徐 海 巖， 李 濤， 李 海 波， 王 鑫 林， 張 洪 潮

( 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

激光熔覆成形薄壁件離焦量和Z軸提升量選擇方法

徐 海 巖， 李 濤*， 李 海 波， 王 鑫 林， 張 洪 潮

( 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

離焦量和Z軸提升量影響激光熔覆成形薄壁件的精度和效率，得到高精度薄壁件的關(guān)鍵是使Z軸提升量等于初始離焦量下的熔覆高度．為了解決高精度、高效率激光熔覆成形薄壁件問(wèn)題，基于概率學(xué)構(gòu)建了同軸送粉式激光熔覆系統(tǒng)的粉末分布密度模型，得到了不同負(fù)離焦量下熔覆高度計(jì)算公式并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．提出了任意負(fù)離焦量和Z軸提升量下多層熔覆成形薄壁件高度的計(jì)算方法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．結(jié)果表明多層熔覆成形薄壁件高度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，選擇盡可能大并且能夠形成自愈合作用的負(fù)離焦量，并使Z軸提升量等于該離焦量對(duì)應(yīng)的熔覆高度計(jì)算值，可以得到成形效率高、精度高的薄壁件．

激光技術(shù)；薄壁件成形；離焦量；Z軸提升量

0 引 言

激光熔覆成形作為一種新型增材技術(shù)可以在高材料利用率的情況下無(wú)模具成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，尤其加工薄壁零件時(shí)，與傳統(tǒng)減材加工技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)越性．國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)激光熔覆成形薄壁件進(jìn)行了研究．

影響激光熔覆成形薄壁件質(zhì)量的因素眾多[1-3]，各種工藝參數(shù)中離焦量L和Z軸提升量ΔZ尤為重要，它們直接影響了成形薄壁件的效率和精度．Wang等[4]通過(guò)改變離焦量和Z軸提升量成形了316L不銹鋼斜薄壁件，并分析了不同沉積策略對(duì)于斜薄壁件性能的影響．黃衛(wèi)東等[5]定性研究了離焦量對(duì)于薄壁件成形質(zhì)量的影響，并且提出了激光熔覆自帶的自愈合作用，對(duì)于激光熔覆成形薄壁件的離焦量選擇給予了一定的指導(dǎo)．西安交通大學(xué)對(duì)激光熔覆的自愈合作用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，其中皮剛等[6]詳細(xì)分析了自愈合作用的形成條件，認(rèn)為在激光能量足夠、離焦量為負(fù)值的情況下可以產(chǎn)生自愈合作用，并且在粉末空間濃度以粉末匯聚中心呈高斯分布的假設(shè)下對(duì)單層熔覆高度進(jìn)行了計(jì)算．楊小虎等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)于自愈合能力的影響，給出了一定條件下的最優(yōu)自愈合工藝參數(shù)，對(duì)工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)作用．Li等[8]基于實(shí)驗(yàn)研究了開(kāi)環(huán)控制條件下，成形薄壁件高度的迭代計(jì)算方法，證明了在開(kāi)環(huán)條件下也可以成形較高精度的薄壁件．王鑫林等[9]基于實(shí)驗(yàn)，探究了Z軸提升量和單道單層熔覆高度間的關(guān)系，給出了Z軸提升量選取時(shí)的推薦值．得到高精度成形薄壁件的關(guān)鍵是Z軸提升量等于初始離焦量下的熔覆高度，使離焦量和每層熔覆高度在成形過(guò)程中始終不變[10]．以上研究雖然提出了離焦量和Z軸提升量會(huì)影響薄壁件的成形效率和高度，但是準(zhǔn)確的定量分析很少，并且假設(shè)條件不盡合理導(dǎo)致誤差較大．通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定Z軸提升量具有一定的盲目性，針對(duì)不同熔覆系統(tǒng)和工藝參數(shù)的通用性不強(qiáng)．

