激光熔覆工艺参数对涂层质量的影响及其优化选择

以TC11表面制备80%CBN微粉+20%Ti粉(均为质量分数)涂层为例,考虑了此类激光熔覆在预处理与加工过程中特殊的工艺方法。利用正交试验分析各工艺参数对熔池尺寸的影响。试验表明,随激光功率的增加,熔宽先增大后减小、熔深增大、熔高减小;熔池的各个尺寸均随扫描速度与预置层厚度的增大而减小。通过综合考虑涂层的宏观质量、涂层的预期性能与熔池尺寸来优化工艺参数,得到在激光功率1800 W、扫描速度5 mm/s以及预置层厚度0.6mm时涂层形貌较好,硬度明显增加。     

ZL114A合金的SLM成形性研究

为了探究选区激光熔化(SLM)成形ZL114A合金的可行性,研究SLM成形工艺参数对ZL114A铝合金的熔池形貌、表面品质和润湿角的影响。结果表明,扫描速率一定时,熔池熔宽随激光功率增大而增大;线能量密度相等,熔宽也相等。扫描速度为2 500 mm/s,375～475 W下熔道轨迹的连续性和延展性最好,球化等缺陷也较少。确定激光功率为450 W,扫描速度为2 500 mm/s,扫描间距为0.09 mm,层厚为50μm时,润湿角小,熔池高度较小,润湿性好,成形件致密度达到99.94%。     

光纤激光辅助TIG焊焊缝成形特点及影响因素分析

在活性焊接法研究的基础上提出了激光辅助TIG焊方法.焊前在氧气保护下采用小功率激光器熔化焊道表面,然后用常规TIG焊覆盖激光预熔焊道,从而可使熔深增加,熔宽减小.结果表明,激光预熔和未预熔焊道熔深、熔宽均随焊接电流的增加而增加,但激光预熔焊道熔深增加的更快;焊接速度的增加使激光预熔和未预熔焊道熔深、熔宽均减小;随激光功率增加,焊道熔深增加,熔宽减小;随预熔速度的增加,熔深先增大后减小,熔宽先减小后增大.综合最佳参数后可以得到焊缝熔深增加明显、焊缝表面成形良好的焊道,从而可以发展为一种新的活性焊接法.     

不锈钢激光焊焊缝成形的数学模型

在304不锈钢的激光深熔焊中,通过工艺试验,研究了激光焊接工艺参数与焊缝形状参数之间的关系.采用二次通用旋转回归设计方法设计了试验方案.通过对试验数据的统计检验,求出了置信度较高的以功率、速度和离焦量为因子的熔池形状回归方程.通过相关性分析,揭示了各个因子对焊缝成形的影响规律.随着激光功率的增大,熔深、熔宽、束腰高、束腰宽都增加;焊接速度增加时,熔深、熔宽、束腰高、束腰宽都减小,熔宽到一定水平后不再减小,而熔深则一直减小;当离焦量由负离焦向正离焦转变时,熔深和束腰高都呈现先增大后减小的趋势,而熔宽和束腰宽则呈现出相反的趋势.当离焦量水平为0时,熔宽达到最小值.     

铝锂合金YAG-MIG复合焊焊缝成形特征

基于铝锂合金激光电弧复合焊焊缝成形特征的分析,对5A90铝锂合金YAG-MIG复合焊接工艺展开研究.固定选取合理的焊接位置条件下,讨论了激光功率、焊接速度、焊接电流和热源作用间距等主要焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律.结果表明,两热源间距在0～6mm之间时有较好的复合效应;激光功率的增加对增大焊缝熔深和背面熔宽起主导作用;焊缝正、背面熔宽随着焊接速度的提高均明显减小,熔深亦有减小趋势;焊接电流加大时,焊缝熔深和熔宽显著增大.     

