基于数值模拟的激光增材再制造薄壁件的工艺优化

为探究工艺参数、扫描方式、坡口形状对激光增材再制造薄壁件的影响规律，基于ANSYS有限元分析软件，对激光增材再制造316L不锈钢薄壁件的温度场、应力场进行数值模拟分析。结果表明：激光功率、扫描速度过大或过小均会引起残余应力某一分量增大；选用垂直交叉扫描方式可以减小残余应力大小，但可能会引起修复区与基体结合区应力过大，导致裂纹的产生；通过比较两种坡口形状的应力分布，无棱边的坡口形状可以减小结合区的应力集中，并有效减小基板的变形量。最后设计试验，验证不同坡口形状对激光增材再制造试样质量的影响。试验结果表明，弧形相较梯形坡口形状，基材与修复区之间形成了良好的冶金结合，微观组织结构更均匀且硬度也有相应的提升，验证了仿真的正确性。     

大型构件激光增材连接热、力、变形数值分析

为研究大型构件激光同轴送粉增材连接过程中的热、力、变形，探明三者分布规律和演化特性，采用ANSYS参数化设计语言，通过编程，实现对连接过程的有限元数值仿真。结果表明，由于连接区域占比较小，热影响区集中分布在连接缝周围，当接缝之间距离较小时，热影响区产生重叠。接缝处应力在连接阶段和冷却阶段表现出不同特征：连接时，应力数值不高，应力集中也不明显；冷却初期，应力数值增大的同时范围趋于集中，一段时间后，应力会在高位稳定，接缝处形成集中高应力区。在边界条件制约下，框架纵向翘曲比较明显，圆柱孔连接后会产生形状误差。由于只存在根部与框架之间的变形协调约束，肋板会产生不同方向、角度的偏转。连接位置和约束方式对成形精度有很大影响。     

激光熔丝增材制造温度场的红外热像监测

为实现对增材制造成形件的精确控形控性，必须要对其热过程有一定科学认识。以真空环境下激光熔丝增材制造单道成形为例，利用红外热像技术对其热过程进行监测。比较分析送丝速度对温度场、热循环、冷却速率的影响规律，利用红外热分析对其成形熔敷道宽度及缺陷开展研究。结果表明:借助红外热像可实现对熔敷道温度场变化的监测，沿熔敷道长度成形方向，监测点对应最高温度和冷却速率分别呈现升高和降低趋势。随着送丝速度的增加，熔敷道长度1/4、2/4、3/4处监测点对应的冷却速率随之减小。此外，基于红外热分析可实现对熔敷道宽度预测以及对缺陷位置的定位。     

K418合金叶片激光再制造Inconel718覆层匹配与强化

为了解决K418合金叶片再制造熔覆层易开裂、结合界面处力学性能较差等难题，采用具有输入可调控、热输入可控制以及降低熔池及热影响区温度等优势的脉冲激光，得出在工艺参量为激光功率2.5kW、送粉速率37.5g/min、扫描速率8mm/s，载气气流3L/min下，K418基体与Inconel718熔覆层之间能够形成良好的冶金结合。结果表明，熔覆层显微组织依次由界面处平面晶、底部胞状晶、中部树枝晶及顶部等轴晶组成；经过对比优化下的工艺参量，获得了成形质量良好且无明显裂纹、气孔等缺陷的Inconel718熔覆层；通过基体与覆层的硬度测试，覆层整体硬度值在300HV左右且分布较为均匀，基体平均硬度在400HV以上、结合界面处硬度值为460.46HV，相对于基体提升了12%；物相形分析表明，Inconel718熔覆层与基体K418性能匹配较好，激光再制造凝固成形时经历了L→γ→(γ+MC)→(γ+laves)的凝固过程，脉冲激光的热输入对基体K418合金热影响区完成了γ′相的固溶再析出过程，界面处沿晶界析出少量的二次析出相laves相和MC相对熔覆层及界面处晶界起到钉扎晶界、阻碍滑移的强化作用。试验相关工艺及参量为K418叶片激光再制造提供了借鉴和分析。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金激光熔凝的热效应模拟