離焦量的大小影響熔覆高度，熔覆高度和Z軸提升量的關(guān)系又會(huì)反過(guò)來(lái)影響離焦量的大小，因此離焦量和Z軸提升量間存在一個(gè)相互協(xié)調(diào)的平衡值，在這個(gè)平衡值下Z軸提升量等于此時(shí)的離焦量對(duì)應(yīng)的熔覆高度．在激光熔覆自愈合作用形成時(shí)，熔覆高度隨著離焦量的變大而變大，選擇盡可能大的并且能夠形成自愈合效應(yīng)的負(fù)離焦量，并使Z軸提升量等于對(duì)應(yīng)的熔覆高度便可以得到成形效率、精度較高的薄壁件．本文基于概率方法，構(gòu)建同軸送粉式激光熔覆系統(tǒng)的粉末分布密度模型，基于此模型得到離焦量和熔覆高度間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系．通過(guò)離焦量和熔覆高度間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇盡可能大的并且能夠形成自愈合的負(fù)離焦量和與此時(shí)熔覆高度相等的Z軸提升量，得到成形效率高、質(zhì)量好的薄壁件．根據(jù)離焦量和熔覆高度間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系得到任意負(fù)離焦量和Z軸提升量下多層熔覆成形薄壁件高度的計(jì)算方法．

1 不同離焦量下熔覆高度計(jì)算

1.1 單一粉管粉末分布密度

激光熔覆過(guò)程中，粉末由送粉器通過(guò)粉管?chē)娚涞交w表面并落入熔池．粉末顆粒在空間中的分布可以通過(guò)粉末分布密度[11]來(lái)描述, 金屬粉末在粉管中的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，粉末噴出粉管后在空間中的分布狀態(tài)如圖1所示．觀察發(fā)現(xiàn)在噴出粉管瞬間，粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)方向大致平行于粉管軸線，但是存在約為10°的發(fā)散角度．考慮到金屬粉末運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，認(rèn)為在垂直于粉管軸線平面上的粉末分布密度服從二維正態(tài)分布[12]，粉末落在發(fā)散角度以外的區(qū)域?yàn)樾「怕适录?，即在垂直于粉管軸線的任意平面上，粉末在發(fā)散角度以內(nèi)區(qū)域的分布遵循正態(tài)分布的3σ原則，如圖2所示．

圖1 粉末空間分布

粉末從粉管?chē)姵?，在任意垂直于粉管軸線的平面上，二維正態(tài)分布公式可表示為

(1)

圖2 粉末空間分布示意圖

以粉管軸線與該平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)O0，如圖2所示建立X0O0Y0坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中x0、y0兩變量相互獨(dú)立，可得μ1=0，μ2=0，ρ=0，根據(jù)3σ原則可得σ1=r/3，σ2=r/3，r為任意垂直于粉管軸線的平面上發(fā)散角度以內(nèi)區(qū)域的半徑，如圖2所示，其概率密度函數(shù)可以表示為

(2)

式中r隨著平面位置的變化而不斷變化，可表示為

r=(h+h0)tanθ

(3)

式中：h為粉管末端到平面的距離，h0為粉管底端到理論粉末噴出點(diǎn)間的距離，θ為粉末發(fā)散角的一半，如圖2所示．

以粉管軸線和基板的交點(diǎn)為原點(diǎn)O1，如圖2所示建立X1O1Y1坐標(biāo)系，通常粉管與基板間存在一定的角度，導(dǎo)致垂直于粉管軸線的平面和基板并不平行，若想要得到基板某一點(diǎn)P的粉末分布密度，如圖2所示，需將P點(diǎn)坐標(biāo)x1、y1進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為X0O0Y0坐標(biāo)系上的x0、y0，并將送粉量Mp代入，此時(shí)粉末分布密度f(wàn)M可表示為

(4)

η為粉管傾斜角度導(dǎo)致的修正因子，其值為sinα，P點(diǎn)位置決定了X0O0Y0坐標(biāo)系的位置，即h可由下式表示：

h=H/sinα+y1cosα

(5)

其中H為粉管末端距離基板的高度，即焦距與離焦量之和；α為粉管傾斜角度．在圖2所示的坐標(biāo)系中，x0、y0與x1、y1的坐標(biāo)變換關(guān)系可表示為

x0=x1
y0=y1sinα

(6)

將式(3)、(5)、(6)代入式(4)中，此時(shí)基板上任意一點(diǎn)P(x1，y1)的粉末分布密度可表示為

(7)