焊接参数对旋转电弧MAG焊焊缝成形的影响

基于旋转电弧焊接机器人进行平板堆焊试验,研究了焊接电流、电压、焊接速度及电弧旋转频率对焊缝成形的影响。结果表明:焊接电流增大,熔宽明显增加,熔深和余高也有所增加,熔敷速度增大,成形系数减小,余高系数几乎保持不变;焊接电压增大,熔深和熔宽均有所增加,余高减小,熔敷速度几乎保持不变,余高系数增大,焊缝成形系数先不变后减小;旋转频率增大,熔深有所减小,余高略有减少,熔宽先增后减,成形系数和余高系数均增大;随着焊接速度的增大,熔深、熔宽、余高均减小,熔敷速度呈指数形式下降,成形系数有所增大,余高系数略有增加。     

工艺参数对钛合金激光熔覆 CBN 涂层几何形貌的影响

目的获得制备形貌较佳的CBN激光熔覆层的工艺参数。方法以CBN粉末为熔覆材料,在TC11钛合金表面制备CBN熔覆层。设计正交试验,利用金相法检测熔覆层的几何形貌参数,研究工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、预置层厚度)对涂层几何形貌的影响规律。结果随着激光功率、扫描速度、离焦量和预置层厚度的增大,熔覆层宽度、高度以及熔池深度都发生相应的改变。其中扫描速度对熔覆层形貌的影响最大,其次为激光功率和预置层厚度,离焦量的影响最小。随着激光功率增大,熔覆层宽度先增大后减小,熔覆层高度逐渐降低,熔池深度逐渐增大。扫描速度、离焦量和预置层厚度的增加都导致熔覆层宽高和熔池深度的减小。结论最优的工艺参数为:激光功率1400W,扫描速度4mm/s,离焦量35mm,预置层厚度0.4mm。     

激光焊接参数对冷作模具钢焊缝表面成形的影响

利用激光焊机在Cr13Mo1Si1V1冷作模具钢表面进行自熔焊接试验,探讨了脉冲激光焊接工艺参数对焊缝横断面形貌尺寸的影响.结果表明:随着激光脉冲能量的增大,焊缝熔深及表面宽度都明显增大;随着脉冲宽度的增大,熔深增长不明显,但表面宽度却明显减小;随着脉冲频率的提高,焊缝熔深及熔宽均减小;加大光斑直径会导致加热区域扩大,熔深减小.采用脉冲激光焊接该模具钢时,脉冲能量和光斑直径对熔深的影响较大;脉冲宽度对表面宽度的影响较明显;脉冲频率对焊缝横断面形貌尺寸的影响相对较小.     

齿轮钢表面激光熔覆Ni基涂层工艺参数优化

采用激光熔覆技术在18CrNiMo7-6齿轮钢表面制备Ni基涂层，研究激光功率、扫描速度和送粉率对Ni基涂层熔覆质量和微观组织的影响，建立激光熔覆工艺参数与涂层宏观尺寸、微观组织和显微硬度之间的关系。结果表明，随着激光功率的增大，涂层的熔高、熔宽、熔深增大，微观组织细化，显微硬度增大；随着扫描速度的增大，涂层熔高、熔宽、熔深减小，微观组织粗化，显微硬度减小；随着送粉率的增大，涂层的熔高增大，熔宽先增大后减小，熔深减小，涂层微观组织细化，显微硬度增大。以涂层宏观形貌、微观组织结构和显微硬度为涂层质量评估指标，优选得到的最佳工艺参数为：激光功率700 W,扫描速度2 mm/s,送粉率11.1 g/min。     

激光功率对TC4钛合金薄板对接焊缝形貌的影响

使用10 kW连续光纤激光器对1.2 mm厚的TC4合金薄板进行了激光拼焊试验,研究了激光功率(1000、1200、1400、1600 W)对焊缝形貌的影响。研究发现,随着激光功率的增大,焊缝形貌的上熔宽和下熔宽均表现为增大趋势,激光功率越大,上下熔宽的尺寸差异越小。当激光功率为1000 W,焊接速度为1.4 m/min,离过量为+1 mm时,焊后钛合金板材存在未焊透缺陷,熔深仅为0.5 mm,上熔宽为1.4 mm,焊缝形貌呈"漏斗"。当激光功率为1200 W时,焊缝成形良好,焊缝形貌呈上宽下窄的"酒杯"状,焊缝上部出现明显的凹陷。当激光功率增大至1400 W时,焊缝形貌基本不变,上熔宽、下熔宽出现明显的增大。当激光功率继续增大至1600 W时,上熔宽和下熔宽在尺寸上的差异明显减小。     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