为了研究激光增材制备非晶合金过程中熔池和热影响区的成形机制, 利用有限元软件ANSYS, 对激光增材制造技术的基础过程-激光快速熔凝Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的热效应进行了数值模拟分析。结果表明, 激光单点熔凝时, 熔池的平均冷却速率为6.3×104K/s, 热影响区的平均冷却速率为1.4×104K/s, 远高于Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的临界冷却速率1.5K/s, 说明激光单点熔凝的热变化满足非晶合金的生长条件; 激光单道熔凝过程中, 熔池的平均冷却速率仍比较高, 为2.11×102K/s, 但热影响区的平均冷却速率较低, 为74K/s, 且热影响区会产生弛豫累积, 可能造成一定程度的晶化。此研究为激光增材制备非晶合金材料提供热效应的理论基础。     

低热输入脉冲激光修复高温合金液化裂纹研究

研究了K452高温合金激光增材修复时的开裂特性及液化裂纹产生机理,采用低热输入脉冲激光工艺控制液化裂纹的产生,研究了修复区域的显微组织和力学性能。结果表明,K452高温合金在激光增材修复过程中容易产生液化裂纹,裂纹通常起源于热影响区且沿晶界向基体和修复区域扩展;拉应力作用下热影响区晶界上的液膜形成了液化裂纹。低热输入脉冲激光工艺可以有效控制液化裂纹的产生,脉冲激光修复试样修复区的平均硬度为267.9 HV;抗拉强度和屈服强度分别为814.3 MPa和685.8 MPa,略大于铸态基体的强度;延伸率为4.87%,略小于铸态基体的6.25%。低热输入脉冲激光工艺实现了无裂纹的开槽修复,铸态修复试样强度达到了铸态基体的强度标准,延伸率略低于铸态基体。     

复合热源钛合金熔丝高质量增材制造工艺研究

针对钛合金熔丝增材制造零件表面粗糙度差、尺寸精度低的问题，提出了高质量复合热源熔丝成形工艺。以激光和焦耳热为热源，选用直径为0.3 mm的TC4钛合金细丝为沉积材料，首先通过焦耳电流预热金属丝，然后以低功率激光加热形成小尺寸熔池，随着基板的运动，金属丝被持续送入熔池并稳定沉积。通过单道沉积试验，研究了工艺参数对单道沉积层几何特征的影响规律。结果表明：当激光功率在50～200 W、送丝速度在60～360 mm/min的范围内变化时，工艺参数对沉积层几何特征的影响显著；当移动速度在30～360 mm/min的范围内增加时，沉积层宽度减小，高度稳定；当焦耳电流增大至10 A时，出现了周期性丝材熔断，恶化了沉积形貌和沉积稳定性。在稳定沉积参数组合（激光功率为125 W，送丝速度为240 mm/min，移动速度为300 mm/min，焦耳电流为8 A）的基础上，以25 W的降序功率梯度进行过渡，优化了坍塌、变形等缺陷，获得了高质量的钛合金薄壁件，其表面粗糙度（Ra）为1.776μm，平均壁厚为0.648 mm，平均壁厚偏差为0.004 mm，优于主流的送丝增材制造工艺，且沉积态试样在移动方向和沉...     

