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。     

机器人光纤激光45#钢面铁基粉末熔覆工艺研究

用机器人光纤激光系统, 在45#钢表面作Fe316L铁基粉末激光单道和多道的同轴同步送粉熔覆, 以提高材料表面的硬度及耐磨性能。用金相显微镜对熔覆层剖面分析测量, 用维式硬度计对基材和熔覆层显微硬度测量结果表明: 用光纤激光同轴同步的复合送粉嘴做单道激光熔覆时, 选700～950 W的激光功率及60%的搭接率, 能获得合适的稀释率(35%～55%)和熔覆层厚度(1.25～1.70 mm); 有效的消除了搭接处微裂纹和气孔等组织缺陷; 试样熔覆层显微硬度显著高于基材硬度, 达二倍以上。     

异形基面平顶薄壁结构激光熔覆成形工艺研究

采用中空激光光内送粉技术,在异形基面上成形平顶薄壁结构。针对在不平整异形面上采用传统等高分层存在扫描起始端搭接缺陷、效率低等问题,提出了一种随形分层的方法:利用在一定范围内熔覆层高度与扫描速度之间、熔覆层宽度与离焦量之间的线性关系,采用分段变速以达到分段变熔高的方法使基底低点变高,从而在异形基面上逐渐堆积出平顶结构。检测结果表明:基面与层间实现了冶金结合,成形的薄壁墙顶面基本平整,最大绝对误差在0.2 mm左右,尺寸误差在8%以内;成形区域的组织致密均匀,无明显的气孔、裂纹等缺陷,显微硬度为685～720 HV。     

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。     

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。     

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。     

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。     

激光机器人光内送粉异形实体成形研究

为了利用激光熔覆直接成形技术得到异形变截面圆环链轮轮齿模拟件,采用光内送粉技术、利用库卡机器人进行运动控制。根据优化的工艺参量,采用高度额外增量法、长度额外增量法规划扫描路径,精准地控制每层提升量。实验前对基板进行预热,并对成形零件进行检测分析。解决了异形件堆积最容易出现的边缘塌陷问题。在保证变截面结构尺寸各处充分的基础上,较好地控制了加工余量。避免了熔覆层的开裂和剥落,在42CrMoV基板上成功堆积出异形轮齿模拟件。结果表明,光内送粉粉末利用率达60%以上;成形轮齿表面光滑无粘粉,各尺寸误差均在合理范围之内;轮齿与基板冶金结合良好,组织均匀致密,各处硬度均匀。     

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。     

激光熔覆Ta-W合金涂层工艺方法研究

采用预置涂层和同轴送粉激光熔覆方法,分别以Ta/W混合粉末和纯W粉末为熔覆材料,纯Ta为基底,在Ta板上制备Ta-W合金涂层,对难熔金属材料的激光熔覆工艺方法进行了对比研究。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及显微硬度计对两种方法所制备熔覆层的微观组织和显微硬度进行了分析。结果表明,预置粉末法激光熔覆层厚度均匀,稀释率低,涂层内部为粗大的Ta-W合金固溶体组织,熔覆层平均硬度为1500HV,高于基底10倍。同轴送粉法激光熔覆层与基底呈良好的冶金结合,熔深较大,涂层内部为致密细小的树枝状Ta-W合金固溶体,均匀分布于Ta中。涂层平均硬度为800HV,为基材的5倍。     

垂直面送粉激光强化系统与应用研究

针对汽车发动机缸体、缸套、模具侧壁等垂直表面激光强化的需求 ,研制了垂直面送粉喷嘴和垂直面送粉激光强化系统 ,适合于内侧和外侧垂直面送粉激光熔覆和合金化及不送粉熔凝、相变硬化 ;利用该系统 ,选择合适的激光处理工艺参数 ,在垂直放置的灰铸铁表面进行了激光熔凝、送粉激光合金化、送粉激光熔覆等表面处理 ,分析了处理层的显微组织 ,合金元素成分分布与硬度分布。激光强化显著提高了基材的使用性能。垂直面送粉激光强化技术有良好的工业应用前景。     

激光扫描速率与熔覆层组织性能的规律研究

为了研究在激光熔覆修复工艺中，激光扫描速率对最终形成的熔覆层性能的影响，采用同步送粉法，利用激光熔覆工艺在QT500球墨铸铁上制备了不同扫描速率下的镍基合金熔覆层样本；利用金相显微镜观察熔覆层的显微金相，并使用显微硬度计对熔覆层显微硬度进行了测定与分析，取得了熔覆层样品的硬度、显微金相组织以及样品稀释率等数据。结果表明，在其它条件不变下，随着激光扫描速率的增加，熔覆层组织更加致密、均匀，熔覆层的平均显微硬度得到了显著提高；以激光功率为1.9kW、扫描速率为5mm/s、光斑直径为4mm等参量得到的熔覆层组织与性能最优。此研究对激光熔覆表面强化工艺中合理选择工艺参量提供了理论依据。     

小间隙双层斜套激光立体成形工艺研究

利用光内送粉技术对小间隙双层斜套的成形工艺进行了研究,采用依次独立堆积路径、法向分层、无错位堆积工艺方法成形了双层斜套。实验结果表明,该工艺可以提升激光成形双层斜套的效率,节约金属粉末,有效保证薄壁件的厚度均匀性和双层斜壁之间的间距稳定性。成形件表面形貌平整,显微组织致密均匀,无裂纹、气孔等缺陷,显微硬度分布均匀。     

