空间变姿态激光堆积变径回转体成形技术研究

基于激光内送粉技术,借助6轴机器人实现了光头空间变姿态/变方向分层激光堆积成形。重点研究了连续变换基体空间角度对熔道形貌的影响;分析了空间变姿态/变方向激光堆积的难点和关键技术;进行了空间连续变姿态/变方向实体成形试验,并对成形件的壁厚、组织、显微硬度进行了分析。结果表明,随基板倾斜角度增大,熔池最大偏移量为0.06 mm,重力对熔池的流动影响不明显;采用切向分层技术、熔道变角度生长自适应技术以及轴线偏移补偿技术有效地解决了"花瓶"状变径回转体激光成形堆积的难点。成形件与基体为冶金结合,熔道不同区域的组织和显微硬度各有不同,成形组织整体较为细密均匀,区域显微硬度变化较小;成形件大角度变化处,显微硬度有一定下降,成形件小角度变化处,显微硬度无明显改变。     

光内同轴送粉立面堆积成形实验研究

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量z、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证。在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量z、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497m~2.163m;Rz为1.992m~7.447m。结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件。     

中空环形激光离焦量对熔道凹凸缺陷自愈合效应的影响

"形貌自愈合效应"是激光金属直接成形过程中可能出现的一个重要现象,在堆积过程中依靠自身工艺参数的调整,可以控制多层堆积的熔道从堆积表面可能出现的凹凸不平状态重新恢复到平整状态。在"中空激光、光内送粉"新工艺的方法下,通过调整环形激光离焦量能产生明显的熔道凹凸缺陷的自愈合效应。对激光离焦量与单层堆积厚度影响规律进行了理论分析,获得激光离焦量与单层熔覆高度的关系曲线,并在具有"栅栏凸起"的304不锈钢基板上堆积多组薄壁墙试样进行试验验证,同时利用游标卡尺、扫描电镜及显微硬度计对愈合完好的薄壁墙的宽度、微观组织及显微硬度进行了分析。结果表明,不同的激光离焦量对其形貌自愈合能力影响显著,当离焦量为0~-3 mm时,薄壁墙形貌原有的起伏不平"自愈合现象"并不会出现;当离焦量为-3 mm~-5 mm时,薄壁墙形貌的起伏不平随层数增加被逐渐修复,若干层后表面光滑平整,"自愈合现象"得到验证;通过自愈合修复的薄壁墙,宽度变化很小,与基体冶金结合良好,组织致密均匀,从墙顶至基体硬度值呈缓慢下降趋势。     

光内送粉激光熔覆堆积变径回转体工艺参数的控制

基于光束中空,光内送粉的专利技术,采用新型光内同轴送粉装置,在45#钢基体上进行变径回转体堆积。分别对变径回转体斜度、Z轴增量及功率进行控制,并分析各自的影响:斜面堆积中倾斜角度与偏移量、扫描速度成正相关,与送粉速度和粉末利用率成负相关,极限倾斜角度与偏移量成正相关,与熔覆层高度成负相关;随着堆积的进行,粉末利用率降低,离焦量变大;在高层熔覆堆积过程中,熔池由三维散热变为二维散热,散热降低,熔池温度上升,应相应减小功率。得到的成型件外观光滑、粗糙度低、成型质量较高,为变截面的三维堆积试验提供参考。     

弧形悬垂实体结构激光熔覆成形

运用6轴机器人及光内送粉技术进行弧形悬垂实体结构成形,提出了空间变姿态径向搭接方法:熔覆头沿圆弧切线方向连续变姿态,径向多道搭接。探讨了熔覆喷头堆高自适应区间,推导了离焦量在-5.5~-1.5 mm时,单道熔层生长量随离焦量变化的量化关系式,并加以实验验证。对成形悬垂实体件检测结果表明:成形件表面平整,过渡平缓无阶梯效应;不同倾角下成形件厚度长度均匀,各尺寸精度均接近建模要求;电镜组织分析表明不同倾角下各处显微组织均匀致密无明显差别。对成形件作硬度检测,其硬度分布与电镜组织保持相同变化规律。     

激光内送粉变宽扫描成形变壁厚扭曲叶片

传统激光熔覆增材制造方法一般采用等线宽扫描,难以实现单道连续变宽成形。设计了变壁厚扭曲叶片模型,利用光内送粉喷头直接变焦法变化光斑直径,采用层高控制系统测量不同宽度处的实际堆积高度。设计PI控制器,通过变化扫描速度,控制不同宽度处的熔道堆积层高一致,保证成形精度。通过连续变焦与闭环控制算法,实现了变壁厚扭曲叶片激光熔覆连续变宽扫描成形。结果表明:扭曲叶片在壁厚2.52~6.18 mm范围内均匀变化,最大壁厚误差为-0.58 mm;各段高度大致相同,最大高度误差为-0.22 mm;不同壁厚处的显微组织较为致密均匀。     

扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形温度场研究

根据光内同轴送粉激光快速成形工艺, 建立了扭曲薄壁件激光熔覆成形温度场瞬态有限元数值模型, 模拟了扭曲薄壁件激光快速成形过程的温度场演变过程, 分析了扭曲薄壁件熔覆成形过程中定点温度的热循环, 通过仿真实时控制模型中输入激光功率的大小, 模拟得到了保持熔池温度稳定时激光功率的变化值; 通过层高控制调节激光器功率, 控制熔池的温度稳定, 成功熔覆成形了扭曲薄壁件。性能分析表明: 成形件表面光滑, 没有粘粉, 尺寸与设计数值基本相同, 组织细小致密, 与基体形成冶金结合, 且成形件硬度较高。     

基于光内送粉激光变斑直接成形薄壁叶片的工艺研究

针对薄壁叶片不等宽的结构特征,提出基于光内送粉方式采用变光斑一次扫描而非多道搭接直接成形出不等宽熔覆层的方法,逐层堆积直接制造薄壁叶片。研究了变斑过程中等高度单道及"阶梯型"单道对薄壁件成形质量的影响规律。实验结果表明:在保证送粉量足够的条件下,变光斑过程中通过实时变扫描速度及激光功率,能够直接熔覆出高度相等、宽度逐渐变化的单道熔覆层;基于等高度单道的变斑堆积过程中熔覆层增长高度并不一致,宽高比大的部位生长高度要大于宽高比小的部位的问题,建立了熔覆层提升量、单层生长高度和熔覆层截面曲线阶数的理论模型,提出了"阶梯型"单道变斑直接成形方法,解决了熔覆层高度生长不一致的问题,获得了熔覆层宽度从1 mm到3 mm连续变化的薄壁叶片,为光内送粉激光直接成形薄壁变壁厚类零件提供新方法。     

激光参数对旁轴送粉激光熔覆粉末熔化行为的影响

旁轴送粉激光熔覆时粉末到达熔池的热物状态对熔覆层成形精度和质量有着重要意义，针对光粉作用时粉末的不同熔化行为，搭建了旁轴送粉激光熔覆过程红外热成像采集系统和高速摄像过程采集系统，研究了不同激光功率和离焦量下的光粉热交互作用，建立了粉末熔化时出现的三个典型特征阶段并分析了不同激光功率和离焦量对粉末熔化特征阶段持续时间的影响，最终得出粉末热物状态与特征阶段的关系。结果表明：激光功率增大，光粉作用空间中熔化的粉末数量增多，粉末温度不均匀性减小；离焦量增大，液态粉末颗粒数量增大，粉末温度不均匀性横向减小；激光功率越小或离焦量越大，固态粉末升温和熔化所需的时间增大，粉末以固态进入熔池的几率变大。最后，得到了不同激光参数下粉末到达熔池时的热物状态，为实现粉末熔化行为的解析提供了试验依据。     

激光变斑熔覆不等宽熔道的工艺实现及实验研究

为解决激光熔覆成形不等宽构件多道搭接产生的冷却不均匀、产生开裂等缺陷问题, 提高激光熔覆成形不等宽熔道的成形效率及成形质量。基于光内送粉方式在单道工艺中采用实时变激光光斑方法, 一次扫描而非多道搭接直接熔覆出不等宽熔道。实验结果表明: 在保证送粉量足够条件下, 变光斑过程中通过实时变扫描速度, 能够直接熔覆出高度增长一致, 宽度逐渐变化熔覆层; 随熔道宽度逐渐变宽过程中, 熔覆层显微组织树枝晶大小逐渐变细。为光内送粉激光熔覆成形薄壁变壁厚类零件的工艺提供指导。     

激光光内送粉仰面熔覆工艺研究及优化

利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系;研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现,光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大,随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下,工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性;熔池在重力作用下,激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著;熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变,利用优化后的激光功率、扫描速度,以及保护气压力,获得了最大仰角达150、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。     

基于激光光斑直径的激光熔覆粉末汇聚特性数值模拟

为了探索激光熔覆过程激光与粉末流的耦合作用机理,通过激光熔覆喷粉数值模拟,研究送粉速度对粉末汇聚特性的影响规律,随着送粉速度的增加,粉末流焦点直径逐渐减小,粉末流获得良好的收敛性。通过分析激光光斑模拟图,研究激光光斑大小与粉末流焦点直径的作用关系,并通过激光熔覆实验进一步验证,当粉末流焦点直径接近激光光斑直径时,熔覆形貌较好,但随着送粉速度的进一步提升,粉末流焦点直径减小,基体热影响区域增大,熔覆表面形貌变差,最终获得最佳送粉速度为170m/s。研究成果为激光熔覆粉末利用率与激光熔覆形貌控制提供理论依据。     