1.2 多粉管粉末分布密度

同軸送粉式激光熔覆系統(tǒng)中，粉管數(shù)量一般為4個(gè)，并且對(duì)稱分布在激光頭上，其排布方式一般如圖3所示．

圖3 粉管排布示意圖

圖中D為互不相鄰的兩粉管間的距離，粉末通過(guò)4個(gè)粉管落在激光頭下的基板上，某一瞬間粉末在基板上的分布如圖4所示．

圖4 基板上粉末分布示意圖

以激光軸線和基板的交點(diǎn)為原點(diǎn)O，如圖4所示建立XOY坐標(biāo)系．以各個(gè)粉管軸線和基板的交點(diǎn)為原點(diǎn)，如圖4所示，分別建立X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3、X4O4Y4坐標(biāo)系．在X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3、X4O4Y4坐標(biāo)系上

(8)

其中i=1,2,3,4，xi、yi和x、y的坐標(biāo)變換可表示為

(9)

在XOY坐標(biāo)系上，粉末分布密度可以表示為

fM(x3,y3)+fM(x4,y4)]

(10)

將式(8)、(9)代入式(10)中便可得到距粉管末端高度為H的基板上的粉末分布密度．

1.3 熔覆高度計(jì)算

激光熔覆過(guò)程中，進(jìn)入熔池區(qū)域的粉末瞬間熔化并成為熔池一部分，隨著激光束和基體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)激光束照射的熔池迅速凝固，成為熔覆層[13]．單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池區(qū)域的粉末質(zhì)量等于生成的熔覆層質(zhì)量，單位時(shí)間生成的熔覆層質(zhì)量M可以表示為

(11)

其中Dxy為基板上的熔池區(qū)域面積．此時(shí)的熔覆高度即理想Z軸提升量ΔZ可以表示為

ΔZ=M/ρvW

(12)

式中：ρ為熔覆層密度，v為激光掃描速度，W為熔覆層寬度即熔池寬度．由于在負(fù)離焦下激光熔覆存在自愈合作用，多層熔覆成形薄壁件高度并不一定等于N×ΔZ．在熔覆時(shí)由于熔覆高度和Z軸提升量之間的關(guān)系，離焦量和每層熔覆高度會(huì)不斷變化直至與Z軸提升量之間達(dá)到平衡為止．當(dāng)熔覆層數(shù)較少時(shí)，由于每層熔覆高度的不斷變化，熔覆總高度計(jì)算較為困難．當(dāng)熔覆層數(shù)較多時(shí)，離焦量與Z軸提升量之間已經(jīng)達(dá)到了平衡，在已知Z軸提升量與離焦量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，達(dá)到平衡后的離焦量可以通過(guò)Z軸提升量獲得，熔覆總高度可以通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到．通過(guò)式(11)、(12)得到Z軸提升量與離焦量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在能夠形成自愈合的條件下，設(shè)離焦量L與Z軸提升量的函數(shù)關(guān)系可通過(guò)下式表示：

L=g(ΔZ)

(13)

則此時(shí)多層熔覆薄壁件高度可以表示為

hm=N×ΔZ+(L0-g(ΔZ))

(14)

式中：hm為多層熔覆薄壁件高度，L0為初始離焦量值．若熔覆過(guò)程離焦量和Z軸提升量間始終保持協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)即g(ΔZ)始終等于L0，上式可以簡(jiǎn)化為hm=N×ΔZ．

2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置為半導(dǎo)體激光熔覆系統(tǒng)，包括Laserline半導(dǎo)體激光器、KUKA六軸機(jī)器人、Precitec的YC52同軸激光熔覆頭以及載氣式同軸送粉器，如圖5所示．實(shí)驗(yàn)中使用的基體和粉末材料均為316L不銹鋼，粉末粒度為45～180 μm，粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)為0.006C、2.6Mo、12.8Ni、1.5Mn、17Cr、0.7Si，其余為Fe．載粉氣體和保護(hù)氣體皆為高純度氬氣．計(jì)算過(guò)程中涉及的各種參數(shù)分別為D=21 mm，α=58°，θ=5°，h0=17 mm，工藝參數(shù)為v=5 mm/s，Mp=9.15 g/min，激光功率為1 000 W，激光光斑直徑3 mm．熔覆過(guò)程中在薄壁兩頭會(huì)發(fā)生塌陷，熔覆層高度變小，所以在薄壁兩頭增加了一定的等待時(shí)間，減輕塌陷對(duì)于熔覆高度的影響．

