变Z轴提升量法圆弧截面倾斜薄壁件激光熔覆成形研究

Z轴提升量与单层堆积高度的匹配是高质量倾斜薄壁件激光熔覆成形的关键因素,因此,提出变Z轴提升量法对圆弧截面倾斜薄壁件进行熔覆成形。在三轴开环条件下,通过熔覆成形竖直和倾斜薄壁件试验,得到偏移量ΔX与提升量ΔZ之间的关系曲线。结果表明,随着偏移量的增大,提升量逐渐减小,且当ΔX在0.06~0.08 mm区间段时ΔZ减小最快;成形的倾斜件最大倾斜角为36.6°。由关系曲线计算出圆弧等分点处的偏移量和提升量构成二维数组,再用Matlab对数组按圆弧形状筛选组合,模拟出优化的截面轨迹规划路径。采用模拟得到的逐层偏移量和提升量组合,熔覆136层,成形出圆弧截面倾斜薄壁件,成形高度尺寸最大偏差0.78 mm,与模拟结果相符,验证了变Z轴提升量法熔覆成形圆弧截面倾斜薄壁件的有效性。     

圆形倾斜薄壁件的激光熔覆成形

航空发动机燃烧室是由向外倾斜、直壁和向内倾斜3部分组成的圆形薄壁件。面向燃烧室结构的圆形薄壁件,依据偏移无支撑熔融粉末不塌陷的临界条件和单道熔覆层高度建立了熔覆成形倾斜角度数学模型,研究了激光熔覆向内倾斜和向外倾斜圆形薄壁件的偏移量、成形高度和倾斜角度,并进行了试验验证。研究结果表明在单层等偏移量条件下,几何形状的差异导致了向内倾斜圆形薄壁件较向外倾斜圆形薄壁件偏移总量较大、成形高度较小和倾斜角度较大,最后试验熔覆出了航空发动机燃烧室模拟件。研究结果为圆形薄壁件激光熔覆成形应用提供了理论和试验依据。     

中空激光内送粉熔覆成形悬垂薄壁件

基于激光光内同轴送粉技术和6轴机器人技术,采用熔覆头空间变姿态的成形方法,通过沿着生长的切线方向连续变角度送粉堆积的方法成形了悬垂薄壁件。建立了倾斜基面熔池受力与位移模型,并通过优化工艺参数抑制熔池的位移和流淌。实验结果表明,倾斜角可从0°逐渐变化至81°,实现了大倾角悬垂结构的无支撑成形。成形件表面平整光滑,完全消除了"台阶效应",表面粗糙度Ra=6.3μm。截面纹理图显示各熔层沿中轴线对称,无明显朝重力方向的偏移。成形件在不同倾角位置的显微组织无明显区别,皆达到晶粒细小,组织致密均匀。     

不等高弯曲弧形薄壁结构激光熔覆成形

利用光内送粉熔覆喷头,对弧形工字樑结构件进行了激光熔覆成形,采用激光加载补能方法,避免了薄壁结构件的端部塌陷问题。利用不同离焦位置光束可熔覆不同层高熔道的特点,采用变姿态、径向扫描的方法,熔覆成形了结构件不等高扇形部分;采用变姿态、周向扫描的方法,熔覆成形了结构件的弯曲弧形部分。成形件的最大相对尺寸误差为-5.9%,硬度稳定在690HV左右,显微组织致密均匀、无气孔、无裂纹。     

带连接筋双层薄壁件激光直接成形工艺

成形带连接筋双层薄壁件时,筋与薄壁连接处易产生凹凸缺陷。如控制不当,随着堆积的进行凹凸缺陷愈加明显,易导致堆积失败。提出等体积法侧向搭接工艺,通过控制喷头扫描路径中起、停偏移量控制侧向搭接量,从而获得了熔覆形貌平整的筋、壁相贯连接面。提出基于层高检测技术的功率控制工艺来保证堆积过程中熔覆层形貌不失稳,完成了带筋双层薄壁件激光直接成形实验。成形的带连接筋双层薄壁件间隙约为2.6mm,尺寸偏差在5%以内;显微组织致密均匀,无明显的气孔、裂纹等缺陷,显微硬度在640~770HV之间。     

