激光正余弦扫描过程中板材的变形行为

板材激光热应力成形是一种利用激光成形工件的柔性成形技术.对于不同的激光扫描轨迹,板材所产生的变形行为是不同的.研究激光成形过程中板材变形与扫描轨迹之间的关系对该技术的应用尤为重要.直线、正弦线和余弦线是三种典型的扫描轨迹规划.本文以板材激光单次扫描成形过程为研究对象,对激光三种扫描轨迹下板材的变形行为进行了有限元模拟,并对模拟结果进行了分析.     

Ti-6Al-4V晶格结构选区激光熔化的有限元模拟与验证

为探究晶格结构激光选区熔化（SLM）成形过程,建立了晶格结构SLM成形工艺的有限元（FE）模型,模拟了SLM成形Ti-6Al-4V合金晶格结构的过程。首先运用Slic3r软件从CAD文件中生成包括扫描间距、激光功率、层厚和扫描速度的G代码,然后将其转换为一系列路径信息并导入到有限元模型中用以控制“单元生死”,从而模拟SLM工艺的逐层沉积过程。在该技术中,打印层单元随着铺粉的进行被逐层激活并参与有限元计算。基于发展的FE模型,提出适应晶格结构的扫描路径策略并进行相应的实验验证。结果表明：随着成形高度的增加,转角处的温度不断积累,导致该处热应力增加从而增加破裂风险。相比于默认扫描策略,提出的优化扫描策略可以减少零件的热累积,从而减小转角处的应力集中。本研究可为金属晶格构件SLM工艺提供优化指导。     

基于分形曲线的分区扫描策略对激光熔化沉积基板变形的影响

目的 研究新型扫描策略,减小激光熔化沉积过程中基材的变形。方法 首先,采用分形曲线作为全域扫描策略,通过激光熔化沉积试验研究了1种传统扫描策略与3种分形扫描策略的基板变形。其次,提出将分形扫描策略和分区扫描策略相结合,按照分形曲线的走向扫描各个分区,形成基于分形曲线的分区扫描策略,通过激光熔化沉积试验研究了1种传统分区扫描策略与3种基于分形曲线的分区扫描策略的基板变形。结果 无论是全域扫描还是分区扫描,基板的4条边均发生了竖直向上的翘曲变形。在扫描路径的终点附近,基板的变形量最大。全域扫描策略下,基板的最大变形量分别为：光栅式扫描7.5mm,Peano曲线3.3 mm,Sierpinski曲线2.5 mm,Lebesgue曲线3.8 mm。分区扫描策略下,基板的最大变形量分别为：光栅式顺序7.5 mm,Hilbert曲线顺序3.5 mm,Sierpinski曲线顺序3.2 mm,Lebesgue曲线顺序5.4 mm。结论 基于分形曲线的分区扫描策略可以显著减小基板变形,还可以灵活地调节扫描线段的方向和数量,在综合考虑扫描线设计的灵活性和变形量的情况下,基于Sierpinski曲线的分区...     

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%。     

基板预变形对不锈钢激光立体成形件应力应变的影响

采用316不锈钢粉末和304L基板,通过一系列预变形矩形试样的激光立体成形正交实验,并通过小孔释放法进行应力测试,分析了基板预变形处理对激光立体成形试样的残余应力和变形的影响.结果表明:预变形量对预变形条件下的激光立体成形试件的平整度影响最大,其次为激光功率,激光速率.基板预变形后的应力分布显著影响激光立体成形后试样最终的变形形状.激光成形件上部熔覆层的残余应力σx先增大后减小,σz先减小后增大.研究结果为优化预变形条件下的激光立体成形工艺提供了参考依据.     

钛合金粉末的选择性激光熔化表面质量研究

通过优化实验方法,采用在钛片上进行钛合金粉末Ti6Al4V(TC4)的选择性激光熔化(SLM)单道扫描成形正交实验,在钛基板上进行单层SLM的正交实验。将打磨过的单道钛板在金相显微镜下进行观察,运用环境扫描电镜(ESEM)对SLM的单层进行分析。结果表明,在相对较高的激光功率以及低的扫描速度下,熔道的润湿角较小,宽度较大,且具有很好的连续性,单层轨迹具有很好的搭接性,整个熔化层较为平整,球化现象较少。最终确定最优参数为扫描速度20 mm/s,扫描间距0.07 mm,铺粉厚度0.07 mm,激光功率95 W,扫描方式为跳转变向,制备出的成形面质量较好。     

单曲率板材激光弯曲成形过程的有限元模拟

利用有限元软件MSC.Marc建立了单曲率板激光弯曲成形过程的热力耦合有限元模型。计算并分析了激光弯曲成形过程中板材内部的温度场、应力场和位移场。此外,还研究了扫描线的长度和单曲率板的初始形状对激光弯曲成形的影响。结果表明:随着扫描线长度的增加,板材的弯曲变形量增大;随着单曲率板曲率的增加,板材的弯曲变形量减小。实验结果验证了模型的可靠性。     

激光多层熔覆成形温度场数值模拟和工艺优化

对激光熔覆成形制造过程中进行多层熔覆时的传热行为进行了数值模拟,分析了激光功率、扫描速度、扫描间隔时间以及对流换热系数对多层熔覆成形中熔池尺寸及其稳定成形的影响,获得了保持熔池尺寸和成形条件稳定条件下的优化的激光熔覆工艺参数.     