镀Zn钢-6016铝合金异种金属的激光熔钎焊及数值模拟

熔钎焊是抑制或减少钢/铝异种金属激光焊接过程中FeAl脆性金属间化合物产生的有效工艺方法。采用光纤激光器,不添加任何钎料,对1.2 mm厚DC56D+ZF镀锌钢和6016铝合金平板试件进行激光搭接焊试验,利用MATLAB软件,针对焊接过程的实际情况,在一定的基本假设下建立准稳态下钢/铝异种金属激光焊接熔池形状的数学模型,基于准稳态形状控制方程数值计算获得的熔池几何形状分布,结合试验来调整焊接工艺参数,获得最佳焊接成形,利用卧式金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪等手段研究焊接接头各区域的金相组织、主要元素分布与物相组成。结果表明:焊接激光束照射搭接在钢板上的铝板对接焊缝时,焊接功率和焊接速度对熔池几何形状的影响较大,随着激光功率的增大,熔深增加;而随着焊接速度的增加,熔深却变浅。当焊接功率为1 600~1 800 W、焊接速度v=30 mm/s、离焦量D=0 mm时,焊缝成形性良好,无明显裂纹、气孔等缺陷,焊接接头区域存在一个台阶状结构,在平台区域,钢/铝两钟金属存在明显的界限,界面结合依靠液态的铝在钢母材表面上的润湿、填充和铺展等作用;下凹区域,钢/铝熔合较好,Fe和Al元素的混合区宽度较大,未形成明显的FeAl脆性金属间化合物,Fe和Al的热扩散是该区域界面结合的主要原因。     

高速激光热丝钎焊表面成形质量的控制

高速激光钎焊会引起熔池流动紊乱导致焊缝成形质量恶化,从而限制了其在汽车制造领域的应用。通过正交试验研究了高速下激光功率、送丝角度等工艺参数对焊缝成形质量的影响,发现焊缝成形质量随激光功率增加和送丝角度减小而提升。激光功率是通过影响熔池获得的热输入,从而影响熔池表面扰动的铺展来影响焊缝成形质量的。送丝角度是通过影响焊丝送入熔池的位置,从而影响焊丝对熔池的扰动强度和扰动的铺展速度来影响焊缝成形质量的。采用正交试验获得的最优工艺参数组合进行试验,获得了表面光滑平整无缺陷的高质量焊缝,为激光钎焊在高速下的应用发展奠定了基础。     

Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser

Full penetration laser welding was carried out on a 10 mm steel plate using a 16 kW maximum power continuous wave thin disk laser. Upper surface and lower surface of molten pool were observed synchronously with two high speed CCD cameras during the welding process. The lower surface was much longer and more unstable than the upper one. A three dimensional laser deep penetration welding model in which volume of fluid (VOF) method was combined with a ray-tracing algorithm was used to simulate the dynamic coupling between keyhole and molten pool in laser full penetration welding. The calculated weld cross-section morphology and molten pool length on both upper side and lower side agree well with experimental results. Evolution of molten pool in lower side during full penetration laser welding was analyzed, periodical features of energy coupling, molten pool behavior and keyhole dynamics in laser full penetration welding were identified and discussed.     

Study on process optimization of WC-Co50 cermet composite coating by laser cladding

In order to optimize the process of tungsten carbide (WC)-reinforced Co50 cermet composite coating by laser cladding, Co-based coatings with 40 wt% WC were deposited on the surface of cone bit 15MnNi4Mo steel by 4 kW fiber laser. A single-factor experiment was designed to study the variation of the geometrical size, dilution rate and hardness of cladding layers with the change of various factors. Then, an orthogonal experiment was designed to study the optimal parameters for the laser cladding process by taking the hardness and dilution rate of the coatings as comprehensive indexes. Based on the results of the above experiments, the mathematical model of the relationship between the geometrical size of the cladding layers with the process parameters was established by regression analysis. In addition, the three-dimensional structure and microstructure of the coatings were analyzed by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results revealed that with the increase of the laser power, the width of the cladding layer, the depth of the molten pool and the dilution rate gradually increased, while the coating height remained basically unchanged. Additionally, with the increase of the scanning speed, the coating height and the molten pool depth were relatively greatly reduced, while the coating width decreased little. Furthermore, with the increase of the powder feeding rate, the width of the cladding layer, the molten pool depth and the dilution rate gradually decreased, while the coating height gradually increased. The optimal process parameters are as follows: laser power of 2.4 kW, scanning speed of 7 mm/s, and powder feeding rate of 0.5 g/s. The mathematical model established by regression analysis fitted the width of the cladding layer best, and the minimum relative error was only 0.023%. The microstructure showed that metallurgical bonding was achieved between the coatings and substrates. Also, the coatings were compact and free of defects such as cracks and pores.     

