激光熔覆快速制造金属零件研究与发展

论述了激光快速直接制造的国内外研究和发展现状,介绍了激光快速制造金属零件的方法,重点说明了基于激光熔覆的快速制造技术和激光制造技术涉及的关键问题:精密高质量同轴送粉熔覆系统、激光熔覆的工艺优化与稳定性和激光熔覆过程的检测与闭环控制。展示了激光熔覆快速制造的典型金属零件和应用领域。提出了激光熔覆制造进一步研究的方向。     

激光熔覆工艺参数对金属成形效率和形状的影响

针对激光熔覆再制造装备零件的快速高效熔覆成形及其控形问题,采用1kW全固态激光器和铁基合金粉末进行了不同激光线能量和送粉量下单道熔覆对比实验,研究了激光功率、激光扫描速度和送粉量等主要工艺参数对熔覆线形状尺寸和金属成形效率的影响.结果表明:熔覆线的宽度是光斑直径、激光功率、激光扫描速度和送粉量的函数,随激光功率增加和激光扫描速度降低,熔宽增加;随送粉量增加熔高增大.成形效率随工艺参数变化具有复杂的变化趋势,随激光线能量增加和送粉量增加,成形效率一般增高.在合适的参数范围内,需要对工艺参数进行优化以获得较高的成形效率.     

脉冲激光熔覆Ni60合金粉末的试验研究

采用脉冲Nd:YAG激光器对Ni60合金粉末进行了单道单层、多道单层的熔覆工艺试验研究.采用单因素试验方法,研究了激光工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量等)对熔覆层尺寸的影响,从而得到了单因素条件下最佳的工艺参数.同时对所形成的熔覆层进行金相组织分析,结果表明: 所形成的熔覆层与基体为良好的冶金结合; 内部组织由大量的枝晶和等轴晶构成且组织均匀、致密; 熔覆层硬度最高达823HV(为基体材料硬度的3～4倍),为激光快速成型零件提供了应用基础.     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

激光熔覆立铣刀的制造研究

采用同步送粉激光熔覆方法，在45#钢立铣刀坯材的刃带部位，熔覆一层钴基自熔合金作为立铣刀的加工刃。研究了激光熔覆工艺参数对激光熔覆层形状和开裂的影响，结果表明，熔层宽度的关键因素是激光的有效光斑尺寸，它是由激光功率密度与熔覆速度决定的；熔层高度的关键因素是粉末的线送粉速率，它是由送粉器的送粉速率与熔覆速度的比值决定的；提高激光功率可显著降低熔层开裂倾向。同时，薄的熔层形状可以降低熔层开裂的倾向。进行了激光熔覆立铣刀工装设备．和工艺研究；采用优化工艺，在45#钢铣刀坯材上熔覆成功无裂纹，成型良好、硬度分布满足使用要求的功能层；通过了国标GB／T122．4．3-90规定的立铣刀切削性能试验。以激光熔覆新工艺完成了立铣刀的制造。     

激光直接制造金属零件过程的闭环控制研究

对激光直接制造金属零件过程中熔池温度和熔覆层厚度的变化进行了研究,指出对确定的材料,当激光功率增大到一定值时,熔池内的金属溶液大多已达到了热饱和,温度累积效应并不显著,熔池温度基本保持平稳,而在制造过程中若零件由于工艺不稳定而产生凹凸点,在多次层叠制造后,凹处越凹、凸处越凸,严重影响零件的制造精度。所以通过传感器来直接监测金属零件的熔覆高度,进而通过控制送粉量来保证制造过程中熔覆高度的稳定性比起温度控制来更具有实际意义。提出了熔覆高度的检测方案,并对送粉量的闭环控制系统进行了研究,对送粉量的时间延迟提出了相应的对策。结果表明对熔覆层高度的检测和对送粉量的调节能够提高激光直接制造过程的稳定性和制造精度。     

激光快速柔性制造金属零件基本研究

为激光熔覆快速柔性制造金属零件(LRFM),研制了一种新型的同轴送粉喷嘴,制造了一些简单形状的NiCrSiB合金零件,研究了这些金属零件的微观组织、成分均匀性、硬度分布和抗拉强度。要提高激光熔覆快速制造零件的精度必须保证制造过程的稳定性,因而对整个制造过程的主要影响因素进行闭环控制。     

同轴送粉和压片预置激光熔覆NiCoCrAlY涂层工艺比较

采用同轴送粉与压片预置激光熔覆工艺制备NiCoCrAlY涂层, 对两种激光熔覆工艺粉末利用率、涂层稀释率、熔覆层硬度及熔覆层微观组织形貌进行了比较。结果表明, 在涂层界面能形成良好冶金结合的优选工艺参数条件下, 同轴送粉激光熔覆粉末利用率和加工参数密切相关, 最高不超过0.4, 而压片预置激光熔覆粉末利用率高于0.9; 同轴送粉激光熔覆制备涂层熔合区为垂直于界面的柱状晶, 上部为均匀的等轴晶, 压片预置激光熔覆涂层的枝状晶贯穿整个涂层; 但是压片预制熔覆涂层的硬度略低于同轴送粉熔覆涂层。     

