一種調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法
【專利摘要】本發明提供了一種調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，包括：步驟100，獲取待加工銅鉻合金觸頭的幾何形狀、尺寸和改性后的性能要求，以及激光改性時的參數；步驟200，利用上述信息，通過數值計算建立仿真模型，得到優化后的符合當前銅鉻合金觸頭激光改性的軌跡運行模型；步驟300，根據軌跡運行模型給出的運行路線并按預定的激光加工參數，對銅鉻合金觸頭進行表面激光改性。本發明的方法可以在激光改性時，使激光在達到改性目的的同時，提高熔池的冷卻和移動速度，有效地降低熱應力并且降低熱應力變化幅度，使激光的能量均勻地作用于銅鉻合金觸頭的表面，降低銅粗糙度和提高平整度，并形成均勻的高性能銅鉻合金觸頭表面細晶層。
【專利說明】
一種調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及材料加工領域，特別是涉及一種利用激光對銅鉻合金觸頭表面改性 時，規劃激光改性路線以提高改性效果的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電網容量不斷的擴大以及電壓等級的不斷提高，為了滿足電力系統對控制和 開關設備在保護方面的苛刻需求，真空開關由于其優良的電學特點在中壓領域占據主導地 位，并且逐漸滲透到低壓和高壓領域。其中，真空滅弧室的發展與真空開關的發展緊密相 聯，真空滅弧室的觸頭性質是決定滅弧室特性的重要因素之一。銅鉻合金觸頭是現有觸頭 中最為理想的觸頭，相較其它材質的觸頭具有更大的分斷電流能力和耐電壓強度。
[0003] 傳統的產生銅鉻合金工作層細晶粒的方法包括電弧老煉法、對銅鉻合金表面的撞 擊和退火等方式。這些傳統方法一般是對銅鉻合金的整個表面進行加工，再切割出需要的 觸頭，其浪費較大，而且這種整體處理的方式帶有不可控性，且操作步驟復雜。且不能降低 銅鉻合金觸頭工作層的粗糙度，形成在銅鉻合金觸頭表面的工作層的均勻度也較差，此外， 對于銅絡合金觸頭的形變量控制也較差。
[0004] 目前，除利用電弧老煉法，以及對銅鉻合金觸頭表面進行撞擊和退火等方式，在銅 鉻合金觸頭表面形成細晶層外，還有利用激光直接在銅鉻合金觸頭表面直接改性的方法， 激光改性的工藝特點是高功率激光束與銅鉻合金相互作用而產生熔池，通過高溫使當前改 性點的銅鉻合金觸頭表面層細晶粒化。
[0005] 由于銅鉻合金觸頭表面改性點的溫度與基體溫度之間存在巨大且強烈的溫度梯 度，會在改性過程中產生很大的熱應力，一旦熔池的熔體有回流現象，即改性點的熱應力達 到材料的極限，易在改性點形成波紋或皺紋，進而在銅鉻合金觸頭表面產生燒蝕、形變、裂 紋等缺陷，這些缺陷將嚴重危害銅鉻合金觸頭的工作性能。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是要提供一種能夠提高激光對銅鉻合金觸頭改性時效果的改性路 線規劃方法。
[0007] 特別地，本發明提供一種調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其 特征在于，包括：
[0008] 步驟100,獲取待加工銅鉻合金觸頭的幾何形狀、尺寸和改性后的性能要求，以及 激光改性時的參數；
[0009] 步驟200,利用上述信息，通過數值計算建立仿真模型，得到優化后的符合當前銅 鉻合金觸頭激光改性的軌跡運行模型；
[0010] 步驟300,根據軌跡運行模型給出的運行路線并按預定的激光加工參數，對銅鉻合 金觸頭進行表面激光改性。
[0011] 進一步地，步驟100中，所述改性后的性能要求包括:改性后所述銅鉻合金觸頭的 有效改性面積比、平面度、粗糙度和改性層的厚度要求。
[0012] 進一步地，所述仿真模型的建立還包括速率變化條件，所述速率變化條件為激光 在對所述銅鉻合金觸頭進行表面改性時，根據所述銅鉻合金觸頭中鉻的粒度大小而采用的 相應改性速度，其中所述鉻的粒度越大改性速度越快。