基于光内同轴送粉技术的激光熔覆斜壁堆积成形研究

基于光内同轴送粉技术,提出了激光熔覆无支撑偏移堆积斜壁的方法。通过建立斜壁倾斜角度的模型,分析了偏移量、机床扫描速度与送粉速度对角度的影响,并总结出保证斜壁成功堆积的偏移率范围。     

空间多元密排扭曲薄壁件的激光熔覆成形研究

基于光内送粉技术,进行了空间密排多元扭曲薄壁件的成形研究,获得了熔覆喷头的空间运动轨迹及姿态;根据熔覆层截面与工艺参数之间的解析关系和单道实验,建立了高度工艺模型,并进行了二元扭曲薄壁成形;采用间歇熔覆工艺,完成了多元扭曲密排叶片的堆积。检测结果表明,成形件表面平整,叶片单元最小间隙为6.5mm,叶片厚度基本稳定在2.7mm;各部位组织致密、显微硬度分布较均匀。     

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。     

基于激光加工机器人的光内送粉变基面熔覆研究

现有激光熔覆技术大多是基于水平基面上开展的,这种方式极大地限制了激光熔覆技术的广泛应用。基于"光束中空、光内送粉"技术,通过对激光加工机器人系统的程序控制实现了基板0°~150°的倾斜和熔覆头相应姿态的连续变化,研究了基板不同倾斜角度下对熔覆层截面尺寸及组织的影响规律,并对变基面过程中的熔池进行了受力分析。实验结果表明:随基板倾斜角度逐渐增大,粉末聚焦特性变差,进入熔池的粉末量逐渐减少,造成熔覆层高度逐渐降低。熔覆层宽度稳定在光斑左右,变化不明显;偏移量(熔覆层最高点轴线位置偏离激光束轴线位置间的距离)先增大后降低。熔覆层顶部显微组织树枝晶大小先变粗后变细,典型柱状晶生长方向随基板角度变化也发生相应的倾斜。该工艺为在非水平基面上进行激光熔覆、修复及成形提供了参考价值。     

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。     

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。     

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。     

变壁厚偏心圆环结构激光熔覆成形及闭环控制

基于光内送粉技术,激光熔覆成形了变壁厚偏心圆环结构。规划了变壁厚偏心圆环的成形扫描路径,利用基于机器视觉的层高控制软件获得了每个成形段的实际高度,并与设定的期望高度进行对比,建立了基于比例积分(PI)控制器的速度校正模型。成形的偏心圆环结构的最小壁厚为2.14mm,最大为6.38mm。每段总堆高与期望总堆高的误差较小,整体高度相对平整,具备较高的成形精度。成形件不同壁厚处的晶粒组织均匀致密,晶粒尺寸接近。     

薄壁结构铝合金激光粉末沉积工艺及性能研究

利用激光粉末沉积技术成功制备AlSi10Mg铝合金薄壁件.采用粉末负离焦和增大熔覆间隙停留时间的工艺策略,解决铝合金成形过程中熔覆层边缘粗糙、塌陷的问题,并分析薄壁件扫描和沉积不同成形方向上的显微组织和力学性能.结果表明:单道成形的最佳工艺参数为激光功率密度P=370 W/mm2、扫描速度Vs=1.2 m/min、送粉...     

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。     

变倾角激光熔覆成形层高和层宽模型研究

激光熔覆成形悬臂结构和大倾角强化修复需要在倾斜基面上沉积。现有工艺参数与熔覆层形貌数学模型的研究一般是基于水平基面开展的，较少有人研究空间倾斜基面的倾角对成形形貌的影响。本文采用激光内送粉技术实现大倾角熔覆，同时引入空间倾角作为影响熔覆层形貌的工艺参数。通过进行单道正交试验确定了每个倾角下的合适功率与速度区间并取交集，确定了0°～135°倾角、800～1200 W激光功率、4～8 mm/s扫描速度为目标模型输入参数的适用范围。在此范围内开展薄壁墙堆积实验，同步利用CCD层高测量系统和定距提升闭环控制算法，实时测量层高数据并控制提升量，采用金相显微镜测量成形件的层宽数据。结果表明：在相同的功率与扫描速度下，层高随着倾角增大而先减后增，倾角达到90°时层高最小；层宽随着角度增大而先增后减，倾角达到90°时层宽最大。利用获取的250组数据建立BP神经网络模型，通过输入倾角等熔覆工艺参数，能够实现对熔覆层高度和宽度的预测。     

