机器人控制曲面光斑面积的激光增材硬度分析
机器人控制曲面光斑面积的激光增材硬度分析
秦亮亮
江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏淮安 223200
摘要：为了提高曲面上激光增材质量，采用机器人控制曲面光斑面积方法完整激光增材工艺。通过调整光斑面积使曲面获得特定能量的激光，调整机器人路径并寻优得到最优能量输入位置，同时在多道扫描期间对激光路径进行合理规划。研究结果表明：离焦量5mm下获得平整的边缘结构，得到具有优异质量的无夹杂熔覆层。增加空间夹角时，硬度曲线值下降，塑性变形形成了更大的晶界阻力，当组织晶粒细化后获得了更大的硬度。本研究根据光斑面积阈值搜索得到插补点，对提高曲面激光增材质量具有很好的实际指导意义。
关键词：曲面；激光增材；光斑面积；硬度
中图分类号：TG146
Laser additive hardness analysis of surface spot area controlled by robot
Qin Liangliang
Huaian Bioengineering Branch, Jiangsu United Vocational and Technical College, Huaian 223200, China
Abstract: In order to improve the quality of laser additive on a curved surface, the laser additive process was completed by using a robot to control the surface spot area. By adjusting the spot area, the surface can obtain the laser with specific energy, adjust the robot path and search for the optimal energy input position, and make reasonable planning for the laser path during the multi-scanning period. The results show that the smooth edge structure can be obtained at 5mm defocus, and the non-inclusion cladding layer with excellent quality can be obtained. When the space Angle is increased, the hardness curve value decreases, the plastic deformation forms greater grain boundary resistance, and the hardness is greater when the grain is refined. In this study, the interpolation points are obtained according to the spot area threshold, which has a good practical guiding significance for improving the surface laser additive quality.
Key words: Surface; Laser additive; Spot area; Hardness
1 引言
对曲面部件进行表面磨损缺陷进行检测时通常会受到距离与入射角因素的干扰，导致光纤无法对其进行全范围覆盖[1-2]。到目前为止，大部分关于复杂表面结构熔覆层开展的研究主要是从工艺参数优化方面考虑[3-4]。例如，Liu[5]通过田口法确定最优链轮激光增材条件，在此基础上对损坏链轮实施修复。通过观察微观组织形貌可知，在熔覆层产生的误差最大值是2.96mm，整体达到了较理想的质量。Wang等[6]开发了一种可以对复杂结构曲面进行路径优化的误差控制方法。为激光增材过程设置了插补点，之后对此该方法可靠性进行了验证。Campanelli[7]以田口法确定最优激光参数，包括功率、扫描速率与粉末流动速度。同时构建了相应的数学模型求解得到最优重叠度，在此基础上设计了统计算法对高密度试样开展测试。但上述研究内容并未深入分析复杂部件受到激光增材作用时发生的光斑尺寸改变，这已经成为制备优异激光增材层的关键因素[8]。
本文通过调整光斑面积使曲面获得特定能量的激光，调整机器人路径并寻优得到最优能量输入位置，同时在多道扫描期间对激光路径进行合理规划，根据以上研究结果，本文确定了两离散点光束轴线和曲面法向间的最优夹角，根据光斑面积阈值搜索得到插补点。
2 机器人控制曲面光斑面积原理
对激光增材曲面光斑面积存在影响的因素包括光束姿态、离焦量、曲率。根据光束姿态调整光斑面积插补点的过程为：
(1)轨迹曲线的离散控制，对初始轨迹进行离散处理获得点集。
(2)计算激光在各离散点位置形成的光斑大小。进行计算时把各离散点法矢都看成是相应的激光入射姿态。考虑到光束轴线相对此点法矢保持同轴状态，
(3)假定轨迹起始位置P的曲面法向矢量是n光束根据该矢量入射到离散点Pi+1形成光斑面积Si+1。
(4)利用(1)式计算得到不同点曲率差异所导致的光斑面积差值，其中曲率属于曲面的固有属性，不能通过调整光束姿态的方式使其发生变化，因此进行光斑面积校验时需将该因素去除。
(5)防止计算期间造成累计误差偏大的问题，并去除曲面曲率变化引起的光斑面积差异性，由此判断Pi+1点光斑变化情况，以离散点光斑面积和光斑面积均值进行对比，Sp表示激光以垂直方式入射到平面区域的光斑面积，计算得到光束在离散点位置的光斑面积相对光斑均值之差ΔSi+1。
(6)当Si+1小于光斑面积极限变化范围，光束保持固定姿态，反之按照第三步进行校验直。光斑面积也处于规定范围内，因此上一离散点是搜索得到的插补点，对该点光束姿态进行调节，直到光束姿态与曲面法矢量处于同一方向。
3 实验
3.1 实验方法
实验装置的组成部分包括KWIPG光纤激光器、侧向送粉系统、6轴KUKA机器人、伺服旋转台，、气载送粉系统。表2给出了本实验测试的待修复件Q235钢的元素组成结果，同时使用粒径45~100μm的Ni50金属粉，各元素含量见表1。在线切割机床上完成试件的加工，按照规定轨迹完成熔覆处理。
表1 镍基合金粉末的化学成份
3.2实验过程
以平面基材开展多道搭接熔覆测试，得到以下优化条件：激光功率为1300W，送粉气量为25%，载气600L/h， 光斑外径3mm，激光扫描速率5mm/s，搭接率50%。
4 熔覆层显微硬度分析
分别对纵向与横向开展硬度测试。将纵向的首个硬度测试点设置在与熔覆层相距0.4mm以上的位置，总共经过20次测试，控制加载力为2N，持续15s。图1是在各夹角下进行显微硬度梯度测试的曲线。可以看到，增加空间夹角时，硬度曲线值发生了下降，这跟之前表征获得熔覆层微观结构相符，位于0~15度夹角范围内形成了许多细小等轴晶，位于15~30度范围则形成许多大尺寸等轴晶，当晶粒尺寸越小时，形成的晶界数量越多，对于的晶界面积也更大，由于晶界两侧形成了不同取向的晶粒排列特点，因此当塑性变形从其中一个晶粒经晶界扩展到另一晶粒时，形成了更大的晶界阻力，当组织晶粒细化后获得了更大的硬度。从横向角度对数据开展分析，根据图2的方式，对距离熔覆层顶端为0.4mm处的曲线上进行硬度测试得到黑色线，与顶端相距1.8mm处的硬度测试得到红色线，与熔覆层顶端相距4mm处测试硬度得到蓝色线。
图1夹角不同的熔覆层显微硬度梯度曲线
图2不同区域显微硬度值曲线
4 结论
本文开展机器人控制曲面光斑面积的激光增材硬度分析，取得如下有益结果：
1）离焦量5mm下获得平整的边缘结构，得到具有优异质量的无夹杂熔覆层。
2）增加空间夹角时，硬度曲线值下降，塑性变形形成了更大的晶界阻力，当组织晶粒细化后获得了更大的硬度。
参考文献
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作者简介：秦亮亮，男，1986-，江苏淮安人，硕士，讲师，主要从事于机电一体化和电气自动化专业。
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