激光选区熔化WC 12Co复合材料温度场模拟研究北大核心CSCD

为提高激光选区熔化WC 12Co硬质复合材料的成形质量,采用有限元仿真软件Ansys 2021R1对SLM成形WC 12Co硬质复合材料过程的温度场进行数值模拟仿真研究,研究成形温度场的温度分布和成形工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和基板预热温度)对温度场的影响,为优化WC 12Co硬质复合材料成形提供试验依据。结果表明:激光功率增大,成形区域温度增大,位置点3的峰值温度从3507.47℃增大至3837.52℃;激光扫描速度增大,成形区域温度降低,位置点5的峰值温度从3592℃下降至2897℃,峰值温度下降695℃;扫描间距的增加使各扫描区域的温度有所降低,位置点3的峰值温度从3330℃逐渐降低至3123℃。在同一成形工艺参数下,激光扫描前一路径对后一路径有预热作用,随着扫描路径的增加,成形区域的温度呈现逐渐上升趋势。基板预热至120℃能够提高熔池的内部温度,减小成形件之间的温度差异,缩小温度梯度差。当激光功率增大时,熔池的宽度和深度随之增大;当激光扫描速度增大时,熔池的宽度先增大后减小,熔池的深度线性反向减小;当扫描间距增大时,熔池的宽度和深度均减小。模拟获得的温度场仿真结论能够大致反映成形试样的表面质量和合金粉末的熔化状态随成形工艺参数变化的趋势。     

工艺参数对SLM成形AlSi10Mg合金组织与硬度的影响

利用选区激光熔化技术(SLM)成形AlSi10Mg合金,研究工艺参数对合金组织与性能的影响.发现随着激光功率的增大,Al(111)峰向右发生了偏移,这是因为SLM成形过程中,Si原子固溶进了Al基体中,发生了晶格畸变.而较大或较小的激光功率和扫描速度对SLM成形的AlSi10Mg合金组织和性能有显著的影响.激光功率较大...     

MICROSTRUCTURES OF LASER SINTERED MICRON/ NANO-SIZED Cu-W POWDER

研究了激光烧结工艺条件下微/纳米Cu-W粉体致密化的过程及对显微组织的影响. 结果表明,合理增加激光功率或降低扫描速率, 可提高烧结致密度及组织均匀性; 降低扫描间距至0.15 mm, 可改善烧结表面光洁度; 铺粉厚度降至0.15 mm, 可提高烧结层间结合性. 经工艺优化, 最高成形致密度达到95.2%, 且在烧结组织中形成一系列规则的W环/Cu芯结构; 并探讨了该结构的成形机制.     

扫描路径规划对激光弯曲成形影响的实验研究

在三维激光成形中,扫描步距、扫描的先后次序、扫描线距自由端的距离等扫描路径规划参数对最终变形量都有影响。实验表明：当扫描线距自由端的距离L′增加时,弯曲角度随之增大,但当L′继续增加时,板料的弯曲角度却减小,最后逐渐趋于平缓。当扫描步距太小,板料的总体弯曲效果并不好,而且由于重叠加热,使板料硬度降低。随着扫描步距的继续增大,板料的最终弯曲效果只是每次扫描的弯曲变形量的简单迭加。而且实验发现,先采用大的步距对板料进行扫描,然后在两条扫描线之间再插入扫描线,此时的弯曲效果比顺次加热的弯曲效果要好。     

TA15粉末激光成形基板应力影响因素的试验研究

为了研究TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)粉末激光成形基板残余应力的影响因素,成形出19个不同工艺参数的试件,采用压痕法分别对其进行残余应力的测量,总结出激光功率、送粉速度、激光扫描速度、成形层数、扫描转角等参数对基板残余应力的影响。研究表明,随着激光功率的增大,基板残余应力数值随之增大,当功率高于1700 W时,基板残余应力开始减小;基板残余应力在送粉速度为0.5~1 g/min和1.5~2 g/min 2个区间内,表现出随着送粉速度的增大残余应力减小的情况,而在1~1.5 g/min区间内表现出相反的情况;基板残余应力随着扫描速度的增大呈现出先增大后减小的趋势;基板残余应力随成形层数的增加而递减;对于不同扫描转角的测试件,扫描转角为60°的情况下,基板残余应力值最小,而30°扫描转角情况下,基板残余应力值最大。     