A-TIG焊中氧含量对熔池流动方式影响的数值模拟

建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型,模拟了不同氧含量下熔池中的速度场和温度场.结果表明,氧化物活性剂中的氧元素改变了熔池中的表面张力温度系数,从而影响熔池中的流动方式,是熔深和深宽比增加的重要原因;随着氧含量的增加,深宽比和熔深急剧增加,熔宽减小.当氧含量超过150×10-6时,增加氧量,熔池表面最高温度减小,并逐渐趋于一定值;当氧含量超过200×10-6时,深宽比、熔深和熔宽趋于一定值;氧含量小于300×10-6时,熔池表面最高温度高于正表面张力温度系数作用的温度范围,正、负表面张力温度系数在熔池中同时存在.当氧含量超过300×10-6时,熔池表面最高温度处于正表面张力温度系数作用的温度范围之内,熔池中的表面张力温度系数为正值;随着氧含量的增加,在熔池中出现数目、大小、方向、位置不同的涡流,当两个涡流的方向均由熔池边缘流向熔池中心的环流时,涡流有效地把电弧能带到熔池底部,产生较大的熔深和深宽比.     

宽带激光熔覆非晶合金涂层界面组织结构

目的提高材料的表面性能和开拓非晶涂层的应用。方法将Fe-Cr-Si-P非晶态合金粉末预涂覆于304L不锈钢基材表面,采用宽带激光熔覆技术制备非晶涂层。通过光学显微镜和扫描电镜分析涂层的微观组织结构和界面组织特征。采用FLUENT软件建立宽带激光熔覆的流场模型,并模拟激光熔池内的流场分布。结果涂层组织具有明显的分层结构,涂层界面区为平面晶和外延树枝晶,涂层中部区域为大面积非晶区,涂层表面为等轴树枝晶,且界面外延生长层的高度随激光扫描速度的增大而减小。激光熔池的流动为对流机制,熔体流动速度在熔池中部出现了低谷,最大速度出现在熔池表面,在熔池下部流体也会出现一个速度峰值。峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小。结论宽带激光熔覆的Fe-Cr-Si-P涂层由非晶和树枝晶结晶相组成,涂层组织为分层结构。熔池底部峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小,且与外延生长层厚度的实测距离基本吻合。建立了激光工艺参数与外延生长层厚度的关系模型,为宽带激光熔覆大面积非晶涂层的可控制备提供了理论依据。     

激光扫描速度对Ti-Ni形状记忆合金组织和性能影响

采用激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术制备Ti-Ni形状记忆合金，利用OM、SEM、XRD和室温压缩等研究SLM增材制造参数改变对成形合金内部缺陷、熔池形貌、相变行为及力学性能等影响规律。结果表明，在SLM其它打印参数保持不变的情况下，随激光扫描速度增加成形合金内部缺陷形貌由近规则球形转变为不规则形状；逐行扫描熔池形貌宽度减小且连续性下降；随激光扫描速度增加富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相组成含量发生改变，B2奥氏体相含量增加，B19’马氏体相含量减少；成形富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相变温度随激光扫描速度增加先降低后升高，但升降温相变过程中均为单一相变峰；当扫描速度为900mm/s时成形富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相对密度达到98.5%，内部缺陷含量较少且处于缺陷类型转变范围内，同时试样的最大抗压强度为3120MPa，对应压缩应变为41%，具有较好的综合性能，为最佳打印参数。     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。