立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法

摘要

本发明提供了一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法。该方法先计算出熔道顶点的偏移量计算式，再根据该计算式分别研究扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳参数，从而将熔道顶点的偏移量控制为最小。

权利要求

1.一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；

B、熔覆一段时间后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比，得出熔池的流动计算式；

C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；

D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；

E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；

F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；

G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；

H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。

2.如权利要求1所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，步骤B中熔池的流动计算式为： 其中 是熔池中垂直于层流方向的速度增量，μL为运动粘度，g为重力，γ为熔池上边沿的表面张力，T为温度，s为熔池上边沿的线元素。

3.如权利要求2所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，步骤C具体为：

1)将式1 和式2

带入熔池的流动计算式并进行积分运算得到式3

2)将U(z)＝xv/r1带入式3得出熔道顶点的偏移量计算式为：

4.如权利要求3所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：D步骤中扫描速度的取值范围为6mm/s～10mm/s。

5.如权利要求4所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：E步骤中激光功率的取值范围为400W～800W。

6.如权利要求5所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：F步骤中送粉速度的取值范围为2g/min～6g/min。

7.如权利要求6所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：G步骤中离焦量的取值范围为-4mm～-2mm。

8.如权利要求7所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于，H步骤具体为：

1)选定离焦量，分别选择三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度；

2)对三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度进行正交试验，选取最佳参数，并进行重复试验。

9.如权利要求8所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：所述离焦量的最佳参数为-2mm，所述扫描速度的最佳参数为6mm/s，所述激光功率的最佳参数为700W，所述送粉速度的最佳参数为5.39g/min。

10.如权利要求8所述的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，其特征在于：进行正交试验时，以熔覆层的表面形貌、宽高比和偏移量作为衡量指标。

说明书

立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

[0002] 激光快速成形是近年来发展起来的一项先进制造技术，成为了激光熔覆技术领域的一个研究热点。激光熔覆快速成形的原理是：在CAD/CAM软件的支持下绘制出零件的实体模型并将实体模型进行分层，得到每一层截面的几何信息并将其转换为机床的运动轨迹信息。在熔覆成形时，激光束照射在基体表面并形成熔池，熔覆材料通过送粉器不断输送到熔池中并快速熔化凝固形成熔覆层，在给定的扫描轨迹下不断运动，最终得到实体金属零件。

[0003] 由以上原理可知，熔覆成形过程是将实体零件分层，则零件实为每一层熔覆层的叠加效果，所以每一层单道熔覆层的质量决定了最终成形零件的质量。由于立面熔覆时熔池的受力情况与水平面熔覆区别较大，且不同的工艺参数决定了每一层熔覆层的高度、宽度、顶点的下垂量、表面光亮程度及内部显微组织等，故对立面单道熔覆的研究非常重要。

[0004] 在对立面熔池进行力学分析时，发现熔融状态下，熔池在垂直方向上受到重力的作用，有向下流淌的趋势；但因熔池在熔融状态下具有粘性并在激光束作用离开后凝固，故熔池在表面张力和重力的共同作用下，熔覆层顶点产生下垂量。

[0005] 因此，有必要对熔覆层顶点的下垂量进行控制，以使得熔道关于激光加载中心轴线的对称度最佳。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，以使得熔道顶点的偏移量最小、熔道关于激光加载中心轴线的对称度最佳。

[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，主要包括以下步骤：

[0008] A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；

[0009] B、熔覆一段时间后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比，得出熔池的流动计算式；

[0010] C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；

[0011] D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；

[0012] E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；

[0013] F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；

[0014] G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；

[0015] H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。

[0016] 进一步地，步骤B中熔池的流动计算式为： 其中是熔池中垂直于层流方向的速度增量，μL为运动粘度，g为重力，γ为熔池上边沿的表面张力，T为温度，s为熔池上边沿的线元素。

[0017] 进一步地，步骤C具体为：

[0018] 1)将式1 和式2带入熔池的流动计算式并进行积分运算得到式3

[0019] 2)将U(z)＝xv/r1带入式3得出熔道顶点的偏移量计算式为：

[0020] 进一步地，D步骤中扫描速度的取值范围为6mm/s～10mm/s。

[0021] 进一步地，E步骤中激光功率的取值范围为400W～800W。

[0022] 进一步地，F步骤中送粉速度的取值范围为2g/min～6g/min。

[0023] 进一步地，G步骤中离焦量的取值范围为-4mm～-2mm。

[0024] 进一步地，H步骤具体为：

[0025] 1)选定离焦量，分别选择三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度；

[0026] 2)对三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度进行正交试验，选取最佳参数，并进行重复试验。

