[发明专利]一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，涉及激光熔覆成形领域，本发明包括三个步骤，步骤1：通过响应曲面法建立送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线。本发明使熔覆过程中，薄壁件厚度稳定，高度平稳增加，符合预设编程的情况，到最后得到熔覆质量较高的薄壁件。

技术领域

本发明属于激光熔覆成形领域，特别涉及一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法。

背景技术

激光熔覆成形技术(Laser cladding forming,LCF)是近些年发展起来的一种激光快速成形技术。该技术结合了快速原型制造和激光熔覆表面强化技术的特点，可以广泛的应用于复杂薄壁件的直接成形制造和修复，应用前景十分广阔。利用激光熔覆成形技术具有加工复杂零件、柔性化程度高和近景成形等独特优点。

特别的，激光熔覆成形技术在加工薄壁件上优势更加明显。传统减材方式加工如航空发动机叶轮叶片薄壁件时，有着材料利用率低，加工时间长等缺点。特别对于航空领域中常用的镍基高温合金和钛合金等昂贵金属加工时的浪费，很大程度上提高了这类薄壁件的加工成本。所以激光熔覆技术在加工薄壁件时有独特的优势。但是现阶段，激光熔覆成形薄壁件过程中，随着熔覆层数的增加，温度会有一个积累效应，熔池的温度也会变得越来越高，这样会使熔池变得不稳定，从而会导致熔覆的薄壁件高度和厚度出现不稳定的现象，最终影响成形薄壁件的质量。所以有必要对激光熔覆过程中的熔池温度进行控制，以保持熔池的稳定性。熔池的温度控制成为了控制薄壁件熔覆质量的关键问题。

在激光熔覆过程中，影响熔池的温度因素主要有激光功率、扫描速度、送粉速度，送粉气流量等，在其中激光作为唯一的能量输入途径，激光功率对温度的影响是最为直接的。所以如何根据熔覆过程中的条件选择合适的激光功率变化曲线成了一个需要解决的问题。

现有的方法中有根据熔覆层高度来调整激光的功率来达到熔覆层稳定增长的目的，但是若单纯通过高度来判断激光功率，会使薄壁的厚度变得不稳定。所以功率的调整还要考虑一些其他的因素对熔池温度的影响，这也是一个需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足本发明提供一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法，该方法使熔覆过程中，薄壁件厚度稳定，高度平稳增加，符合预设编程的情况，到最后得到熔覆质量较高的薄壁件。

为解决上述技术问题，本发明是采取以下技术方案来实现的：一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法；步骤如下：

步骤1：根据响应曲面法，进行单道熔覆实验，得到送粉速度、扫描速度、激光功率和基板温度对单道熔覆层的熔宽、熔高和宽高比参数影响的回归模型；

步骤2：建立多层熔覆时熔覆温度与熔覆层数关系的理论预测模型；

步骤3：结合回归模型，以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿，确定合适的功率调整曲线和每层提升量。

所述步骤2是利用有限元的方法对激光熔覆过程进行仿真模拟，在输入热物性参数时考虑温度对比热容变化的影响，采用热焓法处理相变潜热问题，在建立热源模型过程中影响热源模型效率的因素包括粉末遮挡率和材料的激光吸收率。

所述步骤3中以目标熔宽、熔高为补偿目标，对实际成形尺寸进行补偿时需参考多层熔覆温度与熔覆层关系的理论模型，补偿后的熔宽稳定在一定数值，熔高稳定增长。

所述步骤3中确定合适的功率调整曲线，调整功率逐步减小直至稳定在某个较低的功率，此时熔池温度趋于稳定。