[0013] 進一步地，在所述仿真模型中，在所述銅鉻合金觸頭表面分布有凹槽結構時，將所 述銅鉻合金觸頭表面的平面和曲面根據幾何和拓撲特征進行區域劃分，以使不同區域采用 不同的改性速度。
[0014] 進一步地，經過幾何和拓撲特征進行區域劃分后的不同區域，利用邊界擬合法劃 分為不同的獨立平面，再利用分布估計算法將不同獨立平面進行優化組合而形成相應的運 行路線。
[0015] 進一步地，所述軌跡運行模型給出的運行路線包括針對平整表面的水平等間距分 隔軌跡和單螺旋軌跡，以及針對帶有凹槽表面的復合式軌跡。
[0016] 進一步地，所述水平等間距分隔軌跡為限定所述激光在改性時，由所述銅鉻合金 觸頭的一側按直線方式順序繞至相對一側的路線進行加工；
[0017] 所述單螺旋軌跡為限定所述激光在改性時，由所述銅鉻合金觸頭的中心向外沿， 或由外沿向中心按圓周方式順序繞至終點的路線進行加工；
[0018] 所述復合式軌跡避開所述銅鉻合金觸頭表面上的凹槽，將所述銅鉻合金觸頭表面 分成相互獨立的多個改性區域，并對每一個改性區域規劃相應的運行路線。
[0019] 進一步地，所述螺旋軌跡進一步分為等間距螺旋軌跡、內松外緊螺旋軌跡和外松 內緊螺旋軌跡。
[0020] 進一步地，當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為降低粗糙度時，采用外松內緊螺旋 軌跡或水平等間距分隔軌跡；當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為提高有效改性面積時，采 用等間距螺旋軌跡；當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為減少工件平面度時，采用內松外緊 螺旋軌跡。
[0021] 進一步地，所述軌跡運行模型中，相鄰運行路線之間的間隔與所述銅鉻合金觸頭 中鉻的粒度大小有關，鉻的粒度越大相鄰運行路線之間的間隔越大。
[0022] 本發明的方法可以在激光改性時，使激光在達到改性目的的同時，提高熔池的冷 卻和移動速度，有效地降低熱應力并且降低熱應力變化幅度，使激光的能量均勻地作用于 銅鉻合金觸頭的表面，大大降低銅鉻合金觸頭改性后的表面粗糙度，保持銅鉻觸頭工件的 平整度，并形成均勻的高性能銅鉻合金觸頭表面細晶層。本發明的方法操作簡單且易于實 現工業化，可大大提高生產效率，減少浪費。
【附圖說明】
[0023] 圖1是根據本發明一個實施例的方法流程示意圖；
[0024] 圖2是根據本發明一個實施例中水平等間距分隔軌跡的結構示意圖；
[0025] 圖3是根據本發明一個實施例中等間距螺旋軌跡的結構示意圖；
[0026] 圖4是根據本發明一個實施例中外松內緊螺旋軌跡的結構示意圖；
[0027] 圖5是根據本發明一個實施例中內松外緊螺旋軌跡的結構示意圖；
[0028] 圖6是根據本發明一個實施例中復合式軌跡的結構示意圖；
[0029] 圖7是圖6中一個外部獨立區域的運行路線結構示意圖；
[0030] 圖8是圖6中中間圓形區域的運行路線結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1所示，本發明一個實施例的掃描方法一般性地包括如下步驟：
[0032] 步驟100,獲取待加工銅鉻合金觸頭的幾何形狀、尺寸和改性后的性能要求，以及 激光改性時的參數。
[0033] 激光改性是利用激光束極快地加熱工件表面，以改變材料表面的結構，從而使材 料表層的物理、化學、力學性能發生變化，可在減少成本的情況下，發揮出高性能材質的特 性。不同需要的銅鉻合金觸頭其對激光表面改性的性能要求也不同，因此，可以針對不同的 改性要求，提供一個既能夠實現改性目標，又可提高改性性能的改性方式。
[0034] 其中，銅鉻合金觸頭的幾何形狀一般為圓形，激光改性僅針對其表面層進行，該表 面層一般為平面。
[0035] 改性后的銅鉻合金觸頭的表面層性能一般涉及到如下幾個參數，表明銅鉻合金觸 頭改性面積與未改性面積的有效改性面積比，表面層的改性厚度，改性后表面層的平整度 和粗糙度，以及改性后的表面層均勻度。上述參數可以是銅鉻合金觸頭經過激光改性后預 期達到的預定值，其影響激光改性時的加工參數，因此在仿真建模時需要提前考慮。