[0027] 进一步地，所述离焦量的最佳参数为-2mm，所述扫描速度的最佳参数为6mm/s，所述激光功率的最佳参数为700W，所述送粉速度的最佳参数为5.39g/min。

[0028] 进一步地，进行正交试验时，以熔覆层的表面形貌、宽高比和偏移量作为衡量指标。

[0029] 本发明的有益效果在于：本发明的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，研究了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出了将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳参数，从而使得熔道的质量最好。

[0030] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

[0031] 图1为本发明立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法流程图。

[0032] 图2为熔融状态与凝固后的熔池的截面图。

[0033] 图3为不同扫描速度下的熔道表面形貌。

[0034] 图4为单个熔道的高度和宽度随扫描速度变化的曲线图。

[0035] 图5为单个熔道的宽高比随扫描速度变化的曲线图。

[0036] 图6为单个熔道的顶点偏移量随扫描速度变化的曲线图。

[0037] 图7为不同激光功率下的熔道表面形貌。

[0038] 图8为单个熔道的高度和宽度随激光功率变化的曲线图。

[0039] 图9为单个熔道的宽高比随激光功率变化的曲线图。

[0040] 图10为单个熔道的顶点偏移量随激光功率变化的曲线图。

[0041] 图11为不同送粉速度下的熔道表面形貌。

[0042] 图12为单个熔道的高度和宽度随送粉速度变化的曲线图。

[0043] 图13为单个熔道的宽高比随送粉速度变化的曲线图。

[0044] 图14为单个熔道的顶点偏移量随送粉速度变化的曲线图。

[0045] 图15为不同离焦量下的熔道表面形貌。

[0046] 图16为单个熔道的高度和宽度随离焦量变化的曲线图。

[0047] 图17为单个熔道的宽高比随离焦量变化的曲线图。

[0048] 图18为单个熔道的顶点偏移量随离焦量变化的曲线图。

[0049] 图19为优选工艺参数下立面熔覆层表面形貌。

[0050] 图20为优选工艺参数下单道熔覆层的横截面图。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0052] 本发明是对立面激光熔覆成形技术进行的研究，且主要研究了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对熔道顶点偏移量的影响，并找出了将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳工艺参数。

[0053] 此次研究中所采用的工艺装备主要包括：光纤激光器、中空激光光内同轴送粉喷头、KUKA机器人、工作台、送粉系统及控制中心；一些辅助装置包括：气氛控制系统、检测与反馈控制系统。其中，所述光纤激光器为IPG公司生产的YLS-2000-TR型掺镱激光器；所述KUKA机器人为6自由度机器人，且主要由控制系统、机械手、手持操作和编程器组成；所述工作台为1自由度工作台；所述送粉系统通常由送粉器、粉末传输通道和喷头组成，本次实验所采用的送粉器型号为GTV PF2/2，这是一台用于热喷涂、激光焊接或PTA-堆焊的送粉器，可用于输送粉末状材料。对于光纤激光器、送粉器、机器人、气氛系统的控制主要集成在KUKA机器人的控制系统中，通过不同接口连接使得在机器人系统的手持编程器(KCP)上能够实现对整个系统的控制，使得空间基面三维熔覆系统的使用更加方便。

[0054] 因激光熔覆成形技术已得到广泛的研究，故以下说明书部分将不再对该技术进行详细说明，以下说明书部分将对立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法进行详细说明。

[0055] 如图1所示，为熔道顶点偏移量的控制方法流程图。从该流程图可知，主要包括以下步骤：

[0056] A、在无重力作用的状态下，定义熔池内熔道顶点的高度为H(或为hmax)，并获取熔池在无重力作用下的横截面图；

[0057] B、熔覆一段时间t后，获取熔池在重力作用下的横截面图，将该横截面图与步骤A中的横截面图进行对比(如图2所示)，得出熔池的流动计算式；

[0058] C、对熔池的流动计算式进行积分运算，得出熔道顶点的偏移量计算式；

[0059] D、保持激光功率、送粉速度、离焦量不变，在不同扫描速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定扫描速度的取值范围；

[0060] E、保持扫描速度、送粉速度、离焦量不变，在不同激光功率下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定激光功率的取值范围；

