激光快速成形过程中熔池形态的演化

采用高速摄影技术对激光快速成形过程中液态熔池的形成及其演化过程进行了实时观察。结果发现,以一定速度向前运动的激光束辐照基材时,基材表面开始熔化并形成液态熔池,经过一个较短的时间间隔(约1．0 s)后熔池深度增大至一定值,熔池长度则围绕一恒定值波动。以恒定送粉率向熔池中连续送进金属粉末时,熔池的长度和宽度逐渐减小,熔池寿命缩短。同时熔池后沿不断抬高即熔覆层厚度不断增加,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由几度逐渐增大到20°～30°左右。熔池自由表面发生周期性的变化,实验观察到熔池后沿有周期性的“岛状凸起”出现和消失现象。数值计算结果证实这主要是熔池中熔体在表面张力梯度下引起的强制对流作用的结果。     

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。     

侧向送粉激光熔覆粉末温升模型及实验研究

建立了侧向送粉激光熔覆粉末颗粒温升的数学模型，该模型可以考虑激光束的功率分布。推导了考虑激光束直径大于粉斑直径和小于粉斑直径两种情况下，粉末颗粒在光束辐照下的温升与其在光束下运动时间的关系式。通过算例，给出了在不同激光功率下粉末颗粒的温升随其与激光束相互作用时间的关系曲线以及不同颗粒直径条件下粉末颗粒温度随相互作用时间的关系曲线。采用微距摄影技术对粉末颗粒到达熔池表面的状态进行实验观测，并采用图像分割技术中的迭代阈值选取方法，对所获得的灰度图进行处理从而得到了粉末颗粒到达熔池的温度。计算结果与实验分析获得了相同的结论，从而验证了模型的正确性。     

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。     

铁路车辆车钩再制造激光表面熔覆温度场有限元分析

激光表面熔覆作为一种再制造技术手段被应用于零件表面的修复和强化.针对以激光表面熔覆为主要工艺的铁路货车易磨损零部件车钩的再制造,以有限元方法模拟熔覆过程中熔覆区和基体的温度场.在研究激光表面熔覆数值模拟的热源模型、相变潜热以及网格划分等相关技术的基础上,模拟分析激光束与圆柱内孔表面不同夹角时,预置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆温度场变化,进行对比.模拟结果符合激光表面熔覆的基本规律,可应用于车钩再制造过程中的激光表面熔覆工艺的预估与设计.     

光丝位置对铝合金激光填丝焊接过程的影响

为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历"液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥"阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

铸铁表面双光束激光熔覆温度场与应力场分析

为了减少熔覆开裂,提高熔覆质量,本文采用一定光束间距的并联双光束激光对铸铁表面进行熔覆,建立熔覆过程三维热力耦合模型,分析双光束激光熔覆热/力特征变化。计算结果表明,双光束激光在提高熔覆效率的同时,相邻两熔道彼此进行预热与缓冷,减小了激光熔覆过程中急剧升温与冷却产生的巨大温度梯度,降低熔层和结合区的残余应力水平,进而达到抑制裂纹产生的效果。1 800 W-1 400 W功率组合、光束间距为12.5 mm是较为理想的参数组合。     

面向绿色再制造的单道激光熔覆几何特征研究

为建立工艺参数与熔覆层几何特征的关系模型,分析了粉末在高斯光束中的吸热过程、有效利用率及基体熔化吸收的能量,推导出熔覆层儿何特征(熔覆层宽、熔覆层高、熔池深)数学模型.仿真结果表明:激光熔覆几何特征与工艺参数关系密切,其中熔覆层宽度与光束直径和送粉速率成正比;熔覆层高度与送粉速率成正比,与扫描速度成反比;熔池深度与激光功率成正比.这与实验获得的规律是一致的.     

送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究

根据送粉式激光熔覆的物理过程 ,提出了送粉式激光熔覆数值模型必须考虑的基本问题。回顾了已报道的送粉式激光熔覆的数值模型在处理相关问题时所做的基本假设和处理方法。重点讨论和分析了激光与合金粉末及基体的相互作用的数值模型 ,合金粉末落入熔池的状态及熔池自由表面的形状等问题。     

激光熔覆熔池表面温度场分布的检测

采用电荷耦合器件(CCD)高温检测技术,检测了送粉同步式和预置式两种不同工艺下Ni基合金激光熔覆熔池,得到了其在不同功率下的熔池形貌、尺寸和温度场分布.结果表明,当激光功率低于1100 W时,合金粉末熔化不均匀,熔池形貌不规则;当激光功率达到1300 W时,熔池形貌近似椭圆形分布,比较规则平滑,x,y方向尺寸分别为2.8 mm,2.7 mm,平均温度为1800 K,其形貌和尺寸趋于稳定;当激光功率继续增加时,熔池形貌基本不变,但平均温度增加,由于高温热传导熔化,熔池尺寸会有少量增加.     

