[发明专利]一种激光近净成形过程中快速确定激光功率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光近净成形过程中确定激光功率值的方法，属于激光近净成形技术领域。

背景技术

激光近净成形技术是一种基于激光的增材制造技术，可用于金属、陶瓷及塑料等零件的直接成形，在国防军事、生物医疗、海洋工程等诸多领域具有广泛的应用。激光近净成形过程是一个复杂的多场耦合过程，影响成形质量的因素较多，包括成形环境、工艺参数、设备条件及成形材料本身的特性等，而在这些影响因素中，成形工艺参数是对成形零件尺寸精度，微观组织及机械性能最主要的影响因素。对于常规激光近净成形系统，工艺参数主要包括扫描速度v、送粉速率及激光功率P，三个参数相互影响，共同决定成形零件的质量。

目前，激光近净成形过程中确定工艺参数，尤其是确定激光功率值的方法主要是实验法，即利用实验的方法进行单道单层或单道多层成形并进行优化得到成形效果较好的工艺参数组合，进而利用优化得到的工艺参数进行零件的最终成形。该方法需要设计系统的实验方案，并需要有经验的人员进行操作和效果判定，不仅增加了制造成本而且对实验结果的评价含有较多的人为因素，难以获得理想的工艺参数。同时，实验法只针对某一种特定的材料有效，如果成形材料更换，则需要进行新的实验来确定相应的工艺参数。

利用实验法进行工艺参数优化确定的研究较多，相关文献报道如下：

中国学者程晶，张永忠等：“激光快速成形技术制备Al/SiC复合材料工艺参数研究”，《金属热处理》，2002年27卷。

中国学者卞宏友，王婷等：“激光沉积成形工艺参数对熔池温度及成形尺寸的影响”，《应用激光》，2013年33卷。

中国学者薛春芳，董世运等：“工艺参数对激光直接烧结成型涂覆层的影响”，《机械工程材料》，2003年27卷。

中国学者赵靖，曹文斌等：“工艺参数对镍基合金粉末激光快速烧结成形的影响”，《稀有金属材料与工程》，2008年37卷。

中国学者于君，陈静等：“激光快速成形工艺参数对沉积层的影响”，《中国激光》，2007年34卷。

目前在基于激光的增材制造领域中，激光功率参数的确定主要以单因素实验或正交实验为主，而利用实验法确定激光功率参数具有成本高、效率低且结果不够准确等缺陷。尤其是对于工艺参数合理范围非常狭窄的成形过程，如成形高温合金及陶瓷零件等，仅利用实验法难以确定最优的参数。因此，寻找一种可以快速准确确定激光功率的方法对于激光近净成形技术具有重要意义。

发明内容

为解决激光近净成形过程中实验法确定工艺参数效率低下、准确度不高等问题，本发明提出一种利用数学模型快速并准确确定激光功率参数的方法，不但可以直接计算某工艺参数条件下的所需激光功率，而且该模型可灵活地适用于不同材料的成形。

为实现上述目的，该快速确定激光功率的方法包括以下步骤：

A、根据成形零件的设计要求，设定单道沉积宽度w、机床的扫描速度v及送粉器的送粉速率

B、根据单道沉积宽度w及与机床耦合的送粉喷嘴的粉末流焦点大小确定粉末利用率u₁。粉末利用率与熔池大小及粉末流的汇聚状态有关系，粉末利用率的值可以通过实际成形实验后的剩余粉末测量来计算，也可以通过熔池面积与粉末流截面面积的比值计算得出。

C、根据预成形材料的物理特性和激光本身的特性确定激光吸收率u₂，成形材料的物理特性是指导电性、液固相态等，激光本身的特性是指波长、频率等；

根据加工环境温度、激光扫描方式及扫描速度v确定前一沉积层温度T₁。