基于嵌入式机器视觉的激光熔覆成形熔池离焦量在线测控系统

在金属激光熔覆自由三维成形中,不断生长的成形面与成形喷头之间的距离应保持恒定值,以保证生长表面上处于聚焦激光焦点附近熔池的离焦量基本不变。以光学三角法为原理,提出了一种基于嵌入式机器视觉的激光自由成形熔池离焦量在线测控系统,推导出了镜头焦距设计公式,给出了系统硬件方案以及软件方案,同时为高效稳定处理熔池图像,提出了一种基于面积的熔池灰度阈值估计算法。经测试,此测量系统能实时准确地测得熔池离焦量,将该系统运用至实际薄壁圆环成形中,实时调节光头提升速度以保持离焦量恒定,使得薄壁圆环成形精度得到明显提高。     

激光直接制造镍基高温合金零件成形工艺的研究

本文研究了激光直接制造镍基高温合金FHG95的工艺。通过不同的参数搭配共进行 314个试样的实验 ,按照一定标准 (宽度波动小于 5 %,单层熔覆厚度大于 0 .2mm ,表面没有粉末黏着 )选取成形效果较好的试样 ,分析总结了选择优化工艺参数的规律。分析了功率密度、送粉速度、扫描速度单独作用的机理和相互配比的方式 ,提出了送粉量承载率的概念 ,同时给出如何针对不同的熔覆层宽度、厚度选取工艺参数的方法。按照该工艺方法激光直接成形的镍基高温合金零件晶粒细小、组织致密 ,而且各元素含量与粉末相同 ,没有偏析。当熔覆基体尺寸为 2 0 0× 15 0× 2 5mm的低碳钢板时 ,激光功率密度应该在15 0 - 2 0 0W /mm2 ,扫描速度在 0 .2 - 0 .3m/min ,每瓦激光所能承担熔覆的合金粉末为 0 .0 2 g/min。当加工薄壁零件时 ,熔覆速度应大于 0 .5m/min ,单层熔覆厚度约为 0 .1mm。     

基于光内送粉技术的激光加工机器人曲面熔覆试验研究

现有激光表面熔覆技术大多只能在水平或小角度倾斜基面上进行,基于"光束中空、光内送粉"技术,解决了喷头空间倾斜送粉过程中粉束汇聚性差的难题,通过控制激光机器人夹持送粉喷头做大角度连续变姿态运动,喷头轴线方向始终与曲面法向重合,实现了在大角度倾斜曲面上激光熔覆均匀涂层。分析了曲面熔池受力情况、不同倾角曲面熔池形状以及扫描路径对熔道成形的影响,通过控制准直气速度使熔道宽度保持稳定,并对不同倾角处曲面熔覆形貌及组织性能进行了详细分析。结果表明,各倾角处曲面熔覆层厚度均匀,截面组织致密,无明显裂纹和气孔,曲面熔覆层与基体结合良好。为实现金属零部件复杂空间曲面修复提供了新方法。     

温度场模拟激光熔覆TC11钛合金工艺参数的选择

以通过激光熔覆修复钛合金薄壁件并在钛合金表面获得优质激光熔覆涂层为目标,运用ANSYS软件对同步送粉式激光熔覆的温度场进行了三维建模数值模拟。基于该模型对激光熔覆过程中的温度场分布和工艺参数进行了分析。结果表明,激光扫描方向前方的表面温度场相比后方熔池温度小,等温线密集,温度梯度大,熔覆两道后熔覆道1没有重熔,并且对熔覆道2产生预热作用。激光加工的快速加热和冷却的特性显著,冷却时的冷却速度可达104℃/s,在其他工艺参数不变的情况下,理论上在激光功率P=1100 W,扫描速度v=4 mm/s,光斑直径d=1 mm 时模拟过程可获得良好的冶金结合,为修复薄壁零件提供了借鉴和指导作用。