YAG激光束与金属粉末流相互作用检测研究

为研究同轴送粉熔覆中YAG激光束与粉末流的相互作用机理, 采用CCD检测技术, 对不同功率、不同送粉量下粉末流分布进行检测, 得到不同参数下粉末流的图像、灰度分布图和伪彩色分布图。结果表明: 随着激光功率增加, 粉末流图像由暗变亮, 最后到白炽状态, 其温度逐渐升高。激光功率400 W时, 随着送粉量的增加, 粉末流图像由暗变亮, 到一定程度后变暗。该检测结果可用于激光熔覆工艺优化, 提高熔覆的质量以及材料的利用率。     

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。     

KTP倍频Nd:YAG激光和Ho:YAG激光心肌打孔组织学变化的对比研究

目的 :比较国产 KTP倍频 Nd:YAG激光和 Ho:YAG激光对离体猪心激光打孔的组织学效应 ,探讨国产 KTP倍频 Nd:YAG激光用于激光心肌血运重建术的可能性。方法 :分别用 KTP倍频 Nd:YAG激光和 Ho:YAG激光以多种级别的工作参数对离体猪心左心室心内膜面进行照射 ,行病理组织学检查 ,测量激光孔道直径、深度及坏死层厚度。结果 :KTP倍频 Nd:YAG激光和 Ho:YAG激光均能有效形成激光孔道 ,随能量增加 ,孔道深度增加。KTP倍频 Nd:YAG激光具有孔道直、热损伤小的优点。结论 :KTP倍频 Nd:YAG激光是激光心肌血运重建术可供选择的激光源。     

激光治疗肛管-直肠下端尖锐湿疣28例分析

目的:本文用CO_2激光和Nd:YAG激光治疗肛管及直肠下端尖锐湿疣,并对分布、伴发部位、激光治疗方法及疗效进行分析。方法用2％利多卡因注射液局部浸润麻醉,CO_2激光直接气化,少数病人用卤化银CO_2光纤激光或Nd:YAG气化,激光气止血。位置较深的病人在肛门镜下进行。结果28例病人经1—5次治疗,总有效率96％,安全,可靠,无并发症。结论:激光治疗尖锐湿疣被公认为简便及有效的方法之一,对肛管及直肠下端的尖锐湿疣,配光纤的激光治疗更有其独特优越性,如经窥镜下对目不可及的病灶更为简便有效。     

激光深熔焊接阈值表征及特性

采用CO2和Nd∶YAG激光器焊接A3钢,结合高速摄像和光谱分析,研究激光深熔焊接阈值的表征及特性。结果表明,以激光功率与光斑直径之比作为深熔焊接阈值的表征参量,深熔焊接阈值与光斑大小无关;而临界功率密度随光斑尺寸不同而变化。YAG激光焊接模式转变阈值明显大于材料蒸发的阈值,在模式转变前的热导焊接阶段,金属材料已出现显著蒸发,而焊接模式转变后,蒸气羽辉的光谱保持不变。CO2激光焊接模式转变前,金属仅发生微弱的蒸发。深熔焊接时,蒸发显著加强,且蒸气部分电离。分析表明,CO2激光焊接时,蒸气电离形成等离子体,增加金属对激光的吸收,促进深熔焊接过程的建立。     

激光脉冲重复频率对InSb划片的影响

激光划片是半导体工业中一种有效的划片方法。目前在半导体材料划片中多采用调 Ｑ Ｎｄ： Ｙ Ａ Ｇ 激光器。脉冲重复频率是这种激光器的一个重要参数,它影响着激光器的平均输出功率、脉冲峰值功率以及脉冲宽度等特性。因此,脉冲重复频率对激光划片效果有重要影响。研究了利用调 Ｑ Ｎｄ： Ｙ Ａ Ｇ 激光对 Ｉｎ Ｓｂ 的激光划片,得出了刻槽深度和宽度与脉冲重复频率之间的关系。还从理论上探讨了划片时激光束和材料的相互作用过程,分析了各种刻槽形成的原因。     

Ho:YAG激光治疗尿道肉阜疗效分析

目的 :探讨Ho :YAG激光治疗尿道肉阜的疗效和特点。方法 :采用峰值能量 0 .5J/脉冲 ,脉冲频率 5～ 15Hz ,平均功率 2 .5～ 7.5W的Ho :YAG激光照射尿道肉阜 ,使其凝固气化后进行烧灼治疗。结果 :2 0 0例患者中 188例经一次激光治疗 ,12例分两次治疗 ,均达到治愈效果。无尿道口狭窄、尿道阴道瘘等后遗症。结论 :采用Ho :YAG激光治疗尿道肉阜 ,操作简便 ,定位准确 ,止血效果好 ,对周围组织损伤轻微 ,创面愈合快。比目前常用于治疗尿道肉阜的CO2 激光或Nd :YAG激光疗效更佳。     

