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摘要:
目前对于复杂回转体表面的激光再制造，实现轨迹规划及自动编程都比较困难。本文根据激光熔覆工艺要求以及复杂回转体表面零件的形状特征，提出了一种曲面等弧长插补方法，试验结果表明，得到的熔覆层与零件基体形成冶金结合，组织致密，无缺陷，熔覆层厚度均匀，这种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法可行。
关键词: 激光熔覆；复杂回转体；激光再制造；轨迹规划方法
【中图分类号】TG174
【文献标识码】B
【文章编号】2236-1879(2017)08-0218-02
0 引言
近些年来，随着科学技术的进步与发展，激光熔覆因其在材料表面改性中的突出优点而获得了国内外大多学者的广泛关注和研究，目前已经逐渐进入实际工业生产中。激光熔覆技术是指利用激光束为热源将合金粉末熔化，在基体合金表面形成一种冶金结合表面涂层。激光熔覆技术成为材料表面改性技术的一种非常有效的手段，可以显著提高金属材料表面的强度、硬度、耐磨、抗高温氧化、耐腐蚀等性能，与其他表面处理技术相比较，激光熔覆技术具有很多优点，如加工工件变形小，熔覆热影响区较小，融覆工艺易于实现自动化等［1］。
目前對于激光熔覆的轨迹规划方法的研究和实际工程应用主要集中于圆柱轴类、平面类、变截面轴类等加工工件，然而对于复杂曲线的轨迹规划研究很少，因为激光熔覆工艺本身存在一定的特殊性，粉末流的规划，激光束的轨迹规划、以及光粉配合规律在曲线轨迹上存在的变化等目前都没有相关的理论和实验结论做为轨迹规划的指导，所以对于这个问题哦研究有着非常重要的意义［2］。
1回转体表面的激光熔覆的基本原理
一般情况下，如图1为某工件需要激光熔覆的回转体工件表面，其中曲线AB是需要熔覆工件表面的一段母线，在激光熔覆过程中工具（激光束）需要沿工件表面的螺旋线轨迹做扫描运动，为实现该轨迹将激光束的运动分解为工件绕主轴OO′转动和激光束沿圆弧AB扫描两种分运动，且两运动满足一定数学关系，其中激光束沿圆弧AB扫描的运动会影响激光的离焦量、搭接量等重要激光熔覆工艺参数，从而决定了激光熔覆质量，所以需要仔细进行轨迹规划。
2回转体表面激光熔覆轨迹规划方法-等步距离散法
2.1曲线离散及激光姿态规划
如图2曲线为图1所示工件表面的母线，在曲线平面中建立坐标系，根据曲线的特点，在方向以相等的宽度将曲线离散，设离散长度为，
ΔX=(1-ω%)L（1）
其中，L：单道熔覆宽度；ω%为熔覆搭接率；
将曲线的方程表示函数形式Y=f(X)，则曲线上离散的第i点的Yi轴坐标：Yi=f(X)；那么，
ΔYi=Yi-Yi-1=f(Xi)-f(Xi-1)=f(Xi-1+ΔX)-f(Xi-1)（2）
ΔYi：在第i步进给时，圆弧上第i点在Y方向的增量；
根据激光熔覆工艺要求，激光焦点在任何情况下离焦量不能发生变化或者发生很微小变化（与焦深相关）。所以当激光光斑照射曲线上第i点时，激光离焦量需要在Y方向变化Yi。因为在控制激光束扫描路径时，通常是通过控制聚焦镜（激光头）的移动路径实现的。，也可以理解为通过控制激光焦点移动的路径。假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H,那么图2上激光焦点移动路径上的插补点坐标可以写成：
插补起点：K0(X0,Y0+H)；该点由对光得到；
插补第1点：K1(X0+ΔX,Y0+ΔY1+H);
插补第2点：K2(X0+2ΔX,Y0+ΔY1+ΔY2+H),或者K2(X0+2ΔX,Y1+ΔY2+H)
……
插补第i点; Ki(X0+iΔX,Yi-1+ΔYi+H);
激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向。
2.2 速度规划
激光束与粉末流对工件表面扫描的速度就是通常所谓的激光熔覆速度，该速度是激光熔覆过程中一项重要工艺参数。该速度的确定通常需要由对平面样件的工艺试验确定。对于上文涉及的工件的熔覆运动分解为零件绕X轴的转动和激光沿曲线的运动。
如果由工艺试验确定的激光扫描速度为Vmm/s，那么激光在工件某截面圆周方向完成一周的扫描所需时间：ti=πDiV（3）
Di：工件第i个离散点处截面的圆周直径
所以工件在该过程中的旋转角速度：ωi=2πti（4）