[0036]步驟200,利用上述信息，通過數值計算建立仿真模型，得到優化后的符合當前銅 鉻合金觸頭激光改性的軌跡運行模型。
[0037] 本實施例收集銅鉻合金觸頭的自身參數和改性要求，以及激光加工時的加工參 數，在已知條件下，引入各種處理不同情況的計算方法，建立一個綜合考慮各種情況后的仿 真模型。具體仿真方法可以采用常規的仿真模式。
[0038] 通過仿真模型可以得到一個能夠在改性性能和改性效率之間達到平衡的優化后 的軌跡運行模型。
[0039] 如圖2、3、4、5、6所示，具體的軌跡運行模型可以包括針對不同情況和需求時不同 的激光改性運行路線，本實施例中，軌跡運行模型中的運行路線包括針對平整表面的的水 平等間距分隔軌跡和單螺旋軌跡，以及針對帶有凹槽表面的復合式軌跡。
[0040] 如圖2所示，該水平等間距分隔軌跡主要針對表面改性要求一致的銅鉻合金觸頭， 其由銅鉻合金觸頭的一側邊開始，通過直線方式等間距的來回移動，最終覆蓋完整個表面 層后繞至銅鉻合金觸頭的另一側。
[0041] 而單螺旋軌跡是指:激光改性時的改性點由銅鉻合金觸頭的圓心或外側邊以繞圈 的方式，向銅鉻合金觸頭的外側邊或圓心間隔的逐步移動，最終覆蓋整個銅鉻合金觸頭的 表面層。
[0042] 如圖6所示，復合式軌跡可以避開銅鉻合金觸頭表面上的凹槽，將銅鉻合金觸頭表 面分成相互獨立的多個改性區域，并對每一個改性區域規劃相應的運行路線。如圖8所示， 當改性區域是圓形時，即可采用水平等間距分隔軌跡或單螺旋軌跡，如圖7所示，當改性區 域是其它不規則形狀時，即可針對該形狀采用相應的按順序由其一側繞至另一側的任意運 動路線，但對應的間隔距離、掃描速度、激光參數等需要事先確定，或由仿真模型給出。
[0043] 在單螺旋軌跡中，根據相鄰運行軌道之間的間隔，其又可以細分為：如圖3所示的 相鄰運行軌道之間的間隔距離相等的等間距螺旋軌跡，如圖4所示的外部相鄰運行軌道之 間的間隔距離小于內部相鄰運行軌道之間間隔距離的內松外緊螺旋軌跡，以及如圖5所示 的外部相鄰運行軌道之間的間隔距離大于內部相鄰運行軌道之間間隔距離的外松內緊螺 旋軌跡。
[0044] 具體選擇那一種單螺旋軌跡，由最終需要的銅鉻合金觸頭的性能要求確定，一般 的規律如下：
[0045] 當以降低粗糙度為最主要需求時的優選順序為:復合式軌跡〉外松內緊螺旋軌跡〉 內松外緊螺旋軌跡〉等間距螺旋軌跡。
[0046] 當以提高有效改性面積為最主要需求時的優選順序為:復合式軌跡〉等間距螺旋 軌跡〉水平等間距分隔軌跡〉外松內緊螺旋軌跡〉內松外緊螺旋軌跡。
[0047]當以減少工件平面度為主要需求時的優選順序為:水平等間距分隔軌跡〉內松外 緊螺旋軌跡〉等間距螺旋軌跡〉外松內緊螺旋軌跡〉復合式軌跡。
[0048]下面以具體地數值說明選擇的相應路線。
[0049]當銅鉻合金觸頭的性能要求為粗糙度1.4um < Ra < 1.6um，有效改性面積97.14~ 98.28%，工件平面度0.1-0.2mm時，選用水平等間距分隔軌跡。
[0050]當銅鉻合金觸頭的性能要求為粗糙度1.3um < Ra < 1.5um，有效改性面積98.51~ 99.19%，工件平面度0.3-0.4mm時，選用等間距螺旋軌跡。
[00511當銅鉻合金觸頭的性能要求為粗糙度1. lum < Ra < 1.3um，有效改性面積95.82~ 96.45%，工件平面度0.2-0.3mm時，選用內松外緊螺旋軌跡。假設最內圈間距為A i，最外圈 間距為A」，總掃描圈數為N，從內到外，每一圈間距減少
[0052]當銅鉻合金觸頭的性能要求為粗糙度1. Oum < Ra < 1.2um，有效改性面積96.43~ 97.66 %，工件平面度0.3-0.4mm時，選用外松內緊螺旋軌跡。假設最內圈間距為A i，最外圈 間距為A」，總掃描圈數為N，從外到內，每一圈間距增加
[0053]當銅鉻合金觸頭表面分布有凹槽的結構，性能要求為粗糙度0.8um<Ra< l.Oum， 有效改性面積99.32~99.99%，工件平面度0.4-0.5mm時，選用復合式軌跡。