基于温度场评估的激光熔覆顺序决策方法研究

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法,采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析,并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法,即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场,根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明,取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV,620.58HV,623.34HV,680.09HV,673.58HV和683.01HV,变形均值为0.9722mm和0.6458mm;评估选择法有最均匀的温度场,熔池周围有最大的温度梯度,其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度,同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。     

热变形条件对激光增材制造TC18钛合金组织及变形行为的影响

通过单轴等温热压缩实验,研究了激光增材制造TC18钛合金在不同变形条件下的热变形行为,分析了其流变应力-应变规律和动态软化机制,建立了峰值应力本构方程。结果表明,激光增材制造TC18钛合金的流变应力-应变曲线表现为连续软化和稳态流变两种特征,其激活能为476.8kJ·mol~(-1)。当热加工温度处于α+β两相区时,软化机制为动态回复;而当热加工温度处于β单相区时,软化机制为动态再结晶。激光增材制造TC18钛合金较理想的热加工工艺参数:变形温度为830~880℃、应变速率为0.001~0.003s~(-1)和变形温度为750~760℃、应变速率为0.001~0.002s~(-1)。     

金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

激光增材修复15-5PH不锈钢的组织及力学性能

为保证15-5PH零件激光增材修复后的综合力学性能可以满足使用要求,在优化的工艺参数下进行块体试样的激光熔覆成形试验,分析熔覆层及热影响区的组织及力学性能。结果表明：熔覆层组织形态为垂直于熔道搭接面生长的柱状枝晶,除马氏体外,存在少量残余奥氏体及δ铁素体,熔覆层平均硬度约为355 HV,具有较高的强度与塑性,但屈服强度较低;相变区组织晶粒明显细化,显微硬度自熔合面开始逐渐升高,在熔合界面下方约0.5 mm处达到峰值硬度(约420 HV),相变区下方为高温回火区,硬度降低至360 HV左右并随深度增加逐渐恢复至基材水平,回火区域宽度较窄,对基体力学性能影响较小,热影响区试样在保持拉伸强度的同时塑性略有提升。厚度方向上熔覆层占比50%时,在不经热处理的情况下,激光增材修复试样的拉伸性能可以达到热处理后基材90%以上的水平。     

增材316L不锈钢的激光冲击强化研究

增材制造与激光冲击强化技术相结合,以提高增材制造打印产品的力学性能。本文以316L不锈钢粉末为实验原料,通过同轴送粉式增材制造工艺获得实验试件;利用SIA LSP 23系列激光冲击强化系统在不同激光能量下对增材316L不锈钢试件进行处理,研究了增材316L不锈钢实验试件激光冲击强化处理前后的残余应力、显微硬度和抗拉强度。经激光冲击强化处理,增材316L不锈钢近表面引入了残余压应力、并伴随着显微硬度和抗拉强度的显著提高;所引入的残余压应力、显微硬度和抗拉强度随激光能量的增加而增加,表明较高的激光能量能够获得较好的激光冲击强化效果;激光冲击强化作用后的增材316L不锈钢的截面显微硬度分布规律与残余应力分布规律类似,但显微硬化层深度要比残余压应力层深度要深0.15～0.25mm。激光冲击强化可作为一项后处理技术用来提高增材制造打印产品的力学性能。     

不同工艺策略对机器人增减材复合制造316L不锈钢表面质量和力学性能影响的研究

针对激光定向能量沉积（LDED）成形零件尺寸精度低、表面粗糙度大的问题，采用机器人增减材复合制造平台，研究了不同工艺策略（先增材后减材成形及增减材交替成形）对增减材成形316L不锈钢试样表面质量和力学性能的影响，阐明了增减材交替工艺策略的层间作用对成形试样表面质量和力学性能的影响机理。对增材和减材工艺参数进行优化，确定优化后的参数为激光扫描间距2.5 mm、刀具主轴转速3600 r/min、刀具进给速度3 mm/s、铣削深度0.3 mm和铣削宽度3 mm，并采用该优化参数在不同工艺策略下成形了316L不锈钢试样。结果显示：先增材后减材和增减材交替成形试样的力学性能相当，增减材交替工艺策略可以实现内部结构复杂的316L不锈钢零件的成形，对零件成形性能没有消极影响。最后采用增减材交替工艺策略进行了阀门模具的制造，验证了增减材复合制造工艺的工业应用可行性。     

