[发明专利]一种同轴送粉式激光熔覆工艺参数优化方法

说明书

本发明公开了一种同轴送粉式激光熔覆工艺参数优化方法，属于激光熔覆工艺领域。包括以下步骤：首先以激光熔覆工艺参数为自变量，熔覆层性能评价指标为目标响应值，采用正交试验方案采集相关数据；然后利用极差分析法和方差分析法，计算得出工艺参数对熔覆层性能评价指标的极差分析表、方差分析表以及目标响应值的均值响应图，选取影响显著的工艺参数作为优化变量，建立各目标响应值与优化变量的回归预测模型；构建激光熔覆工艺参数多目标优化模型；并运用快速非支配遗传算法求解多目标优化系列的Pareto前沿解集，获得最优激光熔覆工艺参数组合。本发明计算过程简便，通用性高；以该工艺方法获得的复合材料熔覆层表面光滑、连续、平整度高。

技术领域

本发明属于激光熔覆工艺技术领域，具体为一种同轴送粉式激光熔覆工艺参数优化方法。

背景技术

27SiMn钢是一种亚共析合金结构钢，具有强度高、韧性高、耐磨性好、焊接性和切削性良好等特点。煤矿勘探领域液压支架是煤矿机械的核心开采设备，27SiMn钢立柱作为液压支架的关键承载部件，其使用寿命直接影响井下煤矿工作的生产效率和安全性。由于长期服役于井下复杂潮湿的环境中，立柱表面极易出现磨损、腐蚀等失效形式，进而酿成煤矿重大安全事故。为提高立柱在恶劣环境中的使用寿命，电镀常被作为液压立柱表面修复的传统方法，但电镀溶液分散能力和覆盖能力差，造成镀层厚度不均匀，加之微裂纹甚至贯穿裂纹的存在，导致腐蚀情况更加明显，从而造成整个液压立柱失效。此外，电镀过程中会产生危害人体健康、污染环境的废弃垃圾。

激光熔覆具有熔覆层组织成分致密均匀、对基体热影响小、稀释率可控、成形速度快和污染小等优势，是增材制造中应用广泛的再制造技术手段。该方法主要通过高能量密度的激光束使粉末和基体材料经快速熔化凝固后，形成冶金结合良好的优质熔覆层，有效提高了基体表面的耐磨性和耐蚀性。不仅可成形结构复杂的精密零件，还可用于因制造缺陷、误加工损伤导致的零件修复以及表面改性。因其低碳节能效果良好且经济效益显著，目前已广泛应用于石油化工、海工交通、机械制造等领域。

激光熔覆是多个参数相互耦合作用的结果，且熔覆层性能质量取决于多个评价指标，导致工艺参数与熔覆层质量呈现复杂的非线性关系而难以建立回归预测模型，也无法与机器算法结合进一步优化工艺参数。若工艺参数匹配不合理，会导致熔覆层出现裂纹、气孔、表面不平整等不同程度的缺陷，出现基材表面的金属粉末难以成形的现象，甚至使得整个金属工件直接报废。因此，优化激光熔覆工艺参数，对提高熔覆层的质量、提升经济效益具有重要意义。

目前激光熔覆技术得到迅速发展，其中涉及的各种设备和技术均具有较高的水平，但是激光熔覆工艺参数的选取和优化缺乏统一的行业标准。田口法、响应面法、Kriging法、全因子试验法等被广泛应用于建立工艺参数和熔覆层评价指标之间的关系模型，但多因子非线性数据的预测模型往往难以建立，且浪费大量试验数据建立的模型误差较大，无法满足实际生产的精度要求。而应用模拟退火、神经网络、粒子群算法、支持向量机等智能算法对工艺参数进行优选过程中，会陷入局部最优解无法跳出，或数据密度太小，使得计算过程复杂。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种同轴送粉式激光熔覆工艺参数优化方法，以建立工艺参数和响应指标之间的高精度回归预测模型，并运用快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解多目标优化系列Pareto解集，从而获得满足实际工况要求的激光熔覆工艺参数组合。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种同轴送粉式激光熔覆工艺参数优化方法，包括如下步骤：

S1：确定n个激光熔覆工艺参数为自变量、m个熔覆层性能评价指标为目标响应值，选取各工艺参数范围及p个水平，设计n因素p水平正交试验方案，进行激光单道熔覆试验完成相关数据采集；