基于脉冲整形的激光直接制造成形316L薄壁件的加工方法

本发明涉及设计金属粉末激光直接制造成形技术，具体涉及基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法。

背景技术：

1、316l奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，尤其是具有优异的耐点蚀性能、优秀的加工硬化性、优秀的高温强度以及优秀的抗氧化性，因此被广泛应用于海水里用设备、理疗植入物、石油钻井平台和核电站等领域。

2、316l奥氏体不锈钢传统的加工方法为铸造、锻造及机械加工。其中，铸造法具有适用性广、成本低的优点，可以制造任意形状及尺寸的零部件，但是成型件的质量较差，零件内部存在缺陷，难以满足复杂薄壁件的精度要求；锻造法是通过挤压材料，使材料发生塑性变形来得到薄壁件的方法，其成形精度较高，生产效率高并且成形零件的力学性能优良，但是存在很难锻造复杂薄壁件的问题；机械加工可以快速、精确的将薄壁件加工出来，但是在加工过程中会由于受热、振动及受力等导致薄壁零件变形，无法满足达到薄壁件的精度要求。

3、为了解决上述技术问题，现有技术提出了一种新兴、先进的表面改性技术，即激光直接制造技术，激光直接制造技术具有激光能量密度高、加工不受零件结构限制与冷却速度快的特点，可以有效解决热加工过程中的热变形和热疲劳带来的不利影响，还可以直接成形结构致密、冶金结合的复杂金属零件，目前已被广泛应用于工业制造领域。

4、然而，在激光直接制造成形316l薄壁件的过程中，薄壁零件经常出现薄壁结构塌陷、变形和拉伸强度低等问题，是影响其普及应用的最大障碍。而发明人发现，导致这些问题的最根本原因在于激光直接制造成形316l薄壁件的成形机理不够明晰，缺少实用的316l激光直接制造成形工艺研究，因此，研究一种采用激光直接制造成形方法制造出316l薄壁件的加工工艺，解决激光直接制造成形316l薄壁件的技术难题具有非常重要的意义。

5、为此，本发明提供基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法。

技术实现思路

1、针对上述316l薄壁件激光直接制造成形过程中，薄壁零件经常出现薄壁结构塌陷、变形和拉伸强度低等问题，本发明目的是提供一种成形质量好、拉伸强度高、材料利用率高、缩短制造周期及降低加工成本的基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法。

2、本发明的基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据预期316l薄壁件的长度和宽度，确定进行激光直接制造成形处理的加工工艺参数范围；

5、所述加工工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑直径和z轴提升量；

6、其中，所述激光直接制造成形处理时，激光脉冲波形为斜坡上升和斜坡下降中的一种或两种的混合波形；

7、步骤2，以步骤1确定的加工工艺参数进行工艺实验，确定达到稳定状态时的沉积层数n和沉积高度h；

8、步骤3，根据预期316l薄壁件的高度h，确定总沉积层数n；

9、其中，

10、步骤4，以步骤1至步骤3确定的各个工艺参数进行激光直接制造成形处理。

11、进一步地，当激光脉冲波形为斜坡上升时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，将激光功率从0w呈线性趋势逐渐升至1200～1600w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束。

12、进一步地，当激光脉冲波形为斜坡下降时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，将激光功率从1200～1600w呈线性趋势逐渐降低到0w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束。

13、进一步地，当激光脉冲波形为斜坡上升和斜坡下降的混合波形时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，前半个周期将激光功率从0w呈线性趋势逐渐升至1200～1600w，并在后半个周期将激光功率由1200～1600w呈线性趋势逐渐降至0w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束；或

14、以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，前半个周期将激光功率从1200～1600w呈线性趋势逐渐降低到0w，并在后半个周期将激光功率从0w呈线性趋势逐渐升至1200～1600w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束。

15、进一步地，所述激光直接制造成形处理的激光功率为1200～1600w、扫描速度为4～8mm/s、送粉速率为3g～6g/min、光斑直径为2.5～5mm、z轴提升量为0.15mm～0.25mm。

16、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

17、本发明提出新的激光加工波形，是采用脉冲整形的方式改变激光能量输入，即把常用的连续、矩形脉冲激光波形进行脉冲整形，变为激光功率斜坡上升、斜坡下降、混合斜坡的激光波形，优化激光能量输入密度。

18、本发明方法主要是确定316l薄壁件的基本加工工艺参数，提出新的激光加工波形及提升薄壁件拉伸性能的方法；基本解决了薄壁件成形支撑强度差、变形、拉伸强度差等问题，并且经过拉伸、组织观察力学性能实验，发现采用本发明的成形工艺制造出的316l薄壁件拉伸强度显著提升，同时极大地细化了薄壁件内部的组织晶粒，其晶粒状态为力学性能较高的贯穿树枝晶，增强了显微硬度，其力学性能指标已经达到甚至超过了316l锻造薄壁件的水平。

19、本发明利用提出新的激光加工波形进行激光直接制造成形316l薄壁件，成形薄壁件无需后续热处理，便可实现拉伸强度的同步提升，并且熔覆过程不产生废水、废气，未熔的金属粉末可回收再使用，提高了材料的利用率，缩短了制造周期，降低相关制造成本。

20、且本发明的加工方法能够经数控编程，再由计算机控制其整个加工过程，实现激光直接制造一次性成形。

21、且通过本发明方法能够实现薄壁件无模近终形制造，同步提升拉伸强度，成形效率高，使得制备的薄壁件成形质量高，性能优越。

技术特征：

1.一种基于脉冲整形的激光直接制造成形316l薄壁件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，当激光脉冲波形为斜坡上升时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，将激光功率从0w呈线性趋势逐渐升至1200～1600w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束。

3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，当激光脉冲波形为斜坡下降时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，将激光功率从1200～1600w呈线性趋势逐渐降低到0w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束。

4.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，当激光脉冲波形为斜坡上升和斜坡下降的混合波形时，以每0～50ms作为一个周期，且在每一个周期内，前半个周期将激光功率从0w呈线性趋势逐渐升至1200～1600w，并在后半个周期将激光功率由1200～1600w呈线性趋势逐渐降至0w，通过周期循环往复，进行激光直接制造成形，直至薄壁件制造成形结束；或

5.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述激光直接制造成形处理的激光功率为1200～1600w、扫描速度为4～8mm/s、送粉速率为3～6g/min、光斑直径为2.5～5mm、z轴提升量为0.15～0.25mm。

技术总结
本发明属于金属粉末的激光直接制造成形技术，公开基于脉冲整形的激光直接制造成形316L薄壁件的加工方法，包括：根据预期316L薄壁件的长、宽度，确定进行激光直接制造成形处理的加工工艺参数范围；激光直接制造成形处理时，激光脉冲波形为斜坡上升和/或斜坡下降；以确定的加工工艺参数进行工艺实验，确定达到稳定状态时的沉积层数n和沉积高度h；根据预期316L薄壁件的高度H，确定总沉积层数N；其中，以上述步骤确定的各个工艺参数进行激光直接制造成形处理。本发明成形的薄壁件具有成形薄壁件质量高，成形精度高，拉伸强度高，支撑强度高，成本低，自动化程度高等优势。

技术研发人员：王鑫林,于瀚,蒋金坤,李响,赵衍钦,胡志强
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13