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一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法

阅读：1058发布：2020-08-12

IPRDB可以提供一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，涉及激光增材再制造技术领域。该方法首先进行单熔覆道单因素实验获得工艺参数优选范围与模型验证数据；再进行单熔覆道正交实验获得较优参数组合与模型建模数据；并通过切割试件获得熔覆层截面试样，测量熔覆层截面几何尺寸，计算稀释率；最后建立熔覆层几何特征和稀释率交互线性回归关系方程式，并通过BreedPSO算法对关系式系数进行求解及验证模型的拟合与预测精度。本发明提供的激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，准确地解决了激光增材再制造单熔覆道几何特征成形尺寸与工艺参数之间拟合精度不高的技术问题，建模方法简单、准确性高，可以节约生产成本。，下面是一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过激光增材再制造单熔覆道单因素实验，获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的优选范围以及对单熔覆道几何形貌特征和稀释率模型进行验证的验证数据；

步骤2、通过单熔覆道正交实验获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合与模型建模数据；

步骤3、建立单熔覆道熔覆层的几何特征和稀释率的交互线性回归关系式，并通过基于杂交理论的粒子群BreedPSO算法对关系式中的系数进行求解，完成对单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率的建模；

步骤4、验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度与预测精度。

2.根据权利要求1所述的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，其特征在于：步骤1所述与熔覆层几何特征与稀释率相关的工艺参数包括激光功率P、扫描速度VS和送粉速率VF。

3.根据权利要求2所述的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，其特征在于：所述步骤2具体方法为：

切割单熔覆道正交实验的试件获得熔覆层截面试样，通过光学超景深三维显微镜测量熔覆层几何特征，包括熔覆高度H、熔覆层横截面积SR和基体熔化面积SJ；并通过熔覆层几何特征计算稀释率λ，如下公式所示：[SJ/(SR+SJ)]×100％

通过对测量得到的熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及计算得到的稀释率λ进行极差分析确定与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合；

并将熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及稀释率λ作为单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率模型的原始数据。

4.根据权利要求3所述的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，其特征在于：所述步骤3所述建立熔覆层几何特征与稀释率的交互线性回归关系式的具体方法为：基于带有交互效应系数的二次回归模型建立工艺参数与熔覆层几何特征和稀释率的回归关系式，如下公式所示：

其中，H(P，VS，VF)为熔覆层高度，SR(P，VS，VF)为熔覆层横截面积，SJ(P，VS，VF)为基体熔化面积，λ(P，VS，VF)为稀释率，α0、β0、χ0和δ0均为回归方程的常数项系数，αi、βi、χi和δi回归方程的一次项系数，αii、βii、χii和δii均为回归方程的二次项系数，αij、βij、χij和δij均为回归方程的交互效应系数，i＝1、2、3，j＝1、2、3，且i≠j，ε为误差项。

5.根据权利要求4所述的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，其特征在于：所述步骤4具体方法为：

应用如下公式所示的复测定系数R计算单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度：

其中，n为单熔覆道正交实验所用试件样本数，yi为单熔覆道正交实验的测量值，为单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合值，i′＝1、2…、n；

将单熔覆道单因素实验获得的熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数带入单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型，将求得的熔覆层几何特征尺寸和稀释率与实际测量得到的数据进行对比，通过如下公式所示的预测系数验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的预测精度：其中，η为预测系数。

说明书全文

一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光增材再制造技术领域，尤其涉及一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法。

背景技术

[0002] 激光增材再制造技术是一种应用激光将材料逐层或逐点堆积出制件的先进制造技术。该技术将已经丧失使用价值的废旧零部件作为再制造毛坯，然后利用激光熔覆、激光快速成形技术为主的先进制造技术对其进行损伤修复、性能提升，从而使得激光增材再制造后的产品在质量和使用性能上满足新产品的使用要求。激光增材再制造技术最大优点在于其融合了计算机辅助设计技术、数控加工技术、材料技术和激光加工技术等多种先进制造技术，运用综合的先进技术制造出优于基体材料性能的熔覆层，由于激光的能量密度高度集中，基体材料对涂层材料稀释率小，从而使得涂层材料的组织性能能够得到保障，加工精度高，可控性强，并且激光的高能量性可以加工的涂层材料范围广泛。

[0003] 单道熔覆作为激光增材再制造成形结构的基本组成单元，多道搭接和叠层成形都是以单熔覆道逐道搭接、累垛实现的，它的成形结构很大程度上决定着搭接和叠层的整体形貌特征。正是单道熔覆这种局部形貌的不均匀，从而导致整体增材再制造成形的结构误差，若不得到控制，甚至可以导致一次成形加工的失败。单熔覆道的几何特征尺寸和内部组织结构一定程度上代表着激光增材再制造成形结构的整体属性，因此，对单熔覆道的几何形貌特征和稀释率的研究是很有必要性的。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，实现对单熔覆道的几何形貌特征和稀释率进行建模。