[0061] F、保持扫描速度、激光功率、离焦量不变，在不同送粉速度下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定送粉速度的取值范围；

[0062] G、保持扫描速度、激光功率、送粉速度不变，在不同离焦量下分别计算出各个熔道顶点的偏移量并进行比较，以确定离焦量的取值范围；

[0063] H、选出最佳匹配的扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量，以使得熔道顶点的偏移量最小。

[0064] 如图2左图所示为熔池熔融状态时的受力图。由左图可以看出，熔池在垂直方向受到了重力的作用，有向下流淌的趋势，但熔池此状态下是具有粘性的，并在激光束扫描后凝固，继而形成了图2右侧所示的单道形貌。此截面是熔池在表面张力和重力共同作用后的结果。图2右图中的X为熔池在重力作用下产生的下垂量(即熔道顶点的偏移量)。

[0065] 步骤B中熔池的流动计算式为： 其中 是熔池中垂直于层流方向的速度增量，μL为运动粘度，g为重力，γ为熔池上边沿的表面张力，T为温度，s为熔池上边沿的线元素。

[0066] 步骤C具体为：1)将式(1) 和式(2)带入上述熔池的流动计算式并进行积分运算得到式(3)
其中，式(1)与式(2)可通过相关文献得知，且积分常数的计算是
通过边界条件z＝0和U(z)＝0来确定的。

[0067] 2)将U(z)＝xv/r1带入式(3)得出熔道顶点的偏移量计算式为：

[0068] 需要注意的是：以下说明书中提到的所有偏移量均是由该偏移量计算式计算得出的。

[0069] 当然，由熔道顶点的偏移量计算式可以看出：在不同工艺参数下，熔池受到的激光加载能量和熔化的粉末是不一致的，因而会导致熔道顶点的偏移量也不一致。下文将主要研究不同工艺参数对单道熔池形貌的影响，并通过对单道熔池形貌的研究，找出立面激光熔覆成形合适的单道工艺参数。以下研究过程将以熔覆层的表面形貌、熔道的宽度、高度、宽高比以及顶点的偏移量作为衡量指标。

[0070] 如图3至图6所示，为不同扫描速度(v＝2mm/s，4mm/s，6mm/s，8mm/s，10mm/s)下熔池的表面形貌，其余工艺参数保持不变为：激光功率800W，送粉速度4g/min，离焦量-2mm。

[0071] 由图3可见，其它工艺参数不变的情况下，扫描速度为2mm/s时，熔道a)的形态较饱满，但表面有过烧现象。这是因为：当扫描速度较低时，熔池单位距离内吸收熔化的合金粉末增多，熔道较为饱满；同时，熔池受到激光加载的时间过长，使熔池温度升高，过高的热量使得熔道表面产生烧损。当扫描速度为4mm/s时，单位时间内送入熔池的粉末与熔池吸收的热量比较适中，熔道b)的表面光亮，熔道均匀连续，熔道表面无烧损，熔覆层质量较高。当扫描速度为6mm/s时，熔道c)单位距离内送进熔池的粉末量较少，单位距离内激光输入的热量也相应减少，熔道成形质量接近熔道b)。但是由于扫描速度加快，致使一些未参与熔覆的粉末黏附在熔道表面，使得熔道表面暗淡无光泽。当扫描速度增加到8mm/s和10mm/s，单位距离内输入的粉末和激光能量进一步降低，使得熔池吸收的粉末较少，较多粉末粘附在熔道表面，致使熔道不饱满且不光亮，如熔道d)、e)。

[0072] 通过图像处理软件测出不同扫描速度下单个熔道的宽度、高度及顶点的偏移量。由图4可以看出：熔道的宽度和高度都呈下降的趋势，这是由于随着扫描速度的增加，单位长度上的激光加载时间缩短，熔池吸收的能量过低，使得熔池的温度降低。由于送入熔池的粉末量也相应的减少，致使熔道的宽度和高度呈下降的趋势。

[0073] 由图5可以看出：熔道的宽高比随着扫描速度的增加有逐渐增大的趋势。这是由于随着扫描速度的增大，熔覆层高度减小的幅度大于其宽度减小的幅度。

[0074] 由图6可以看出：在扫描速度较低时，熔道顶点的偏移量较大，而在扫描速度为8mm/s-10mm/s时，熔道顶点的偏移量较小。这是因为在扫描速度较大时，激光束与基体的作用时间较短，熔池保持熔融状态的时间较短，所以液态熔池具有的粘性力增强，故顶点偏移量较小。相反，在扫描速度较低时，激光束与基体的作用时间加长，同时熔池保持熔融的状态也较长，导致熔池粘性减弱，最终使熔道顶点的偏移量增大。因此，由图3至图6可以总结出：D步骤中扫描速度的较佳取值范围为6mm/s～10mm/s。

