曲面光斑面积变化模型及其对熔覆质量的影响

摘要

目的建立一种计算曲面工件激光光斑面积变化的数学模型,研究光斑面积在多大范围内变化对熔覆质量的影响最小。方法采用高斯曲率的倒数作为曲率球的半径,利用曲率球代替NURBS曲面微小单元,通过圆柱体与球体相贯的数学分析方法求取截交面积,进而推导出NURBS曲面光斑面积的数学模型,采用CATIA软件作对比,进行验证。结果该数学模型得出的结果与CATIA计算的结果相对误差不超过0.2%,满足工程应用。对模型中影响光斑面积大小的三个因素(离焦量、光束姿态、曲率)进行分析表明,影响光斑面积大小的最主要因素是光束姿态。在此基础上,以Q235为母材,KF310粉末为熔覆材料,调整光束姿态分别以0?、10?、20?、30?、40?为入射角进行激光熔覆,测试和分析得出,在0?、10?、20?时,单道熔覆层宽度随空间夹角及光斑面积的增大而增大,熔覆高度随光斑面积增大而减小,熔覆层与基体之间存在亮白色界面,这是凝固初期界面处生长出的平面晶,说明形成了冶金结合。而30?、40?时的单道熔覆层宽度变化不明显,在熔覆道边缘出现粘粉现象,冶合质量不高。结论光斑面积变化在增加8%的范围内可以保证激光熔覆沉积层的质量,通过该算法的应用可以满足激光再制造快速响应的要求。