[0005] 一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤1、通过激光增材再制造单熔覆道单因素实验，获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的优选范围以及对单熔覆道几何形貌特征和稀释率模型进行验证的验证数据；

[0007] 所述与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数包括激光功率P、扫描速度VS和送粉速率VF；

[0008] 步骤2、通过单熔覆道正交实验获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合与模型建模数据，具体方法为：

[0009] 切割单熔覆道正交实验的试件获得熔覆层截面试样，通过光学超景深三维显微镜测量熔覆层几何特征，包括熔覆高度H、熔覆层横截面积SR和基体熔化面积SJ；并通过熔覆层几何特征计算稀释率λ，如下公式所示：

[0010] [SJ/(SR+SJ)]×100％

[0011] 通过对测量得到的熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及计算得到的稀释率λ进行极差分析确定与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合；并将熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及稀释率λ作为单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率模型的原始数据；

[0012] 步骤3、建立单熔覆道熔覆层的几何特征和稀释率的交互线性回归关系式，并通过基于杂交理论的粒子群BreedPSO算法对关系式中的系数进行求解，完成对单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率的建模；

[0013] 所述建立熔覆层几何特征与稀释率的交互线性回归关系式的具体方法为：

[0014] 基于带有交互效应系数的二次回归模型建立工艺参数与熔覆层几何特征和稀释率的回归关系式，如下公式所示：

[0015]

[0016]

[0017]

[0018]

[0019] 其中，H(P，VS，VF)为熔覆层高度，SR(P，VS，VF)为熔覆层横截面积，SJ(P，VS，VF)为基体熔化面积，λ(P，VS，VF)为稀释率，α0、β0、χ0和δ0均为回归方程的常数项系数，αi、βi、χi和δi回归方程的一次项系数，αii、βii、χii和δii均为回归方程的二次项系数，αij、βij、χij和δij均为回归方程的交互效应系数，i＝1、2、3，j＝1、2、3，且i≠j，ε为误差项；

[0020] 步骤4、验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度与预测精度，具体方法为：

[0021] 应用如下公式所示的复测定系数R计算单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度：

[0022]

[0023] 其中，n为单熔覆道正交实验所用试件样本数，yi为单熔覆道正交实验的测量值，为单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合值，i′＝1、2…、n；

[0024] 将单熔覆道单因素实验获得的熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数带入单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型，将求得的熔覆层几何特征尺寸和稀释率与实际测量得到的数据进行对比，通过如下公式所示的预测系数验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的预测精度：

[0025]

[0026] 其中，η为预测系数。

[0027] 由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，克服了现有方法确定熔覆层几何特征和稀释率与工艺参数间回归关系式的局限性，准确地解决了激光增材再制造单熔覆道几何特征成形尺寸与工艺参数之间拟合精度不高的技术问题，建模方法简单、准确性高，可以节约生产成本，同时可为搭接和叠层熔覆提供理论支持。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例提供的一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法的流程图；

[0029] 图2为本发明实施例提供的单熔覆道单因素实验所使用的试件示意图；

[0030] 图3为本发明实施例提供的单熔覆道的截面几何特征示意图；

[0031] 图4为本发明实施例提供的DD-02号试件实际测量结果图；

[0032] 图5为本发明实施例提供的单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率的正交试验测量计算值与模型拟合值的对比结果图；

[0033] 图6为本发明实施例提供的单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率的正交试验测量计算值与模型预测值的对比结果图。

[0034] 图中，1、熔覆层；2、基材材料；3、基体熔化面积SJ；4、热影响区；5、熔覆高度H；6、熔覆层横截面积SR；7、DD-02号试件的测量截面；

具体实施方式

[0035] 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。

[0036] 一种激光增材再制造熔覆层几何特征与稀释率建模方法，如图1所示，包括步骤如下：

[0037] 步骤1、通过激光增材再制造单熔覆道单因素实验，获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的优选范围以及对单熔覆道几何形貌特征和稀释率模型进行验证的验证数据；

[0038] 与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数包括激光功率P、扫描速度VS和送粉速率VF。

[0039] 本实施例，选用34GrNiMO6作为基体材料，采用制备的铁铬合金粉末作为熔覆材料，根据加工设备特性选择与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的初始范围，其中激光功率P的初始范围为900～1400W，扫描速度VS的初始范围为700～1200mm/min，送粉速率VF的初始范围为3.2～4.1rad/min，具体单因素实验方案数据如表1所示，根据如图2所示的实验结果确定优选工艺参数范围为：P＝1100～1400W，VS＝700～1000mm/min，VF＝3.2～
4.1rad/min。