[0075] 如图7至图10所示，为不同激光功率(400W，600W，800W，1000W，1200W)下熔池的表面形貌，其余工艺参数保持不变为：扫描速度4mm/s，送粉速度4g/min，离焦量-2mm。

[0076] 熔池温度是由激光熔覆过程中的热量输入所决定的，熔池的温度最终影响熔覆层的性能。在离焦量、扫描速度及送粉速度等其他工艺参数不变的情况下，激光功率密度的大小取决于激光功率的大小，故热量的输入大小可由式(4)E＝P/(DS)计算，式中，E为激光能量密度(J·mm-2)，P为激光功率(W)，D为光斑直径(mm)，S为喷头扫描速度(mm·s-1)。

[0077] 由图7可见，其它工艺参数不变的情况下，当激光功率为400W时，熔道a)的表面较为光亮，有轻微黏粉现象。这说明激光功率较低，不满足此工艺参数下的功率要求，故功率密度也较小，熔池温度过低，不足以熔化所有的粉末。当激光功率为600W时，熔道b)表面光亮，局部有过烧现象。这是由于600W的功率达到了此工艺参数下熔覆所需的功率，局部过烧的现象表明功率已经过大。当激光功率为800W时，如熔道c)所示，可以看出随着激光能量的逐渐增强，熔池的温度过高，熔道表面过烧的面积增大，致使熔道表面呈现灰色。当激光功率超过800W，达到1000W和1200W时，如熔道d)、e)所示，熔道表面呈现深灰色，表明激光功率过大，作用在熔池的功率密度过高，导致熔道表面过烧。

[0078] 通过图像处理软件测出不同激光功率下单个熔道的宽度、高度及顶点的偏移量。由图8可以看出：当激光功率逐渐增大时，单道熔覆层的宽度逐渐增大而高度增加缓慢。产生这种现象的原因是随着熔池的能量密度增大，熔池的温度升高，高温区域也会扩大，但由于激光光斑的尺寸限制和基体的散热条件，熔覆层的最大宽度只能维持在光斑的直径(离焦量为-2mm时，光斑的直径为2mm)左右。同时熔池的温度升高时，吸收和熔化粉末增多，使得熔道的高度有所增加。如果激光功率一直加大，一方面由于送粉量保持不变，另一方面过高的熔池温度会使熔池的流动性增强，反而会使熔道的高度降低。

[0079] 由图9可以看出：熔覆层的宽高比在激光功率小于1000W时是逐渐增大的。这是由于在此激光功率范围内，宽度的增加幅度大于高度的增加幅度。当激光功率大于1000W时，由于熔道的宽度已接近到光斑的直径，故增加的幅度很小，而随着激光功率的增大，熔池温度升高，较多的粉末被吸收熔化，熔道高度增加的幅度大于宽度增加的幅度，导致宽高比下降。

[0080] 由图10可以看出：随着激光功率的增加，熔道顶点的偏移量逐渐增大。这是由于一方面随着激光功率的增大，熔池的宽度逐渐上升，使得熔道的宽度增加；另一方面，由于熔池的温度较高，熔池保持熔融状态的时间增长，熔池的粘性减弱，使得熔池在重力的作用下发生下垂，故熔道顶点的偏移量逐渐增大。

[0081] 通过不同扫描速度和激光功率对熔道形貌影响的分析及式(4)可以得出：在保证激光功率密度的基础上应当尽量提高扫描速度或减小激光功率，使得熔道顶点的偏移量最小，熔道关于激光加载中心轴线的对称度最佳。因此，由图7至图10可以总结出：E步骤中激光功率的较佳取值范围为400W～800W。

[0082] 如图11至图14所示，为不同送粉速度(2g/min，4g/min，6g/min，8g/min，10g/min)下熔池的表面形貌，其余工艺参数保持不变为：激光功率800W，扫描速度4mm/s，离焦量-2mm。

