激光内送粉变宽扫描成形闭环控制研究

发布时间：2020-10-13 04:43

　　 工程中变宽结构采用传统方法成形工序多,工艺复杂,而激光熔覆成形在厚壁处如采用多道搭接的工艺,其成形效率和精度都较低。本研究采用“光内送粉”技术与喷头,可在扫描过程中通过离焦来连续改变工作光斑尺寸,从而一次扫描成形出不同宽度的熔道。此技术用于变壁厚结构的激光熔覆成形,可避免多熔道搭接,减少熔层的反复加热,提高成形效率和精度。本文构建了以IPG光纤激光器、KUKA机械手、GTV送粉器、中空光内送粉喷头及层高控制系统为核心的激光熔覆成形系统,研究了中空环形光斑的能量分布与光粉耦合特性。通过单因素直墙堆积实验,研究离焦量、激光功率、扫描速度及送粉速率等工艺参数对熔道形貌的影响。结果表明:送粉速率易受外界干扰,成形过程中一般不作为变量;熔道宽度主要受离焦量的影响;扫描速度主要影响熔道高度。本文研究变壁厚结构件的成形,其中选用离焦量控制熔道宽度,扫描速度控制熔道高度。针对变壁厚结构无法通过单因素变量直接成形的问题,本文提出了分段拼接技术。即将变壁厚结构分成若干段,假设每段壁厚相等,再根据各段壁厚为其匹配对应工艺参数,逐渐逼近拟合成形变壁厚结构。由于激光熔覆成形过程中存在自愈合效应,成形变壁厚结构均选取自愈合区间内的离焦量。使用基于机器视觉原理的层高控制软件获得熔道实际高度,由于在变壁厚结构成形过程中涉及离焦量的变化,建立了各段熔覆层实际高度的计算模型。层高控制系统为激光熔覆成形系统提供了高度反馈,建立基于熔覆层实际高度的速度PI控制器模型,合理选择比例系数与积分系数,设定每个熔覆层的期望高度,将实际高度与期望高度对比,调整校正各段扫描速度。设计直墙实验检测速度PI控制器模型的稳定性,结果表明加入闭环控制的成形系统稳定性较高。在段与段间设定小段过渡段,并设计过渡段速度控制模型能有效解决过渡点凸起的问题。本文设计了变壁厚直墙、变壁厚偏心圆环、变壁厚叶片及变壁厚扭曲叶片四种结构模型,结合分段拼接技术分别规划四种变壁厚结构的成形路径,根据壁厚要求,为每段选取合适的初始参数,使用速度控制模型成功成形了这四种结构。比例系数为-0.003(1/s)和积分系数为-0.00035(1/s)时,成形的变壁厚直墙和变壁厚偏心圆环每段高度控制曲线都能在期望高度值附近小幅度波动,均达到稳定和收敛状态。成形变壁厚叶片,根据其高度控制曲线,校正变壁厚扭曲叶片实验参数,最终获得精度较高的变壁厚扭曲叶片,且速度控制器具有较好的控制效果与控制精度。分析变壁厚偏心圆环组织结构与力学性能,研究发现不同壁厚处晶粒组织均匀致密,晶粒尺寸接近,均在细晶范围,其硬度值在550HV~700HV范围内,具备较好的力学性能。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

1 传统方法加工变壁厚结构现状传统变壁厚结构的成形通常是由数控铣削、铸造、挤压等。(1)数控铣削数控铣削是一种减材制造方式。瑞士斯达拉格加工中心拥有高精度、高效率工机床，结合德国 Haimer 的热缩刀柄和热缩机制造的涡轮叶片、整体叶盘杂零件长期为航空航天和能源领域提供服务，数控铣削叶片过程如图 1.1[10]工件加工动力与阻尼的影响，英国诺丁汉大学研究了工件与刀具间的动态响大学刘日良、朱海光等人研究了使用三轴机床基于旋风铣削工艺加工叶片的片制造提供高效、低成本的新途径[12]。铣削加工叶片过程中常存在刀具变形振等问题，南京航空航天大学李亮、吴清雨等人深入研究了高温合金薄壁叶形，结合试验与仿真提出了叶片变形的控制策略[13]。叶片对数控机床的加工率要求较高，一般满足要求的均为价格昂贵的多轴数控机床。

图 1.3 单晶叶片(a) 燃气轮机单晶叶片；(b)航空用高温合金单晶叶片(3)挤压挤压是一种等材制造方式。中北大学崔亚等人研究了镁合金变壁厚异型板挤压成形工艺[20]，通过挤压实现塑性变形，厚壁处坯料多，薄壁坯料少，挤叶片如图 1.4(c)所示。(a)(b)(c)

电解
【参考文献】

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本文编号：2838745