[0054]此外，具體的每一種軌跡運行模型中的運行路線，可以分別對應相應的激光改性 時的運動速度、功率密度、波長和焦距。
[0055] 在本實施例中雖然包括了步驟100的限定，但在其它的實施例中，也可以利用已經 建立好的仿真模型，直接輸入待改性的銅鉻合金觸頭參數，而直接得到其改性軌跡優化模 型。
[0056] 步驟300,根據軌跡運行模型給出的運行路線并按預定的激光加工參數，對銅鉻合 金觸頭進行表面激光改性。
[0057] 按照仿真結果給出的軌跡運行模型對銅鉻合金觸頭表面進行改性，能夠按順序改 性銅鉻合金觸頭的工作層，避免改性點重復，提高改性效率。此外，軌跡運行模型能夠覆蓋 需要改性的表面每一處，大大提高改性后的均勻度且降低粗糙度。
[0058] 在本實施例中，在各種改性運行路線中，相鄰運行路線之間的間隔與銅鉻合金觸 頭中鉻的粒度大小有關，鉻的粒度越大相鄰運行路線之間的間隔越大。
[0059] 以下給出一個針對具體的銅鉻合金觸頭建立軌跡運行模型的過程：
[0060] 1)準備熔鑄法制備的銅鉻合金觸頭工件，工作區直徑為51mm，厚度3mm，在工作區 內對稱分布有凹槽，凹槽數目為6;
[00611 2)對于該觸頭改性后的性能要求是粗糙度0.9 < Ra < 1 .Oum，有效改性面積 99.5%，工件平面度0.4-0.5mm;而激光的參數根據選用的激光器類型確定，優選采用光纖 式激光器；
[0062] 3)通過數值模擬計算，計算出在激光作用下此觸頭的溫度場、應力場、形變場，通 過調節掃描速度和掃描間距，根據溫度梯度最小和形變最小的原則，選取最優的掃描速度 和掃描間距，建立相應的仿真模型，得到該觸頭的軌跡運行模型的運行路線為復合式軌跡；
[0063] 4)按預定的激光加工參數，根據給出的復合式軌跡對銅鉻合金觸頭進行激光表面 改性，得到符合預定工作區性能要求的銅鉻合金觸頭。
[0064] 本實施例能夠針對各種不同尺寸、不同外形、不同制備方式生產的銅鉻合金觸頭 自動生成激光改性優化軌跡，從而提高銅鉻合金觸頭的激光表面改性效率，保證激光表面 改性質量。
[0065] 進一步地，在本發明的另一個實施例中，在建立仿真模型時，考慮一些銅鉻合金觸 頭的表面層上分布有內凹的凹槽，而激光改性只針對表面一層，并不對凹槽做處理。但是表 面與凹槽之間通常通過倒角連接，倒角則需要進行激光改性，由于倒角的表面與銅鉻合金 觸頭的表面有一個夾角，此時需要激光在改性時偏移一定的角度，這些結構都會影響最終 的改性結果。針對該現象，本實施例在仿真模型中，將銅鉻合金觸頭的表面采用邊界擬合法 將復雜曲面分割為一個個近似平面的曲面（主要是倒角與銅鉻合金觸頭表面的弧形連接 邊），再利用分布估計算法對不同獨立平面進行優化組合，以適應相應的掃描軌跡，從而形 成相應的改性軌跡優化模型。本實施例可以將復雜的曲面觸頭表面劃分為拓撲結構簡單的 工件面，使得銅鉻合金觸頭表面存在開槽的情況下，節省改性時間。
[0066] 進一步地，在前述實施例的基礎上，可以在仿真模型的建立時，加入速率變化條 件，該速率變化條件為激光在對銅鉻合金觸頭進行表面改性時，根據銅鉻合金觸頭中鉻的 粒度大小而采用的相應改性速度。其中鉻的粒度越大改性速度越快，因為粒度越大吸熱而 變化的效率越高，因此，在掃描軌跡已經確定的情況下，可以調整激光改性時的行進速度， 從而得到更精確的改性軌跡優化模型。
[0067] 進一步地，在本發明的一個實施例中，根據帶有凹槽的銅鉻合金觸頭表面形狀，可 以按幾何和拓撲特征將其表面進行區域劃分，使得不同區域的掃描軌跡不同。
[0068] 至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示 例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接 確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認 定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【主權項】