[0083] 由图11可见，其它工艺参数不变的情况下，送粉速度为2g/min时，熔道a)的表面呈深灰色。这是由于在送粉速度为2g/min时，粉末的输入量还未达到此工艺参数下的所需粉末的最佳量，致使熔池的热量过高，最终使成形单道的表面暗淡。当送粉速度达到4g/min时，熔道b)的表面较为光亮，这是由于当送粉速度达到4g/min时，粉末的输入量接近最佳的粉末输入量，熔池的热量输入有所减少，故成形单道较为光亮。当送粉速度达到6g/min时，可以看出熔道c)表面光亮平整，达到对单道表面的要求，此时送粉量达到了此工艺参数下的最佳送粉量。当送粉速度达到8g/min时，熔道d)的表面有少量的黏粉现象，这是由于送粉量大于此工艺参数下的最佳送粉量，导致一些粉末未被熔池熔化，而粘结在熔道表面。当送粉速度达到10g/min时，可以看出熔道e)表面不连续且黏粉现象严重。这是由于当送粉量过大时，熔覆喷头的粉末输送量达到极值，不能提供稳定的粉末流，使得最终的成形熔道出现不连续的现象。

[0084] 通过图像处理软件测出不同送粉速度下单个熔道的宽度、高度及顶点的偏移量。由图12可以看出：随着送粉速度的逐渐增大，熔道的宽度和高度逐渐增大。这是由于单位时间内进入熔池的粉末增多，熔池吸收更多的粉末，使得熔池的宽度和高度都有所增大。但是受到光斑直径的影响，熔池宽度增加缓慢，并趋于稳定，而高度的变化则更明显。当送粉速度在8-10g/min间变化时，熔覆层的高度变化显著，这是由于粉末的输入过多，无法形成连续的熔道，使得熔道出现间断性的凸起。

[0085] 由图13可以看出：随着送粉速度的增大，熔道的宽高比逐渐减小。这是由于熔道宽度受激光光斑直径的限制变化不大。随着送粉速度的增大，熔池吸收的粉末增多，高度逐渐上升，故宽高比逐渐减小，也说明送粉速度对熔覆层高度的影响显著。

[0086] 由图14可以看出：随着送粉速度的增加，熔道的高度和顶点偏移量逐渐增加。当送粉速度从2g/min增加到6g/min时，顶点的偏移量增加了0.13mm。随着送粉速度的增加，熔覆层高度增高，熔池离基板的距离变远，局部的液体流速增大。在相同的时间间隔内，局部流速过高会增大熔道顶点的偏移量。而当送粉速度大于6g/min时，熔道顶点的偏移量基本保持不变。这是由于在此工艺参数下，熔池所能熔化的粉末达到极值，故随着送粉速度的加大，顶点的偏移量变化不大。当送粉速度达到10g/min左右时，不能形成连续的熔道，故参考价值不大。

[0087] 通过送粉速度对熔道形貌影响的分析可以得出，在保证熔道宽度、高度及宽高比等参数满足成形要求的前提下，应尽量减小送粉速度，使得熔道顶点的偏移量较小，熔道的对称度好。因此，由图11至图14可以总结出：F步骤中送粉速度的较佳取值范围为2g/min～6g/min。

[0088] 如图15至图18所示，为不同离焦量(-4mm，-2mm，0，+2mm，+4mm)下熔池的表面形貌，其余工艺参数保持不变为：激光功率800W，扫描速度4mm/s，送粉速度4g/min。

[0089] 由图15可见，其它工艺参数不变的情况下，当离焦量为-4mm时，熔道a)表面的质量不稳定，这是由于当离焦量为-4mm时，光斑的直径较大，功率密度较低，所能吸收和熔化的粉末较少。当离焦量为-2mm时，熔道b)较为饱满，但是表面较为暗淡，这是由于功率过大，产生了一定的过烧。当离焦量为0时，可以看出熔道c)饱满，表面暗淡，产生的原因同b)，但是在焦点位置熔覆时，光斑直径小，会对粉末产生较大浪费，且对精度要求高。当离焦量为+2mm时，可以看出熔道d)表面粗糙，且表面暗淡。这是由于激光能量和粉末经过较长距离的传输，激光与粉末的耦合性降低，使得较多粉末粘结在熔道表面。当离焦量为+4mm时，可以看出熔道e)表面未完全熔化，表面粗糙度低。这是由于光斑直径大，能量密度低；同时光粉耦合性进一步降低。