激光在沿曲线方向的速度：Vi=ΔXti（5）
把（2）式带入（4）式得到：Vi=ΔXVπDi（6）
3复杂回转体表面的激光熔覆试验
实验装备IGP光纤激光器 YLS-4000-S2,KUKAKR30HA机器人、伺服旋转工作、XSL-PF-01A-2,负压式气载送粉系统组成。激光聚焦头使用抛物聚焦镜焦距f=300mm，焦点光斑直径2mm，气与保护气为氩气,零件基材为Q235。
在平面上进行多道搭接熔覆工艺实验，优选出一组工艺参数，激光功率2000kw，离焦量16mm，送粉速度16mm，载气速度600L／h，激光扫描速度8mm／s，搭接率50%，为了减小粉末摆动对光粉配合的影响，增加了载气流量和送粉速度，提高了粉末刚性，工艺实验熔覆层外观平整光滑，表面无裂纹，单道熔覆宽度2.5mm，熔覆高度0.6mm(熔覆层顶面到平板基材表面的距离)硬度达到45HRC经过PT探伤，无缺陷［3］。
4结束语
对试验后的零件进行采样分析，结果表明，得到的零件基体与熔覆层形成良好的冶金结合，无缺陷，组织致密，熔覆层的厚度均匀，其融覆后的硬度高于基体，试验结果说明这种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法可行。
参考文献
［1］张坚，邱斌，赵龙志．激光熔覆技术研究进展［J］．热加工工艺，2011，40(18)：116-119．
［2］杨洗陈.激光加工机器人技术及工业应用［J］ .中国激光，2009,36（11）:2780-2798.
［3］李宝灵,温宗胤,刘旭红.等.激光熔覆技术应用于轴类零件表面修复的实验研究［J］.应用激光2007,27(8):290-294.
［4］董世运, 张晓东, 徐滨士,等.45钢凸轮轴磨损凸轮的激光熔覆再制造［J］.装甲兵工程学院学报,2011,25(4):85-87.
基金项目：《基于激光熔覆的石油化工关键零部件再制造技研究》编号：Sk2016-17，克拉玛依市科技计划项目。
作者简介：朱金娇，女，1987年生，本科，新疆汇翔激光科技有限公司，助理工程师，研究方向为机械先进制造方法。
作者简介：张佳（1987-），男，新疆芳草湖人，硕士研究生，新疆工程学院机械工程系，讲师，主要从事机械创新设计研究。
目前对于复杂回转体表面的激光再制造，实现轨迹规划及自动编程都比较困难。本文根据激光熔覆工艺要求以及复杂回转体表面零件的形状特征，提出了一种曲面等弧长插补方法，试验结果表明，得到的熔覆层与零件基体形成冶金结合，组织致密，无缺陷，熔覆层厚度均匀，这种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法可行。
关键词: 激光熔覆；复杂回转体；激光再制造；轨迹规划方法
【中图分类号】TG174
【文献标识码】B
【文章编号】2236-1879(2017)08-0218-02
0 引言
近些年来，随着科学技术的进步与发展，激光熔覆因其在材料表面改性中的突出优点而获得了国内外大多学者的广泛关注和研究，目前已经逐渐进入实际工业生产中。激光熔覆技术是指利用激光束为热源将合金粉末熔化，在基体合金表面形成一种冶金结合表面涂层。激光熔覆技术成为材料表面改性技术的一种非常有效的手段，可以显著提高金属材料表面的强度、硬度、耐磨、抗高温氧化、耐腐蚀等性能，与其他表面处理技术相比较，激光熔覆技术具有很多优点，如加工工件变形小，熔覆热影响区较小，融覆工艺易于实现自动化等［1］。
目前對于激光熔覆的轨迹规划方法的研究和实际工程应用主要集中于圆柱轴类、平面类、变截面轴类等加工工件，然而对于复杂曲线的轨迹规划研究很少，因为激光熔覆工艺本身存在一定的特殊性，粉末流的规划，激光束的轨迹规划、以及光粉配合规律在曲线轨迹上存在的变化等目前都没有相关的理论和实验结论做为轨迹规划的指导，所以对于这个问题哦研究有着非常重要的意义［2］。
1回转体表面的激光熔覆的基本原理
一般情况下，如图1为某工件需要激光熔覆的回转体工件表面，其中曲线AB是需要熔覆工件表面的一段母线，在激光熔覆过程中工具（激光束）需要沿工件表面的螺旋线轨迹做扫描运动，为实现该轨迹将激光束的运动分解为工件绕主轴OO′转动和激光束沿圆弧AB扫描两种分运动，且两运动满足一定数学关系，其中激光束沿圆弧AB扫描的运动会影响激光的离焦量、搭接量等重要激光熔覆工艺参数，从而决定了激光熔覆质量，所以需要仔细进行轨迹规划。