圖5 激光熔覆系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

選擇-4、-3、-1 mm 3個(gè)不同的離焦量，利用Matlab做出不同離焦量時(shí)粉末分布密度圖，對(duì)比不同離焦量下的粉末分布密度如圖6所示．對(duì)式(11)進(jìn)行積分求解，假設(shè)基板上的積分區(qū)域即為激光光斑照射區(qū)域，得到了熔覆高度與離焦量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7所示．

(a) L=-1 mm

(b)L=-3 mm

(c)L=-4 mm

圖6 不同離焦量時(shí)的粉末分布密度

Fig.6 The distribution of powder density under different defocused amounts

觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)不同負(fù)離焦量下粉末分布密度有很大差別，粉末匯聚程度隨著離焦量的減小而變差．由圖7可以發(fā)現(xiàn)在0.2 mm左右的正離焦情況下熔覆層高度最高約為0.75 mm，以此為基準(zhǔn)，離焦量變大或者變小均會(huì)使熔覆高度降低．為了驗(yàn)證本文所提出模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，

圖7 離焦量對(duì)熔覆高度的影響

首先選擇了-4、-3、-1 mm這3個(gè)不同的離焦量，進(jìn)行了單道單層熔覆實(shí)驗(yàn)．單道單層實(shí)驗(yàn)前后的熔覆層表面形貌會(huì)發(fā)生變化，對(duì)比熔覆高度理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有意義，故對(duì)比不同離焦量下的熔覆層橫截面積的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性．分別選擇-3和-1 mm作為離焦量，0.30、0.65、0.80 mm作為Z軸提升量，進(jìn)行薄壁件成形全面實(shí)驗(yàn)(其中0.30和0.65 mm分別是離焦量為-3和-1 mm時(shí)的計(jì)算熔覆高度)，熔覆層數(shù)為30．對(duì)比不同離焦量和Z軸提升量對(duì)薄壁件成形效率和質(zhì)量的影響．

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同離焦量下的單道單層熔覆結(jié)果如圖8所示，其熔覆層橫截面積根據(jù)熔覆高度計(jì)算得到．不同離焦量和Z軸提升量的薄壁件成形全面實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，不同離焦量和Z軸提升量下薄壁件的成形效率和質(zhì)量各不相同，Z軸提升量過(guò)大時(shí)，甚至不能成形薄壁件，各種參數(shù)下的薄壁件高度通過(guò)測(cè)量得到．

圖8 不同離焦量下的熔覆層橫截面

圖9 不同離焦量和Z軸提升量下的成形薄壁件

3 分析與討論

不同離焦量下的單道單層熔覆層形狀差異很大，在負(fù)離焦量情況下離焦量越小，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池區(qū)域的粉末越少，熔覆寬度相同的情況下熔覆高度越?。僭O(shè)熔覆層表面形貌為圓弧形[14]，將實(shí)驗(yàn)得到的不同離焦量下熔覆層橫截面積與理論計(jì)算值相比，如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)熔覆層橫截面積的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，說(shuō)明該模型得到的計(jì)算結(jié)果基本準(zhǔn)確．

表1 不同離焦量下的熔覆層橫截面積

離焦量-3、-1 mm，Z軸提升量0.30、0.65、0.80 mm，熔覆層數(shù)30層時(shí)，薄壁件成形高度的預(yù)期值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示．

表2 不同離焦量和Z軸提升量下的成形薄壁件高度

Tab.2 Height of forming thin-walled part under different defocused amounts andZ-increments

離焦量/mmΔZ/mmN×ΔZ/mm成形薄壁件高度/mm-3-10．300．650．800．300．650．809．019．52．49．019．52．48．517．5-11．019．5-