1. 一種調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征在于，包括： 步驟100,獲取待加工銅鉻合金觸頭的幾何形狀、尺寸和改性后的性能要求，以及激光 改性時的參數； 步驟200，利用上述信息，通過數值計算建立仿真模型，得到優化后的符合當前銅鉻合 金觸頭激光改性的軌跡運行模型； 步驟300,根據軌跡運行模型給出的運行路線并按預定的激光加工參數，對銅鉻合金觸 頭進行表面激光改性。2. 根據權利要求1所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 步驟100中，所述改性后的性能要求包括：改性后所述銅鉻合金觸頭的有效改性面積 比、平面度、粗糙度和改性層的厚度要求。3. 根據權利要求1所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 所述仿真模型的建立還包括速率變化條件，所述速率變化條件為激光在對所述銅鉻合 金觸頭進行表面改性時，根據所述銅鉻合金觸頭中鉻的粒度大小而采用的相應改性速度， 其中所述鉻的粒度越大改性速度越快。4. 根據權利要求3所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 在所述仿真模型中，在所述銅鉻合金觸頭表面分布有凹槽結構時，將所述銅鉻合金觸 頭表面的平面和曲面根據幾何和拓撲特征進行區域劃分，以使不同區域采用不同的改性速 度。5. 根據權利要求4所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 經過幾何和拓撲特征進行區域劃分后的不同區域，利用邊界擬合法劃分為不同的獨立 平面，再利用分布估計算法將不同獨立平面進行優化組合而形成相應的運行路線。6. 根據權利要求1所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 所述軌跡運行模型給出的運行路線包括針對平整表面的水平等間距分隔軌跡和單螺 旋軌跡，以及針對帶有凹槽表面的復合式軌跡。7. 根據權利要求6所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 所述水平等間距分隔軌跡為限定所述激光在改性時，由所述銅鉻合金觸頭的一側按直 線方式順序繞至相對一側的路線進行加工； 所述單螺旋軌跡為限定所述激光在改性時，由所述銅鉻合金觸頭的中心向外沿，或由 外沿向中心按圓周方式順序繞至終點的路線進行加工； 所述復合式軌跡避開所述銅鉻合金觸頭表面上的凹槽，將所述銅鉻合金觸頭表面分成 相互獨立的多個改性區域，并對每一個改性區域規劃相應的運行路線。8. 根據權利要求7所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 所述螺旋軌跡進一步分為等間距螺旋軌跡、內松外緊螺旋軌跡和外松內緊螺旋軌跡。9. 根據權利要求8所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為降低粗糙度時，采用外松內緊螺旋軌跡或水平等間 距分隔軌跡；當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為提高有效改性面積時，采用等間距螺旋軌 跡;當所述銅鉻合金觸頭的改性要求為減少工件平面度時，采用內松外緊螺旋軌跡。10. 根據權利要求9所述的調整銅鉻合金觸頭表面激光改性時運動軌跡的方法，其特征 在于， 所述軌跡運行模型中，相鄰運行路線之間的間隔與所述銅鉻合金觸頭中鉻的粒度大小 有關，鉻的粒度越大相鄰運行路線之間的間隔越大。
【文檔編號】G06F17/50GK105821361SQ201610157060
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】虞鋼, 張犁天, 鄭彩云, 寧偉健, 何秀麗, 李少霞
【申請人】中國科學院力學研究所