多层单道电弧增材表面3-D重构方法研究

为了研究多层单道电弧增材表面3-D成形特征，采用激光视觉传感系统采集电弧增材制造表面条纹图像。提出基于边界约束条件的感兴趣区域(ROI)提取法对焊缝特征曲线进行定位，获取ROI的激光条纹像素坐标。进行了理论分析和实验验证，得到电弧增材表面的3-D离散点数据，采用Delaunay三角剖分对离散点拟合形成3-D实体表面。结果表明，锯齿靶标的线性标定方法，3-D重构精度在0.2mm以内; 基于边界约束条件的ROI提取方法能准确定位电弧增材上表面和侧表面的条纹特征曲线。这一结果对电弧增材表面的3-D成形检测是有帮助的。     

灰铸铁表面激光重熔的数值模拟与工艺试验

通过建立三维瞬态仿真模型,分析了HT250灰铸铁在激光重熔过程中的温度分布及其变化规律,探讨了激光功率对激光熔池温度场的影响.利用超景深显微镜和扫描电镜,观察了激光单熔道的几何特征和显微组织,用硬度计测试了熔道横截面的显微硬度.研究结果表明,激光重熔后,熔道呈半圆弧形,由表层向内依次为重熔区、热影响区和母材,激光功率增...     

FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造成形试验分析

针对鼓风机用FV520(B)钢叶片根部气蚀裂纹的激光再制造,采用正交化试验方法优化再制造工艺参数;通过分析FV520(B)钢叶片模拟件根部破损情况,制定激光扫描修复方案,观察和分析修复部位金相显微组织及物相组成,并对熔覆层硬度进行测试。试验结果表明:激光功率1.1 kW、扫描速度250 mm/min、送粉速率8.10 g/min及载气流量150 L/h为该再制造系统下该材料优化工艺参数;采用多种扫描路径相综合的修复方式,减少层间热累积效应,使修复件尺寸精度保持在0.8 mm之内;熔覆层和基体为良好的冶金结合,熔覆层表面显微硬度最高,平均值达到675 HV0.2,结合界面处硬度值达到610 HV0.2,具有较好的组织结构和硬度性能。     

激光内送粉变宽扫描成形变壁厚扭曲叶片

传统激光熔覆增材制造方法一般采用等线宽扫描,难以实现单道连续变宽成形。设计了变壁厚扭曲叶片模型,利用光内送粉喷头直接变焦法变化光斑直径,采用层高控制系统测量不同宽度处的实际堆积高度。设计PI控制器,通过变化扫描速度,控制不同宽度处的熔道堆积层高一致,保证成形精度。通过连续变焦与闭环控制算法,实现了变壁厚扭曲叶片激光熔覆连续变宽扫描成形。结果表明:扭曲叶片在壁厚2.52~6.18 mm范围内均匀变化,最大壁厚误差为-0.58 mm;各段高度大致相同,最大高度误差为-0.22 mm;不同壁厚处的显微组织较为致密均匀。     

增减材复合加工零件残余应力和变形研究

为了改善增减材复合加工零件的残余应力和扭曲变形,提高零件的加工精度和表面质量,开发了一种基于Simu-fact Welding有限元软件的仿真方法.利用Simufact Welding软件,模拟了激光增材过程中,激光功率、扫描速度和光斑直径对整个零件残余应力分布的影响.利用X射线应力测定仪,测定了增减材复合加工零件内外...     

层合板激光往复扫描弯曲中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素,因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件,建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布,结合自由端的变形,分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明:随着往复扫描次数的增加,温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡,中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后,激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用,使翘曲变形增大,1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm,但随着扫描次数增加,促进作用减弱,弦高增长量略降低,最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果,温度场最大误差为9.85%,翘曲线Z向位移最大误差为4.33%,其中,弦高误差为2.16%,为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。