分区扫描对激光沉积修复钛合金热力耦合场的影响

为了控制激光沉积修复过程中残余应力,减少基材的变形,利用ANSYS参数化设计编程语言实现了激光沉积修复面缺陷损伤零件热力耦合场的数值模拟,得到了短光栅连续扫描和分区扫描情况下的节点热循环特性、温度场和残余应力场分布规律.结果表明,不同扫描方式下节点的热循环分布规律相似,但分区扫描时基材热量累积明显减小,且温度分布较为均匀,从而改善了基材中应力集中,使残余应力降低.为了验证结果的正确性,采用红外测温仪和压痕应变仪对不同扫描方式下激光沉积修复温度场和修复件表面残余应力进行了测量,并绘制了基材变形曲线.二者具有较好的一致性.     

NUMERICAL INVESTIGATION OF STRAIGHT-LINE LASER FORMING UNDER THE TEMPERATURE GRADIENT MECHANISM

Laser forraing is a new flexible and dieless forming technique. To achieve the high accuracy forming, the temperature gradient mechanism （TGM） is studied. In the analysis of TGM, the plate bends about x-axis and about y-axis as well. To understand the deformation trend, the numerical simulation of deformation of plate is conducted by choosing different laser powers, laser spot diameters, scanning speeds, lengths, widths and thicknesses. From the results of simulation, it can be seen that the laser spot diameter, the scanning speed, laser power and thickness of plate play dominant roles in the laser forming process. However, the bending angles αx and αy show different trends with the variation of parameters. In addition, in comparison with above four parameters, the effect of length and width of plate on the beading angle may be neglected, but their effects are significant for the bending radius R.     

Effects of process variables on interfacial quality of laser cladding on aeroengine blade material GH4133

Consecutive layer of a cobalt alloy, stelliteX-40, were deposited onto a GH4133 superalloy plate. The microstructure and mechanical properties of laser cladding were examined. An inappropriate combination of laser power, scanning velocity or pre-placed powder height can result in the formation of incomplete fusion interface between the cladding layer and substrate, or reheat cracking along the coarse grain boundary in the heat-affected zone (HAZ) after ageing treatment. The SEM and energy dispersive spectroscopy (EDS) show the absence of precipitate particles within the reheating crack with similar average compositions for the crack and the substrate. The plastic deformation due to residual thermal stress induced by thermal cycle of laser cladding process is concentrated on the coarse grain boundaries within the HAZ as grains are strengthened by precipitating particles during the aging process. This concentrated plastic deformation is mainly responsible for reheat cracking. The laser cladding layer with integrated melt interface and without reheat cracking can be obtained by optimizing laser power, scanning velocity and powder thickness. The experimental results of microhardness show the homogenous property distribution within the material after the ageing treatment.     

激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力,但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题,影响了构件的力学性能,从而制约了其大规模的应用。针对这一现状,首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理,比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点,并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次,从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手,综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响,以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,从而影响成形件的组织与力学性能。此外,综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响,可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异,同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后,探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响,通过合适的热处理能够降低成形构件应力,并调控组织相变和性能。     

正方形薄板激光三维成形球冠面的应力场分析

激光成形是利用激光束的能量修整板材曲率的一种新型柔性无模成形加工方法。为了描述激光三维成形中的弹塑性变形过程,以进一步揭示其三维成形的机理,文章采用显式动力学方法分析了交叉线扫描激光三维成形正方形薄板为球冠面的物理过程,揭示了激光扫描过程中正方形薄板的温度场、应力场、应变场的变化情况,虽然激光引起薄板温度变化产生的热应力仍是三维成形的主要因素,但是激光三维成形与激光直线扫描成形不同,激光三维成形扫描过程中在薄板内部形成的应力波是影响激光三维成形的主要因素之一,薄板的应变、变形等均与应力波有关,本文揭示的物理行为为下一步的机理研究打下了良好的基础。     

Thermal–mechanical analysis on the transient deformation during pulsed laser forming

The transient deformation of thin grade 304 stainless steel metal sheets heated by a single pulse of a CO₂ laser beam is simulated in this paper. The laser beam is assumed to be Gaussian mode and the coupled thermo-elastoplastic problem is treated as three-dimensional. The temperature field, deformation pattern, stress–strain states, and the residual stress distribution of the specimens have been calculated numerically and the transient response of the bending angle has been validated by experiments. Good agreement has been obtained between the numerical simulation and the experiments under various operating conditions. The numerical study reveals that a high temperature gradient exists for a positive bending angle and a low one for a negative angle. It transpires that the mechanisms of pulsed laser forming are dependent mainly upon the laser power, the heating time, the clamping arrangement, as well as the geometry, the thermal properties, and the original stress states of the specimen.