自由曲面的激光均匀熔覆

　　激光熔覆技术利用高能激光束使金属材料熔化，并与基材冶金结合形成耐腐蚀、耐磨损、硬度高且力学性能优良的熔覆层，可修复零件破损面并延长零件使用寿命，广泛用于零件表面强化。

　　对于等截面零件一般采用平行切片法生成熔覆扫描路径;然而，对于空间自由曲面的激光熔覆，由于三维曲面的不可展特点与梯度变化，平行切片法将导致熔覆层各熔道间距不等。疏密不均的熔道会造成熔覆层隆起或凹陷，厚薄不均，严重影响熔覆表面质量。

　　针对上述问题，苏州大学激光制造技术研究所石拓副研究员团队基于点云提出了一种等搭接率熔覆路径规划算法，在自由曲面上获得了平整均匀的熔道，并保证了加工过程中熔覆喷头始终垂直于加工表面，实现了自由曲面的激光均匀熔覆。

　　为了验证该算法的合理性，课题组对半球封头进行了激光熔覆强化。以半球的球心为原点，在相邻熔道上任取两点P1、P2.图1(a)表示沿x方向采用等距切片法后，P1.P2两点的距离;图1(b)表示采用本文算法后的两点间距。由图可知，采用等距切片法进行熔覆时，相邻熔道的间距有较大的差异;而采用本文算法后，相邻熔道的间距相等。

　　图1 两种方法间距比较。(a) 等距切片法相邻熔道间距;(b) 本算法相邻熔道间距

　　熔覆过程中计算每一加工点的法向矢量，并变换机器人姿态以保持熔覆喷头始终垂直加工表面，熔覆过程及熔覆层表面如图2所示。

　　图2 激光熔覆过程及熔覆层实物图

　　选取100个不同位置测量熔覆层厚度，如图3所示。平均熔覆厚度为0.434 mm，标准差为0.032 mm。熔覆层波纹度较小，熔覆层整体熔覆厚度均匀，无明显道间隆起或凹陷等缺陷，表面形貌较好。

　　图3 熔覆层厚度

　　熔覆层熔道的间距如图4所示，熔道间距在(1.6 ± 0.2) mm之间波动，范围较小，表明本方法很好地保证了熔道间距相等，即实现了熔道等搭接率。

　　图4 相邻熔道间距

　　实验数据表明，等间距轨迹规划法结合熔覆喷头姿态的调整，可实现自由曲面的激光均匀熔覆，可用以完成各种空间曲面零件的激光熔覆强化。

      参考文献： 中国光学期刊网 

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