H13钢表面激光熔覆层稀释率及强化效果研究

为了改善H13钢的表面性能,利用YLS-4000型光纤激光器在H13钢表面熔覆镍基涂层,采用正交试验法,对不同工艺下的熔覆层表面形貌、几何参量、稀释率、微观组织、显微硬度进行了检测分析。结果表明,激光功率最小而送粉速率最大时（P=1800W,v_f=1.0g/s）表面凹凸不平;激光功率和扫描速率最大时（P=2200W,v_s=25mm/s）表面出现裂纹;当稀释率η < 10%时,熔覆区平均硬度（大于800HV）为基体硬度（246HV）的3倍以上,强化效果显著;当稀释率η>25%时,熔覆区下部受熔化基体的稀释作用硬度较低;稀释率随着激光功率与扫描速率的增加而增加,随着送粉速率的增加而降低。通过调整工艺参量可获得表面平整光滑、组织致密、强化效果显著的熔覆层。     

半导体激光熔覆高硬度铁基合金的耐磨性能研究

利用2kW半导体激光器和同轴送粉装置在40Cr表面进行激光熔覆铁基合金,解决易于失效的问题.通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等对熔覆层的微观形貌、物相、显微硬度和摩擦磨损性能进行分析测试.结果表明,激光熔覆铁基合金的显微硬度提高2倍左右,平均摩擦系数和磨损量分别为基体的44%和35%.激光熔覆层中的晶粒细化和金属间化合物的形成对性能的提高起到重要作用.     

基于中空激光光内送粉技术的扇形结构件激光成形研究

基于中空激光光内送粉技术,运用实时变姿态方法和法向分层方法,进行了具有不等高熔道特征的扇形结构件成形研究。分析了熔道层高与扫描速度之间的对应关系,结合不等高熔道的几何模型和熔道层高与扫描速度之间的关系,采用分段变速的方法熔覆出了不等高熔道。在此基础上进行多道不等高熔道堆积,成形出了扇形薄壁墙结构。分析表明,所获得成形件尺寸精度较高,相对尺寸误差控制在7%以内;成形件各处显微组织差异较小,组织细密、均匀。     

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。     

宽带激光熔覆铁基涂层工艺参数及性能研究北大核心CSCD

27SiMn钢液压支架在恶劣的工作条件下长期使用后,其表面容易形成腐蚀,磨损和疲劳损坏等缺陷。为提升其使用寿命,本文利用宽带激光熔覆技术在27SiMn钢表面进行制备铁基涂层的实验研究。基于控制变量的方法来依次调整激光功率、送粉速度、载气流量及扫描速度开展单道单因素熔覆试验,并以表面粗糙度为熔覆层质量评价指标初选工艺参数。基于单因素试验进一步开展4因素3水平正交试验,终选显微硬度为熔覆层质量评价指标。利用极差分析考察数据发现扫描速度对熔覆层显微硬度影响最大,其后依次为激光功率、载气流量和送粉速度,最优工艺参数为熔覆处在激光焦点位置且激光功率、送粉速度、在其流量和扫描速度分别为4000 W、2.50 rpm、6.9 L/min和600 rpm。同时对熔覆层进行了摩擦磨损试验,分析了摩擦因素、磨损率及磨损形貌,验证了工艺参数优化的可行性。最终,熔覆层平均硬度较基体提升2.2倍,磨损率较基体提升27%。工艺参数优化能够实现铁基合金粉末熔覆层表面硬度及耐磨性的显著提升,对熔覆修复27SiMn液压支架大有帮助。     

不锈钢微流道模具的激光熔覆成形

采用JK1002型Nd:YAG激光器、同步送粉系统,在塑胶模具钢HPM75基体上,熔覆316L不锈钢粉末,直接成形微流道模具。研究送粉量对熔覆道几何尺寸的影响,研究稳定送粉状态下送粉量与激光功率组合对熔覆质量的影响。结果表明,送粉量1.5~2.5 g/min,获得满足微流道模具几何尺寸要求的微细熔覆道;激光功率400 W和送粉量2.0 g/min组合,获得具有较好熔覆质量的微细熔覆道。采用CAD-Mastercam软件,规划特定形状微流道模具的激光扫描成形路径,采用优化的参数组合进行多层熔覆成形实验,成形出致密、硬度580 HV的微细熔覆道,经后续磨、铣削及少量抛光,制作出高0.1 mm,宽0.3 mm的熔覆道,满足工作技术要求的微流道模具样件,制作1件模具总耗时60~75 min。     

45钢表面激光熔覆316L涂层显微组织与性能

采用激光熔覆技术在45钢表面制备316L合金涂层,分析了激光熔覆层的微观组织,测试了激光熔覆层的微观显微硬度。结果表明：激光熔覆区显微组织为细小树枝状结晶组织,熔覆区微观组织均匀致密以及存在着硬质点弥散分布,使得表面耐蚀性、硬度和耐磨性大幅度提高。熔覆层中残余应力一般是拉应力,随着熔覆层厚度的增加,应力回落并逐渐稳定下来,且基体残余应力较熔覆层小。