2回转体表面激光熔覆轨迹规划方法-等步距离散法
2.1曲线离散及激光姿态规划
如图2曲线为图1所示工件表面的母线，在曲线平面中建立坐标系，根据曲线的特点，在方向以相等的宽度将曲线离散，设离散长度为，
ΔX=(1-ω%)L（1）
其中，L：单道熔覆宽度；ω%为熔覆搭接率；
将曲线的方程表示函数形式Y=f(X)，则曲线上离散的第i点的Yi轴坐标：Yi=f(X)；那么，
ΔYi=Yi-Yi-1=f(Xi)-f(Xi-1)=f(Xi-1+ΔX)-f(Xi-1)（2）
ΔYi：在第i步进给时，圆弧上第i点在Y方向的增量；
根据激光熔覆工艺要求，激光焦点在任何情况下离焦量不能发生变化或者发生很微小变化（与焦深相关）。所以当激光光斑照射曲线上第i点时，激光离焦量需要在Y方向变化Yi。因为在控制激光束扫描路径时，通常是通过控制聚焦镜（激光头）的移动路径实现的。，也可以理解为通过控制激光焦点移动的路径。假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H,那么图2上激光焦点移动路径上的插补点坐标可以写成：
插补起点：K0(X0,Y0+H)；该点由对光得到；
插补第1点：K1(X0+ΔX,Y0+ΔY1+H);
插补第2点：K2(X0+2ΔX,Y0+ΔY1+ΔY2+H),或者K2(X0+2ΔX,Y1+ΔY2+H)
……
插补第i点; Ki(X0+iΔX,Yi-1+ΔYi+H);
激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向。
2.2 速度规划
激光束与粉末流对工件表面扫描的速度就是通常所谓的激光熔覆速度，该速度是激光熔覆过程中一项重要工艺参数。该速度的确定通常需要由对平面样件的工艺试验确定。对于上文涉及的工件的熔覆运动分解为零件绕X轴的转动和激光沿曲线的运动。
如果由工艺试验确定的激光扫描速度为Vmm/s，那么激光在工件某截面圆周方向完成一周的扫描所需时间：ti=πDiV（3）
Di：工件第i个离散点处截面的圆周直径
所以工件在该过程中的旋转角速度：ωi=2πti（4）
激光在沿曲线方向的速度：Vi=ΔXti（5）
把（2）式带入（4）式得到：Vi=ΔXVπDi（6）
3复杂回转体表面的激光熔覆试验
实验装备IGP光纤激光器 YLS-4000-S2,KUKAKR30HA机器人、伺服旋转工作、XSL-PF-01A-2,负压式气载送粉系统组成。激光聚焦头使用抛物聚焦镜焦距f=300mm，焦点光斑直径2mm，气与保护气为氩气,零件基材为Q235。
在平面上进行多道搭接熔覆工艺实验，优选出一组工艺参数，激光功率2000kw，离焦量16mm，送粉速度16mm，载气速度600L／h，激光扫描速度8mm／s，搭接率50%，为了减小粉末摆动对光粉配合的影响，增加了载气流量和送粉速度，提高了粉末刚性，工艺实验熔覆层外观平整光滑，表面无裂纹，单道熔覆宽度2.5mm，熔覆高度0.6mm(熔覆层顶面到平板基材表面的距离)硬度达到45HRC经过PT探伤，无缺陷［3］。
4结束语
对试验后的零件进行采样分析，结果表明，得到的零件基体与熔覆层形成良好的冶金结合，无缺陷，组织致密，熔覆层的厚度均匀，其融覆后的硬度高于基体，试验结果说明这种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法可行。
参考文献
［1］张坚，邱斌，赵龙志．激光熔覆技术研究进展［J］．热加工工艺，2011，40(18)：116-119．
［2］杨洗陈.激光加工机器人技术及工业应用［J］ .中国激光，2009,36（11）:2780-2798.
［3］李宝灵,温宗胤,刘旭红.等.激光熔覆技术应用于轴类零件表面修复的实验研究［J］.应用激光2007,27(8):290-294.
［4］董世运, 张晓东, 徐滨士,等.45钢凸轮轴磨损凸轮的激光熔覆再制造［J］.装甲兵工程学院学报,2011,25(4):85-87.
基金项目：《基于激光熔覆的石油化工关键零部件再制造技研究》编号：Sk2016-17，克拉玛依市科技计划项目。
作者简介：朱金娇，女，1987年生，本科，新疆汇翔激光科技有限公司，助理工程师，研究方向为机械先进制造方法。
作者简介：张佳（1987-），男，新疆芳草湖人，硕士研究生，新疆工程学院机械工程系，讲师，主要从事机械创新设计研究。