8L/min;
(2) 在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、正弦波和方波加 載進(jìn)行薄壁零件堆積成形，得到不同波形作用下薄壁零件堆積成形熔覆層截 面的尺寸；對(duì)比作用效果，方波加載對(duì)粉末的熱效率影響最大，正弦波次之， 連續(xù)波最小；
(3) 在方波加載模式下調(diào)節(jié)平均輸出功率、方波作用時(shí)間和重復(fù)頻率對(duì) 金屬成形截面的影響規(guī)律如下在基本工藝參數(shù)不變的情況下，平均輸出功 率越大，激光熔覆熱效率越顯著，熱影響區(qū)越大；改變重復(fù)頻率對(duì)于金屬成 形截面熱影響區(qū)的影響較??；方波作用時(shí)間越短，其峰值功率越大，熱效率 越顯著，熱影響區(qū)也越大；
(4)在方波加載模式下，提高金屬成形精度的優(yōu)化工藝參數(shù)平均輸出 功率、重復(fù)頻率和方波作用時(shí)間分別為200W、 500Hz、 O.lms。
上述方案中，所述金屬成形的基材和送粉粉末為316L或其它奧氏體不 銹鋼。所述薄壁零件堆積成形試驗(yàn)的步驟(2)中，在連續(xù)波作用模式下，平 均輸出功率取270W時(shí)，可以得到較好的金屬成形截面。
本發(fā)明從波形特征的角度出發(fā)，提出了運(yùn)用方波加載來(lái)實(shí)現(xiàn)提高激光金 屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和小特征尺寸的零件成形具 有重要意義，在航空航天、汽車船舶、生物醫(yī)學(xué)、裝備制造等領(lǐng)域有廣闊的 應(yīng)用前景。提出了選用激光束較小光斑直徑、再利用不同波形特征的激光加 載方法制造零件，首先根據(jù)基材和粉末物理化學(xué)性能選擇基本工藝參數(shù)和合適的平均輸出功率，在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、 正弦波和方波加載進(jìn)行激光單道金屬成形實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將不同波形作用下的金 屬成形截面在光學(xué)顯微鏡下測(cè)量后進(jìn)行對(duì)比和分析，得到不同波形作用下單
道金屬成形截面的變化規(guī)律；然后針對(duì)方波各種參數(shù)，探討方波作用模式下 平均輸出功率、峰值功率和重復(fù)頻率對(duì)單道金屬成形截面的影響；通過(guò)綜合 分析和比較，得到提高成形精度的工藝參數(shù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的光斑直徑、 掃描速度、送粉量和送氣量都保持不變。在平均輸出功率相同的條件下，方 波加載對(duì)粉末的熱效率最大，正弦波次之，連續(xù)波最小。在方波加載模式下， 在其它參數(shù)一定的條件下，平均輸出功率越大，熱作用效果越顯著，熱影響 區(qū)越大；重復(fù)頻率的改變對(duì)于金屬成形截面精度的影響較?。环讲ㄗ饔脮r(shí)間 越短，其峰值功率越大，熱作用效果越顯著，熱影響區(qū)也越大。為獲得同樣 的金屬直接成形零件的激光熔覆效果，方波功率輸出可比連續(xù)波功率輸出減 小20 30%，這樣方波不僅能減小熱量輸入、熱量積累，同時(shí)成形過(guò)程中還 具有較小的熱影響區(qū)，有利于減小零件的特征尺寸，提高了金屬直接成形零 件的成形精度。通過(guò)綜合分析，與連續(xù)波激光作用模式下的金屬直接成形相 比，運(yùn)用方波加載，通過(guò)設(shè)置合理的激光參數(shù)，在較小的平均輸出功率的情 況下可以得到較大功率連續(xù)波相同的激光成形效果，且具有熱輸入小、熱累 積小和熱影響區(qū)小的特點(diǎn)，減小了零件成形的特征尺寸，達(dá)到了零件成形精 度提高的目的。


圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)工藝方案流程圖。
圖2是在連續(xù)波作用模式下激光金屬直接成形薄壁零件成形高度照片。 圖3是在方波作用模式下激光金屬直接成形薄壁零件成形高度照片。 圖4是連續(xù)波加載所得到的薄壁零件寬度為0.60mm圖5是方波加載所得到的薄壁零件寬度為0.48mm。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例1單道激光金屬成形
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基本工藝參數(shù)為:激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為5mm/s， 送粉量為8.8g/min，送氣量為6-8L/min。
(1) 首先在平均輸出功率一定的條件下，分別運(yùn)用連續(xù)波、正弦波和方 波進(jìn)行單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)，得到不同波形對(duì)金屬成形截面的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明，在平均輸出功率相同的條件下，方波加載對(duì)粉末的熱效率最大，正弦 波次之，連續(xù)波最小。
(2) 在方波加載模式下分別考慮平均輸出功率、方波作用時(shí)間和重復(fù)頻 率對(duì)金屬成形截面的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其它參數(shù)不變的情況下，平均 輸出功率越大，激光熔覆熱效率越顯著，熱影響區(qū)越大；改變重復(fù)頻率對(duì)于 金屬成形截面熱影響區(qū)的影響較小；方波作用時(shí)間越短，其峰值功率越大， 熱效率越顯著，熱影響區(qū)也越大。
(3) 根據(jù)以上不同工藝參數(shù)對(duì)金屬成形截面尺寸的影響規(guī)律，得到提高 金屬成形精度的優(yōu)化工藝參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，平均輸出功率為 150W、重復(fù)頻率為100Hz、方波作用時(shí)間為0.5ms的方波加載能達(dá)到與平均 輸出功率為200W的連續(xù)波加載相同的金屬成形效果，方波功率輸出減小了 25%，從而減小了熱影響區(qū)和金屬成形寬度，提高了單道金屬成形的精度。 實(shí)施例2薄壁零件堆積成形
