大功率激光立体成形熔道几何参数量化模型

第４７卷第１期２０１９年２月

浙江工业大学学报

J O U R N A LO FZ H E J I A N G U N I V E R S I T Y O FT E C HN O L O G Y

V o l ．４７N o ．１

F e b ．２０１９

收稿日期:２０１７Ｇ１１Ｇ２９

基金项目:国家重点研发计划(２０１７Y F B １１０３６０１);中国博士后科学基金资助项目(２０１７M ６１０３７６

)作者简介:胡晓冬(１９７５ ),男,山东五莲人,副教授,博士,主要从事激光加工领域的研究,E Ｇm a i l :h o o x o o d o o ＠z j

u t ．e d u ．c n .通信作者:姚建华教授,E Ｇm a i l :l a s e r ＠z j

u t ．e d u ．c n .大功率激光立体成形熔道几何参数量化模型

胡晓冬１,２,黄利安１,２,朱秀晖１,２,姚建华１,２,林英华１,

２

(１．浙江工业大学激光先进制造研究院,浙江杭州３１００１４;２．浙江省高端激光制造装备协同创新中心,浙江杭州３１００１４

)摘要:大功率激光立体成形过程中,单道熔道的形貌特征与成形件的精度㊁质量指标等因素密切相

关.为建立激光立体成形１C r １３工艺参数与熔道的宽高比㊁

深高比等形状参量的量化分析模型,基于正交法研究了激光功率㊁扫描速度和送粉量等３个因素与熔道形貌特征的定性关系.实验表明:

３个因素对宽高比的影响为扫描速度最大,送粉量次之,激光功率最小;３个因素对深高比的影响为送粉量最大,激光功率次之,扫描速度最小.为进一步优化工艺参数取值范围,以B o x ＧB e h n k e n 实

验方案补充实验样本,建立工艺参数与熔道形状参量的B P 神经网络计算模型.进而以神经网络模型为计算工具,以熔道宽高比㊁深高比为约束条件建立激光立体成形熔道形貌控制工艺窗口,不同工艺分区的实验结果与计算结果一致.

关键词:熔道几何参数;大功率激光;激光立体成形;B P 神经网络;

工艺窗口中图分类号:T P １８３;T N ２４９㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A 文章编号:１００６Ｇ４３０３(２０１９)０１Ｇ００４７Ｇ０６

Q

u a n t i t a t i v em o d e l o f c l a d t r a c k g e o m e t r i c p a r a m e t e r s o f h i g h p o w e r l a s e r s o l i d f o r m i n g

HU X i a o d o n g １,

２,HU A N GL i a n １,

２,Z HU X i u h u i １,

２,Y A OJ i a n h u a １,

２,L I N Y i n g

h u a １,

２

(１．I n s t i t u t e o fL a s e rA d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,H a n g

z h o u３１００１４,C h i n a ;２．Z h e j i a n g P r o v i n c i a l C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o nC e n t e r o fH i g h ＧE n dL a s e rM a n u f a c t u r i n g E q u i p m e n t ,H a n g

z h o u３１００１４,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h e p r o c e s s o f h i g h p o w e r l a s e r s o l i d f o r m i n g ,t h e c l a d p a r a m e t e r s a r e c l o s e l y r

e l a t e d t o t h ea c c u r a c y a n d q u a l i t y o

f t h ef o r m i n gp a r t s ．I no r d e rt oe s t a b l i s ha q u a n t i t a t i v ea n a l y

s i s m o d e l f o r t h e l a s e r s o l i d f o r m i n gp

r o c e s s v a r i a b l e s o f １C r １３a n d t h e c l a d p a r a m e t e r s ,s u c ha s t h e r a t i oo fw i d t h t o h e i g h t a n d t h e r a t i o o f d e p t h t o h e i g h t ,t h e q u a l i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b

e t w e e n l a s e r p o w e r ,s c a n n i n g s p e e d ,p o w d e r

f e e dr a t ea n dt h ec l a d p a r a m e t e r si sb u i l tb y t h eo r t h o g

o n a l e x p e r i m e n t ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t l a s e r s c a n n i n g s p e e d h a sm o s t s i g

n i f i c a n t i n f l u e n c e o n t h e r a t i o o fw i d t h t oh e i g h t ,p o w d e r f e e d i n g r a t e i s t h e s e c o n d l y i m p

o r t a n t f a c t o r a n d l a s e r p o w e r h a s l e a s t i n f l u e n c e ．P o w d e r f e e d i n g r a t e h a sm o s t s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n t h e r a t i o o f d e p t h t o h e i g

h t ,l a s e r p o w e r i s t h e s e c o n d l y i m p o r t a n t f a c t o r a n d l a s e r s c a n n i n g s p

e e d i s h a s l e a s t i n

f l u e n c e ．I no r d e r t o o p t i m i z et h er a n g

eo f p r o c e s sv a r i a b l e s ,t h eB Pn e u r a ln e t w o r k m o d e l i st r a i n e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a n dB o x ＧB e h n k e ne x p e r i m e n t ．I t i sd e v e l o p e d t o e x p r e s s t h e r e l a t i o n s h i p b

e t w e e n t h e c l a d p r o c e s s v a r i a b l e s a n d t h e c l a d p a r a m e t e r s ．F u r t h e r m o r e ,t h eB Pn e u r a l n e t w o r km o d e l i s u s e d a s t h e c o m p u t i n g t o o l ,a n d t h e s h a p

e c o n t r o l p r o c e s sw i n d o wo

f t h e l a s e r s o l i d f o r m i n

g i s e s t a b l i s

h e dw

i t h t h e r a t i oo fw i d t h t oh e i g h t a n d t h e r a t i oo f d e p t h t oh e i g h t ．T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f d i f f e r e n t p r o c e s sw i n d o wz o n e s a r e i n g o o d a g

r e e m e n tw i t h t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s ．K e y

w o r d s :c l a dt r a c k g e o m e t r i c p a r a m e t e r s ;h i g h Ｇp o w e rl a s e r ;l a s e rs o l i df o r m i n g ;B Pn e u r a l n e t w o r k ;p

r o c e s sw i n d o w