不同波长激光-MAG电弧复合焊接焊缝成形与熔滴过渡特征研究

以5.0 mm厚高强钢板为实验材料, 采用高速摄像拍摄及汉诺威分析仪, 对比研究了CO2激光-MAG电弧旁轴复合焊接与Nd∶YAG-MAG激光电弧旁轴复合焊接在不同的激光功率下的焊缝形貌、熔滴过渡形态、工艺稳定性及电信号差异。结果表明, 在焊接电流I＝180 A, 电流电压U＝26 V, 焊接速度v＝1.2 m/min时改变激光功率发现, 相同激光功率比较Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊的焊缝面积与热影响区面积明显更大且表面飞溅较少; Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊熔滴过渡频率更高, 过渡形式基本为射滴过渡; 采集的电信号也显示Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊更加稳定。     

Ho:YAG激光治疗口腔粘液囊肿疗效分析

目的:探讨Ho:YAG激光治疗口腔粘液囊肿的疗效和特点。方法:采用峰值能量0.5J/脉冲,脉冲频率5~15Hz,平均功率2.5~7.5W的Ho:YAG激光照射口腔粘液囊肿, 使其顶端囊壁破裂后,取出完整囊壁或破坏粘连囊壁及其周围部分组织。结果:200例患者均一次治愈,随访无复发。结论:用Ho:YAG激光治疗口腔粘液囊肿,操作简便,定位准确,止血效果好,对周围组织损伤轻微,创面愈合快,比目前常用治疗口腔粘液囊肿的CO2 激光和Ho:YAG激光疗效更佳,副作用更少.     

激光二极管抽运复合腔和频连续波589 nm激光器

报道了一种利用复合腔进行腔内和频的589nm激光器.激光器由两个子谐振腔组成.在两个子谐振腔中,分别利用两个激光二极管(LD)抽运Nd∶YAG晶体和Nd∶YVO4晶体,并分别选择1319 nm波长(对应Nd∶YAG晶体的4F3/2→4I13/2跃迁)与1064 nm波长(对应Nd∶YVO4晶体的4F3/2→4I11/2跃迁)振荡进行和频.通过谐振腔的优化设计,实现了腔内两个波长较好的模式与增益匹配.在两个子腔的交叠部分,利用BiB3O6(BIBO)晶体Ⅰ类临界相位匹配进行腔内和频,得到和频激光输出.当Nd∶YAG与Nd∶YVO4晶体上抽运功率分别为750 mW和600 mW时,获得了24 mW,589 nm黄橙激光输出.该输出激光光束质量好、噪声低.     

Cr~(4+)∶YAG被动调QNd∶YAG陶瓷激光器的研究

介绍了近几年迅速发展的一种新型激光介质———透明Nd∶YAG多晶陶瓷的发展状况,对比分析了多晶陶瓷与单晶的光谱特性、激光特性和连续实验研究情况。并对钛宝石激光器调谐至808 nm,端面抽运Nd∶YAG陶瓷被动调Q全固态激光器的脉冲运转进行了较为详细的理论分析和实验研究。采用初始透射率为90%的Cr4+∶YAG可饱和吸收晶体,被动调Q的阈值功率为119 mW,当端面抽运功率为465 mW时,获得波长为1064 nm,脉宽为16ns,重复频率为18.18 kHz,单脉冲能量为3.4μJ,平均输出功率为61 mW的稳定调Q激光输出。采用不同初始透射率的Cr4+∶YAG晶体进行了实验和对比分析。     

激光二极管侧面抽运高功率1338nm Nd∶YAG激光器

报道了一台激光二极管(LD)侧面抽运的高功率连续1338 nm Nd∶YAG激光器.通过分析Nd∶YAG的跃迁谱线和相应的受激发射截面的特点,根据多跃迁谱线激光材料波长选择的耦合率条件,合理设计激光棒和腔镜的耦合率参数.激光谱线测量表明,成功抑制了1064 nm和1319 nm波长激光的振荡.以高功率808 nm激光二极管侧面抽运模块为抽运源,采用平-平腔结构,研究了耦合输出率分别为5.3%,7.4%和11%的输出镜的输出情况,比较分析了不同腔长对激光输出的影响.在抽运功率为555 W时,采用5.3%的耦合输出镜和20 cm腔长,获得大于100 W的1338 nm单一波长激光输出,光-光转换效率大于18%,斜率效率为35%,输出光束的M2因子为36.