同轴送粉对激光熔覆组织的细化作用

选用Ni基自熔合金粉末和Co基自熔合金粉末,在低碳钢基材上分别进行预置粉末和同轴送粉激光熔覆试验。激光功率2.0kW,光斑直径2.0mm,扫描速率0.15～0.25m/min。对熔覆层显微组织分析表明,同轴送粉熔覆层明显比预置熔覆层组织细密(前者为2.5～4.0μm,后者为5.0～10.0μm),并且具有较好的耐热冲击性。显然这是很有实际意义的,因为同轴送粉比预置粉末更易于实现自动化和大面积激光熔覆。     

Ni60激光熔覆工艺参量对涂层裂纹及厚度的影响

为了研究工艺参量对激光熔覆Ni60涂层裂纹及厚度影响,采用在45#钢基材表面熔覆Ni60合金粉末的正交试验方法,分析了影响裂纹产生的工艺参量的主次因素以及影响涂层厚度的主要因素,并对试验结果进行极差分析,获取了裂纹最少的最优工艺参量。结果表明,影响裂纹产生的主次因素为扫描速率＞送粉速率＞激光功率,裂纹最少的工艺参量为激光功率1400W,扫描速率4.0mm/s,送粉速率为1.0r/min,此时,在熔覆起始位置出现了一条短裂纹;对涂层厚度的影响程度主次因素为送粉速率＞扫描速率＞激光功率;经测量,熔覆层的硬度是基材的3.3倍,通过扫描电镜分析,涂层与基材形成良好的冶金结合,熔覆层晶粒组织均匀致密。该研究为Ni60合金粉末激光熔覆工程化应用提供了参考。     

不锈钢薄壁零件选区激光熔化制造及影响因素研究

为了实现薄壁零件的快速制造,在快速成型设备Dimetal-280上进行了选区激光熔化(SLM)成型工艺实验研究,分析了SLM中不同激光功率、扫描速度、铺粉装置、离焦量和层厚对成型效果的影响,在实验中获得了优化的工艺参数,并成型了变截面的薄壁零件,零件致密度达96.95%。在扫描电镜下观察了零件的表面及侧面,结果表明其层与层之间熔合良好;分析表明成型设备成型零件壁厚的绝对误差极限值在20μm左右;薄壁零件顶部壁宽为101.3μm,底部壁宽为142.0μm,与设计值相差分别为21.3μm和22.0μm,与极限值相吻合;拉伸测试表明,抗拉强度范围为465~625 MPa,屈服强度范围为390~515 MPa,延伸率范围为23%~48%。     

镍铁铝混合粉末的激光熔覆冶金研究

为了利用高能激光束将镍、铁、铝金属单质的混合粉末快速熔融，得到高性能的镍铁铝合金，并直接用于熔覆，采用激光3-D打印的金属粉末成型的方法，用一台中低功率的光纤激光器，以工程中常用的轧制不锈钢板为基底，研究了一定比例的镍、铁、铝混合粉末的熔覆冶金情况。通过优化激光工艺参量（激光频率、扫描速率、激光功率和离焦量）组合，得到了质量良好的单道熔覆结果。通过激光共聚焦显微镜、晶相显微镜以及扫描电子显微镜等检测手段，对熔覆条的宏观形貌和微观组织进行观察。结果表明，可获得良好的无气孔无裂纹的合金组织，且合金与基板形成了良好的冶金结合；熔覆层硬度低于基板硬度30HV左右，但截面硬度分布均匀。该研究有助于得到各向性质统一的冶金层。     

同步送粉大功率激光表面宽带熔覆技术

报道通过积分镜将激光光束聚焦成宽光带、配合同轴保护矩形送粉喷头实现大功率激光宽带熔覆的装置及其工艺试验结果,激光功率为14kw时,单道熔覆层宽度达45mm,厚度达3mm,熔覆层表面平整,厚度均匀.     

球墨铸铁激光熔覆镍基合金的研究与应用

用DL—HL—TH500型高功率横流CO2激光器,采用同步送粉法在球墨铸铁上激光熔覆镍基合金,结果显示,熔覆层表面质量较好,在熔覆层内裂纹、疏松、气孔等缺陷极少：合金层的显微组织比基体组织明显细化,与基体形成冶金结合,合金层显微硬度高于基体材料。采用该技术对贵重零部件进行激光熔覆修复实践表明,经修复后的零件满足使用要求,达到预期的效果。     

激光熔覆成形薄壁金属制件精度的预测模型

为了控制激光熔覆成形薄壁金属制件的精度，分析了激光熔覆成形金属薄壁的工艺理论和影响因素。采用BP神经网络建立了激光功率、光斑直径、扫描速度和送粉率与金属零件壁厚的非线形关系模型和激光熔覆成形薄壁制件的精度控制系统。通过优化神经网络的权值和阈值，并引入动量因子和学习速率的自适应调整，克服了BP算法容易陷入局部最小值的问题。用实验参数作为训练样本对模型进行训练，并进行了误差分析。实验和仿真结果表明，训练样本和检验样本的最大相对误差分别为1.93％和1.19％，预测精度高。该网络模型可用于优化激光熔覆成形工艺参数和成形金属制件精度的在线实时控制。