[0040] 表1单因素实验方案数据

[0041]

[0042]

[0043] 步骤2、通过单熔覆道正交实验获得与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合与模型建模数据，具体方法为：

[0044] 切割单熔覆道正交实验的试件获得熔覆层截面试样，通过光学超景深三维显微镜测量熔覆层几何特征，包括熔覆高度H、熔覆层横截面积SR和基体熔化面积SJ；并通过熔覆层几何特征计算稀释率λ，如下公式所示：

[0045] [SJ/(SR+SJ)]×100％

[0046] 通过对测量得到的熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及计算得到的稀释率λ进行极差分析确定与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合；并将熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及稀释率λ作为单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率模型的原始数据；

[0047] 本实施例中，单熔覆道正交实验方案数据如表2所示，通过对测量得到的熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及计算得到的稀释率λ进行极差分析确定与熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数的较优参数组合为激光功率P＝1300W、扫描速度VS＝700mm/min、送粉速率VF＝3.5rad/min；并将熔覆层的熔覆高度H、横截面积SR和基体熔化面积SJ以及稀释率λ作为单熔覆道熔覆层几何特征和稀释率模型的原始数据。

[0048] 表2单熔覆道正交实验方案数据

[0049]

[0050]

[0051] 步骤3、建立单熔覆道熔覆层的几何特征和稀释率的交互线性回归关系式，并通过基于杂交理论的粒子群BreedPSO算法对关系式中的系数进行求解，完成对单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率的建模；

[0052] 建立熔覆层几何特征与稀释率的交互线性回归关系式的具体方法为：

[0053] 基于带有交互效应系数的二次回归模型建立工艺参数与熔覆层几何特征和稀释率的回归关系式，如下公式所示：

[0054]

[0055]

[0056]

[0057]

[0058] 其中，H(P，VS，VF)、SR(P，VS，VF)、SJ(P，VS，VF)和λ(P，VS，VF)分别为熔覆层高度、熔覆层横截面积、基体熔化面积和稀释率，α0、β0、χ0和δ0均为回归方程的常数项系数，αi、βi、χi和δi回归方程的一次项系数，αii、βii、χii和δii均为回归方程的二次项系数，αij、βij、χij和δij均为回归方程的交互效应系数，i＝1、2、3，j＝1、2、3，且i≠j，ε为误差项。

[0059] 本实施例中，熔覆道截面几何特征如图3所示，DD-02号试件实际测量结果如图4所示，单因素实验测量计算数据如表3所示，正交实验测量计算数据如表4所示。

[0060] 表3单因素实验测量计算数据

[0061]

[0062]

[0063] 表4正交实验测量计算数据

[0064]

[0065] 本实施例中，熔覆高度H、熔覆层横截面积SR、基体熔化面积SJ和稀释率λ的交互线性回归模型如下：

[0066]

[0067]

[0068]

[0069]

[0070] 步骤4、验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度与预测精度，具体方法为：

[0071] 应用如下公式所示的复测定系数R计算单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合精度：

[0072]

[0073] 其中，n为单熔覆道正交实验所用试件样本数，yi为单熔覆道正交实验的测量值，为单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的拟合值，i′＝1、2…、n；

[0074] 将单熔覆道单因素实验获得的熔覆层几何特征和稀释率相关的工艺参数带入单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型，将求得的熔覆层几何特征尺寸和稀释率与实际测量得到的数据进行对比，通过如下公式所示的预测系数验证单熔覆道熔覆层几何特征与稀释率模型的预测精度：

[0075]

[0076] 其中，η为预测系数。

[0077] 本实施例中，基于正交试验工艺参数组合的模型计算拟合值如表5所示，熔覆高度H、熔覆层横截面积SR、基体熔化面积SJ和稀释率λ的模型拟合对比如图5所示，经计算复测定系数R2分别为0.9995，0.9992，0.9990，0.9998。

[0078] 表5基于正交试验工艺参数组合的模型计算的拟合值

[0079]

[0080]

[0081] 本实施例中，将单熔覆道单因素实验工艺参数组合带入数学模型，将如表6所示求得的几何特征尺寸和稀释率拟合值，以及对比单因素实验实际测量计算数据，通过预测系数公式验证数学模型的预测精度。

[0082] 本实施例中，通过验证结果显示所建立的熔覆高度H、熔覆层横截面积SR、基体熔化面积SJ和稀释率λ的交互线性回归模型的预测精度分别达到95.08％，92.02％，88.32％，96.94％，模型验证对比如图6所示。

[0083] 表6单熔覆道的几何特征尺寸和稀释率拟合值

[0084]

[0085]

[0086] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
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