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑0.5mm，掃描速度10mm/s，送粉量12g/min，送氣量6-8L/min。
(1) 薄壁零件堆積制造前首先進(jìn)行與單道金屬成形工藝試驗(yàn)相同的探 討，在上述基本工藝參數(shù)作用下確定連續(xù)波作用模式下，當(dāng)取270W時(shí)，可 以得到較好的金屬成形截面。
(2) 通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，得到方波作用模式下的最佳工藝參數(shù)為 平均輸出功率200W、重復(fù)頻率500Hz、方波作用時(shí)間0.1ms。與連續(xù)波相比， 平均輸出功率減小了 25.9%。
(3) 通過(guò)金相顯微實(shí)驗(yàn)確定相應(yīng)的薄壁零件單層提升量大小，在連續(xù)波 作用模式下其單層平均提升量為O.lmm，薄壁零件的成形高度如圖2所示； 方波作用模式下單層平均提升量為0.08mm，薄壁零件的成形高度如圖3所示。 通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量可知，在其它參數(shù)不變的情況下，運(yùn)用連續(xù)波加載所得到 的薄壁零件如圖4所示，其寬度為0.60mm，而運(yùn)用方波加載所得到的薄壁零 件如圖5所示，其寬度為0.48mm，具有更小的特征尺寸，實(shí)現(xiàn)了零件成形精 度的提高。
本發(fā)明實(shí)施例所涉及金屬成形的基材和送粉粉末為316L或其它類似的 奧氏體不銹鋼。
權(quán)利要求
1、一種提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，其特征在于，包括單道激光金屬成形試驗(yàn)和薄壁零件堆積成形試驗(yàn)，其中所述的單道激光金屬成形試驗(yàn)包括下述步驟(1)設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為5mm/s，送粉量為8.8g/min，送氣量為6-8L/min；(2)在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、正弦波和方波加載進(jìn)行激光單道金屬成形，得到不同波形作用下單道金屬成形熔覆層截面的尺寸；對(duì)比作用效果，方波加載對(duì)粉末的熱效率影響最大，正弦波次之，連續(xù)波最?。?3)在方波加載模式下調(diào)節(jié)平均輸出功率、方波作用時(shí)間和重復(fù)頻率對(duì)金屬成形截面的影響規(guī)律如下在基本工藝參數(shù)不變的情況下，平均輸出功率越大，激光熔覆熱效率越顯著，熱影響區(qū)越大；改變重復(fù)頻率對(duì)于金屬成形截面熱影響區(qū)的影響較??；方波作用時(shí)間越短，其峰值功率越大，熱效率越顯著，熱影響區(qū)也越大；(4)在方波加載模式下，提高金屬成形精度的優(yōu)化工藝參數(shù)平均輸出功率、重復(fù)頻率和方波作用時(shí)間分別為150W、100Hz和0.5ms；所述的薄壁零件堆積成形試驗(yàn)包括下述步驟(1)設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為10mm/s，送粉量為12g/min，送氣量為6-8L/min；(2)在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、正弦波和方波加載進(jìn)行薄壁零件堆積成形，得到不同波形作用下薄壁零件堆積成形熔覆層截面的尺寸；對(duì)比作用效果，方波加載對(duì)粉末的熱效率影響最大，正弦波次之，連續(xù)波最??；(3)在方波加載模式下調(diào)節(jié)平均輸出功率、方波作用時(shí)間和重復(fù)頻率對(duì)金屬成形截面的影響規(guī)律如下在基本工藝參數(shù)不變的情況下，平均輸出功率越大，激光熔覆熱效率越顯著，熱影響區(qū)越大；改變重復(fù)頻率對(duì)于金屬成形截面熱影響區(qū)的影響較??；方波作用時(shí)間越短，其峰值功率越大，熱效率越顯著，熱影響區(qū)也越大；(4)在方波加載模式下，提高金屬成形精度的優(yōu)化工藝參數(shù)平均輸出功率、重復(fù)頻率和方波作用時(shí)間分別為200W、500Hz和0.1ms。
2、 如權(quán)利要求1所述的提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，其特征 在于，所述薄壁零件堆積成形試驗(yàn)的步驟(2)中，在連續(xù)波作用模式下，調(diào) 節(jié)平均輸出功率為270W時(shí)，能得到較好的金屬成形截面。
3、 如權(quán)利要求1所述的提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，其特征 在于，所述的金屬成形的基材和送粉粉末為316L或其它奧氏體不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高激光金屬直接成形精度的試驗(yàn)方法，在平均輸出功率相同的條件下，分別采用連續(xù)波、正弦波和方波加載進(jìn)行激光單道金屬成形實(shí)驗(yàn)，得到不同波形作用下單道金屬成形截面的變化規(guī)律。運(yùn)用正弦波和方波，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁零件的堆積成形。為獲得同樣的激光金屬直接成形零件，方波功率輸出可比連續(xù)波功率輸出減小了20～30％，方波不僅能減小熱輸入、熱積累，同時(shí)成形過(guò)程中還具有較小的熱影響區(qū)，有利于減小零件的特征尺寸，提高了金屬直接成形零件的成形精度。該方法對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和小特征尺寸的零件成形具有重要意義，在航空航天、汽車船舶、生物醫(yī)學(xué)、裝備制造等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101525749SQ20091002192
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者盧秉恒, 張安峰, 朱剛賢, 李滌塵, 星 鄧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)