[0090] 通过图像处理软件测出不同离焦量下单个熔道的宽度、高度及顶点的偏移量。由图16可以看出：熔道的宽度和高度变化都呈现“V”字形，最低点在焦点的位置。由环形聚焦光的性质可以发现，焦点位置的能量最为集中，由焦点向上或向下则光斑的直径越来越大，光斑的能量密度逐渐减小。当离焦量增大时，由于光斑直径增大，熔池直径也增大，最终使熔道的宽度增大。理论上熔道的高度应在焦点处最大，因为焦点处能量集中，熔化的粉末最多。而从图16中可以看出焦点处的高度最低。这是由于试验时激光加载能量和粉末的输送量较大，即使在非焦点处也有足够的能量将较多的粉末熔化，从而使得熔道的宽度和高度较大，甚至高度比在焦点处略大。

[0091] 由图17可以看出：在离焦量为正时，随着离焦量的增大，熔道的宽高比增大，宽度变化的幅度大于高度的变化幅度。而在负离焦时，熔道的宽度和高度呈现先减小后增大的趋势。在离焦量由-4mm变化到焦点位置时，单道熔覆层高度经历了先增大后减小的变化趋势，而宽度减小程度相近，使得宽高比先减小后增大。

[0092] 由图18可以看出：熔道顶点的偏移量先增大后减小。这是由于在用正离焦进行激光熔覆成形时，由于粉末运动的距离加长，受到激光加载的时间也相应增加，粉末在运动过程中达到熔融状态；同时受到重力作用的时间也变长，导致顶点偏移量增大。故，在实际熔覆成形时，应尽量选择负离焦进行熔覆成形。

[0093] 因此，由图15至图18可以总结出：G步骤中离焦量的较佳取值范围为-4mm～-2mm。具体来讲，通过上述分析可以看出，离焦量为-2mm时，熔道质量最好。

[0094] 当然，在确定了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量的较佳取值范围后，需要选出使熔道顶点偏移量最小时的扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量的最佳参数。根据上述分析可知，工艺参数对于立面熔覆层质量以及顶点偏移量的影响并不是相互独立的，因而，H步骤具体为：

[0095] 1)选定离焦量为-2mm，分别选择三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度；

[0096] 具体来讲，扫描速度、激光功率和送粉速度的三个水平可见下表所示。

[0097]

[0098] 2)对三个水平下的扫描速度、激光功率和送粉速度进行正交试验，选取最佳参数，并进行重复试验。

[0099] 具体来讲，正交试验过程中，以熔覆层的表面形貌、宽高比和偏移量作为衡量指标。正交试验所形成的正交表如下表所示。

[0100]

[0101] 从该正交表可以发现，第2列的极差最大，这说明扫描速度对于光内同轴送粉立面熔覆影响最大，其次是送粉速度，最后是激光功率。

[0102] 最好的工艺方案是P2v2vp2，即

[0103] P2：激光功率                         第2水平，700W

[0104] v2：扫描速度                         第2水平，6mm/s

[0105] vp2：送粉速度                        第2水平，5.39g/min

[0106] 由上述正交表可以看出，分析出来的最好工艺方案在已经做过的正交试验中并没有出现，与其接近的是第5次试验，而第5次试验是9次试验中效果最好的，这说明我们所优选的与实际试验相接近。

[0107] 为了验证最终确定的试验方案P2v2vp2，根据该工艺参数进行重复试验3次，并获得图19所示的立面熔覆层表面形貌和图20所示的单道熔覆层横截面图。从图19与图20可以看出：熔覆层表面平整，比较光亮，无粘粉现象，熔覆质量较好，且熔道顶点无明显偏移，工艺参数重复性好。测量立面熔覆层，得到其平均宽度为1.88mm，平均宽度为0.448mm，对应的宽高比为4.20，略低于第5次的宽高比，平均偏移量为0.10mm，比第5次的偏移量小，一般可以忽略不计。因此，可以最终确定最佳的工艺参数为：离焦量为-2mm，激光功率为700W，扫描速度为6mm/s，送粉速度为5.39g/min。

[0108] 综上所述，本发明的立面激光熔覆成形工艺中熔道顶点偏移量的控制方法，研究了扫描速度、激光功率、送粉速度及离焦量对立面单道熔覆层的表面形貌以及其宽度、高度、宽高比和顶点偏移量的影响，并找出了将熔道顶点偏移量控制为最小状态下的各扫描速度、激光功率、送粉速度、离焦量的最佳参数，从而使得熔道顶点偏移量最小、熔道质量最好。

[0109] 以上所述实施例仅表达了本发明的最佳实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。