觀察表2可以發(fā)現(xiàn)，離焦量為-1 mm、Z軸提升量為0.65 mm時(shí)，成形薄壁件效率高、精度高，成形薄壁件高度等于N×ΔZ，其中N為熔覆層數(shù)．這是因?yàn)殡x焦量為-1 mm、Z軸提升量為0.65 mm時(shí)，單層熔覆高度等于Z軸提升量，在熔覆過(guò)程中時(shí)刻能夠達(dá)到離焦量和Z軸提升量間的協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)．離焦量為-3 mm、Z軸提升量為0.30 mm時(shí)，成形薄壁件的精度也很高，幾乎等于N×ΔZ，然而成形效率卻很低，這是因?yàn)殡x焦量過(guò)小，大部分粉末沒(méi)有能夠進(jìn)入熔池，導(dǎo)致熔覆高度較小，雖然在熔覆過(guò)程中時(shí)刻達(dá)到離焦量和Z軸提升量間的協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)，但是Z軸提升量卻處在一個(gè)較低的水平，因此精度較高，效率較低．

離焦量為-1 mm、Z軸提升量為0.30 mm和離焦量為-3 mm、Z軸提升量為0.65 mm時(shí)，離焦量和Z軸提升量間沒(méi)有達(dá)到協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致成形件高度并不等于N×ΔZ，將離焦量-3、-1 mm，Z軸提升量0.30、0.65 mm，熔覆層數(shù)30，代入式(14)中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比成形薄壁件高度的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3所示．理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致．

表3 成形薄壁件高度的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)Z軸提升量為0.80 mm時(shí)，ΔZ大于理論最大熔覆高度，此時(shí)無(wú)論離焦量如何選擇，激光頭與基板間的距離始終會(huì)不斷變大，最終導(dǎo)致不能成形薄壁件，如圖9(c)、(f)所示，因此在選擇Z軸提升量時(shí)，不能超過(guò)該工藝參數(shù)下最大的熔覆高度．

4 結(jié) 論

(1)基于概率方法，提出了同軸送粉式激光熔覆系統(tǒng)中粉末分布密度的計(jì)算模型，基于此模型，提出了不同離焦量下激光熔覆成形薄壁件的單層熔覆高度的計(jì)算方法．

(2)基于熔覆高度與離焦量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了任意負(fù)離焦量和Z軸提升量下多層熔覆成形薄壁件高度的精確計(jì)算方法．

(3)激光熔覆成形薄壁件時(shí)，選擇盡可能大的并且能夠形成自愈合的負(fù)離焦量，并使Z軸提升量等于該離焦量對(duì)應(yīng)的熔覆高度計(jì)算值，可以得到成形效率和精度較高的薄壁件．

[1] ZHANG Kai, WANG Shijie, LIU Weijun,etal. Effects of substrate preheating on the thin-wall part built by laser metal deposition shaping [J].AppliedSurfaceScience, 2014,317:839-855.

[2] WANG Xinlin, DENG Dewei, YI Hongli,etal. Influences of pulse laser parameters on properties of AISI316L stainless steel thin-walled part by laser material deposition [J].Optics&LaserTechnology, 2017,92:5-14.

[3] 馬廣義,王江田,牛方勇,等. 粉末分布對(duì)激光近凈成形Al2O3陶瓷薄壁件表面形貌的影響[J]. 中國(guó)激光, 2015,42(1):135-140.

MA Guangyi, WANG Jiangtian, NIU Fangyong,etal. Influence of powder distribution on the Al2O3thin-wall ceramic formed by laser engineered net shaping [J].ChineseJournalofLasers, 2015,42(1):135-140. (in Chinese)

[4] WANG Xinlin, DENG Dewei, QI Meng,etal. Influences of deposition strategies and oblique angle on properties of AISI316L stainless steel oblique thin-walled part by direct laser fabrication [J].Optics&LaserTechnology, 2016,80(1):138-144.

[5] 黃衛(wèi)東,林 鑫,陳 靜,等. 激光立體成形——高性能致密金屬零件的快速自由成形[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

HUANG Weidong, LIN Xin, CHEN Jing,etal.LaserSolidForming-FastFreeFormingofHighPerformanceDenseMetalParts[M]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University Press, 2007. (in Chinese)

[6] 皮 剛,張安峰,朱剛賢,等. 激光金屬直接成形中形貌自穩(wěn)定效應(yīng)的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,44(11):77-81.

PI Gang, ZHANG Anfeng, ZHU Gangxian,etal. Self-regulation-effect in laser direct metal manufacturing [J].JournalofXi′anJiaotongUniversity, 2010,44(11):77-81. (in Chinese)

[7] 楊小虎,張安峰,李滌塵,等. 激光金屬直接成形工藝參數(shù)對(duì)形貌自愈合能力的影響[J]. 中國(guó)激光, 2011,38(6):212-218.