激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响

激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验,对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明,受熔池强对流运动影响,熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势;且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀,无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征,获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度,熔池温度,熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明,热流密度越高,温度越高,表面张力梯度越大,熔体对流运动速度越大。     

封闭空腔回转薄壁件的激光熔覆成形

封闭空腔结构具有大倾角的特征,如采用传统的水平分层法堆积,大倾角部分的熔池易产生塌陷,使成形无法进行;采用变角度法向分层堆积大倾角封闭区域时,存在激光与已成形部分的干涉问题。文中基于中空激光光内送粉技术进行了空间堆积封闭半球壳体的研究。将封闭半球壳体划分为变角度法向成形区域和斜定向成形区域,前者采用变角度法向分层方法进行堆积,以消除阶梯效应;后者采用斜定向错位分层方法进行堆积,避免了封闭区堆积时激光与已成形部分的干涉。建立了斜定向分层堆积偏移模型,并通过斜墙试验验证了可行性,最终完成了封闭半球的熔覆成形。检测结果表明,成形件表面平整,尺寸误差在5%以内,壁厚稳定在2.7 mm左右,两种成形区域的显微组织整体均匀致密,硬度和强度总体保持稳定。     

连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。     

激光超高温度梯度快速定向凝固研究

研究了激光重熔工艺参数对三种不同成分的Cu Mn合金重熔区微观组织生长方向的影响。结果表明 ,熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数 (激光输出功率和扫描速度 )和合金成分的影响。通过选择合适的工艺参数 ,实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定向凝固 ,其温度梯度可高达 10 6 K m ,速度可高达 2 4mm s。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于 :1)在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度 ;2 )根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数以获得胞晶组织。     

同轴送粉激光成形中粉末与激光的相互作用

详细介绍了同轴送粉激光成形过程中，金属粉末与激光束相互作用时间的计算方法。在ANSYS软件平台上，建立了金属粉末穿越激光束过程中粉末温度场的计算模型。系统计算了不同颗粒大小316L不锈钢粉末与不同功率激光束相互作用后的温度。在此基础上，计算了金属粉末与激光束的能量交换及金属粉末落入激光熔池后与激光熔池的能量交换。计算结果表明，在激光束直径为3mm条件下，316L不锈钢粉末穿过功率大于1000W的激光束后，所有尺寸金属粉末均被熔化，即金属粉末以液态进入激光熔池。通过金属粉末与激光束及激光熔池的能量交换计算，可知在激光成形中，约有5％的激光能量用于加热和熔化粉末，而大约95％的激光能量用于激光熔池的形成及由于热传导造成的热量损失。     

脉冲激光毛化加工的计算机流体动力学数值模拟

激光毛化的温度场和熔化过程流动状态的变化,以及因辅助气体等导致的对流换热边界条件变化都会对材料表面成形质量和组织转变产生重要影响。于是建立了模拟激光毛化的三维瞬态模型,该模型考虑了热传导、对流传热及熔池表面的形貌变化等因素,采用焓法与流体体积(VOF)方法处理固液相变移动边界与自由表面的问题,利用Fluent软件和用户自定义函数(UDF)方法求解,处理了辅助气体的驱动作用及自由表面和相界面的演化,得出了脉冲激光毛化过程中各种加工参数下熔池的形状、大小以及熔池内的温度、速度分布。实际毛化加工结果与数值模拟结果基本一致。     

焊丝熔化填充方式对激光焊接熔池影响的数值模拟

结合激光深熔焊的焊接特性,建立焊丝熔化后进入熔池过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型。研究了焊丝熔化填充方式对匙孔三维形态、熔池流动行为的影响,最后分析了焊丝熔化填充对匙孔稳定性的影响机制。计算结果表明,焊丝熔化以自由过渡的形式落入熔池对匙孔的形态影响较大,对匙孔前壁的挤压作用非常明显,造成了匙孔闭合、倒塌的情况;焊丝熔化沿熔池边缘流入熔池对匙孔的形态影响相对较小,匙孔下部会出现内凹的现象。焊丝熔化进入熔池之后在匙孔后方的熔池会产生两个顺时针的流动漩涡,流动漩涡的存在会使熔池内部流动行为更加复杂。