YANG Xiaohu, ZHANG Anfeng, LI Dichen,etal. Influence of process parameters on self-healing ability in laser metal direct forming [J].ChineseJournalofLasers, 2011,38(6):212-218. (in Chinese)

[8] LI Peng, JI Shengqin, ZENG Xiaoyan,etal. Direct laser fabrication of thin-walled metal parts under open-loop control [J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture, 2007,47(6):996-1002.

[9] 王鑫林,鄧德偉,胡 恒, 等.Z軸單層行程對(duì)激光熔覆成形的影響[J]. 激光技術(shù), 2015,39(5):702-705.

WANG Xinlin, DENG Dewei, HU Heng,etal. Effect of singleZ-increment on laser cladding forming [J].LaserTechnology, 2015,39(5):702-705. (in Chinese)

[10] 王續(xù)躍,江 豪,徐文驥,等. 變Z軸提升量法圓弧截面傾斜薄壁件激光熔覆成形研究[J]. 中國(guó)激光, 2011,38(10):72-78.

WANG Xuyue, JIANG Hao, XU Wenji,etal. Laser cladding forming of arc-section inclined thin-walled parts with variableZ-increments [J].ChineseJournalofLasers, 2011,38(10):72-78. (in Chinese)

[11] 胡 項(xiàng),陳振華,朱蓓蒂,等. 同步送粉激光熔覆的粉末分布密度[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1997,7(2):136-139.

HU Xiang, CHEN Zhenhua, ZHU Beidi,etal. Average density in laser cladding processing with a powder injector [J].TheChineseJournalofNonferrousMetal, 1997,7(2):136-139. (in Chinese)

[12] LIN J, HWANG B C. Clad profiles in edge welding using a coaxial powder filler nozzle [J].Optics&LaserTechnology, 2001,33(4):267-275.

[13] 劉 昊,虞 鋼,何秀麗,等. 送粉式激光熔覆中瞬態(tài)溫度場(chǎng)與幾何形貌的三維數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)激光, 2013,40(12):78-85.

LIU Hao, YU Gang, HE Xiuli,etal. Three-dimensional numerical simulation of transient temperature field and coating geometry in powder feeding laser cladding [J].ChineseJournalofLasers, 2013,40(12):78-85. (in Chinese)

[14] 劉振俠,黃衛(wèi)東,萬(wàn)柏濤. 送粉式激光熔覆數(shù)值模型基本問(wèn)題研究[J]. 中國(guó)激光, 2003,30(6):567-570.

LIU Zhenxia, HUANG Weidong, WAN Baitao. Investigation of basic problems of the numerical model for powder-feed laser cladding [J].ChineseJournalofLasers, 2003,30(6):567-570. (in Chinese)

MethodtoselectdefocusedamountandZ-incrementsinformingthin-walledpartwithlasercladding

XUHaiyan,LITao*,LIHaibo,WANGXinlin,ZHANGHongchao

(SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Defocused amount andZ-increments affect the accuracy and efficiency of thin-walled part with laser cladding forming. The key to obtain high-accuracy thin-walled part is to make theZ-increments equal the cladding height under initial defocused amount. In order to solve the problem of forming thin-walled part with high accuracy and efficiency, powder density distribution model of laser cladding system with coaxial-powder feeding is established based on the probability theory, the calculation formula of cladding height under different negative defocused amounts is given and experimentally verified. The calculation method of multi-layer cladding forming thin-walled part height under any negative defocused amount andZ-increment is proposed and experimentally verified. The results show that calculations of multi-layer cladding forming thin-walled part height are in accordance with experiments. Selecting self-regulation-effect negative defocused amount as large as possible, and makingZ-increments equal the calculated value of cladding height under this defocused amount, the thin-walled parts with high forming efficiency and high accuracy can be obtained.

laser technology; thin-walled parts forming; defocused amount;Z-increments

1000-8608(2017)06-0557-07

TG39

A

10.7511/dllgxb201706002

2017-04-09；

2017-09-28．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51775086).

徐海巖(1993-)，男，碩士生，E-mail:xuhaiyan_123@163.com；李 濤*(1977-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail:litao_dlut@163.com；張洪潮(1953-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:hongchao18@163.com.