送粉式激光熔覆熔池深度的分析模型及其影响因素

在分析送粉式激光熔覆过程中能量分配和粉末颗粒云对激光束衰减规律的基础上,通过建立能量平衡方程,推导出熔池深度与工艺参数之间的定量关系表达式,系统分析了影响熔池深度的因素。结合相关的物理参数、工艺参数和金相检测的熔覆层宏观参数,对方程进行了理论计算。同金相法实际检测的熔池深度相比,理论值高于实际值,两者反映的规律是一致的,客观地反映了激光熔覆中工艺参数和工艺结果之间的关系。在激光参数保持不变的条件下,熔池深度随扫描速度和送粉速率的增大而减小。为熔覆工艺参数的优化、熔覆层质量的评定和现场控制系统的设计提供了理论依据。     

送粉式激光熔覆温度场有限元分析

采用有限元方法建立了送粉式激光熔覆过程温度场分析的数学模型，模拟了熔覆过程温度场的分布情况，模拟结果与试验结果基本吻合，表明可以采用此计算方法提供的初始温度值和非接触测量温度变化量来控制激光熔覆工艺参数。模拟结果发现，激光熔覆过程表现为急热急冷的特征；温度梯度较大，最大温度梯度出现在熔池附近和熔覆层与基体交界的边界处。     

送粉式激光熔覆热和熔覆材料有效利用率影响因素的研究

通过改变激光熔覆工艺参数获得相应的熔覆层并对其进行了细致的研究,对激光热有效利用率、熔覆材料有效利用率、熔覆层稀释率及有关界面问题进行了综合评述。找出了工艺参数对其影响规律,指出了送粉装置与工艺参数间的合理匹配能获得最佳的激光热有效利用率、熔覆材料有效利用率。同时,对搭接熔覆时的搭接率的确定原则进行了详细的评述。为获得良好的结合界面提供了实验证据,为制定送粉激光熔覆工艺规程提供了理论依据。     

激光熔覆熔池图像检测研究

针对激光熔覆系统建立了熔池图像采集系统,并对采集的熔池图像进行处理,获得了熔池的面积。利用该检测系统研究了不同激光功率、扫描速度、送粉率条件下的熔池图像变化规律。同时,研究了不同工艺参数条件下,熔池图像与熔覆质量之间的关系。     

送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟

提出了一种送粉激光熔覆中熔覆层表面形状及厚度的计算模型。将熔覆过程中固相区、两相区和液相区作为一连续介质，用非稳态固液相变统一模型来描述其流场与温度场，并采用固定网格移动坐标来处理带移动热源的流动与传热问题。能量方程用显焓表示，有关潜热的非稳态项与对流项均做为其源项处理。用Lambert—Beer定理和米氏理论计算粉末流与激光光束的相互作用，使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟程序是在流体动力学软件PHOENICS基础上，通过添加源项、边界条件、熔覆层轨迹计算以及激光束和粉末流相互作用等相应模块实现。对钢基底上熔覆钴基合金Stellite6进行模拟所得到的计算结果与实验结果基本一致。     

自动送粉法激光熔覆的工艺操作图

使用自动送粉装置及２ｋＷ ＣＯ２激光器在Ｑ２３５钢板上进行钴基合金的激光熔覆试验，研究了激光熔覆过程中主要综合工艺参数对熔覆宏观形貌的影响以及激光熔覆临界状态与最佳状态间的联系，以此为依据建立了自动送粉法激光熔覆的工艺操作图。     

激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展

激光熔覆是近年来蓬勃发展的新型制造技术,很多研究试图从激光熔池的检测入手来提高激光熔覆工艺的自动化程度,进而提高生产效率。针对同步送粉激光熔覆工艺中熔池检测控制技术近年来的研究状况进行了综述。首先介绍了各种类型的检测设备及其安装方法;其次介绍了熔覆工艺参数对检测信号的影响及熔池检测信号同熔覆质量之间的关系;然后介绍了基于熔池检测技术的激光熔覆闭环控制系统;最后认为目前的熔池检测控制研究中,熔池中的有效信息还可进一步挖掘,以提高熔覆质量、自动化程度及生产效率。     

宽带送粉激光熔覆稀释率的控制

在分析激光熔覆冶金过程的基础上,依据不同的计算单元,提出了单位时间、作用时间和单位长度稀释度的概念,推导出激光熔覆过程中稀释率的表达式。在利用金相法检测的基础上,结合相关的物理参数对稀释率进行了计算,系统分析了影响因素。结果表明,单位时间、作用时间和单位长度稀释率具有相同的方程,在激光参数保持恒定的条件下,稀释率均随扫描速度的增加而减小,随送粉速度的增大而变小。计算值小于几何稀释率。提出了激光熔覆熔池对流模型,并通过了试验验证。     

送粉激光熔覆工艺参数与熔覆层参数间的关系

从理论上推导出熔覆层参数与激光熔覆工艺参数间的关系式。论述了关于激光热有效利用率β、稀释率η的实验检测方法并在结定激光功率Ｐ、扫描速度Ｖ、光斑直径ｄ下,通过调整送粉率Ｖｆ获得不同厚度的熔覆层,实际检测与计算理论值进行比较,得吻合得到很好。为分析问题方便,提出了能够反映熔覆层界面真实状况的真实稀释率η的概念。     

激光熔覆与氩弧焊熔覆、焊条电弧焊熔覆的比较

比较了激光熔覆、氩弧焊熔覆和焊条电弧焊熔覆在试样热变形量、熔覆层几何特征、熔覆效率和设备投资方面的差异.结果表明:这三种工艺各有优缺点,从而有不同的应用领域.本文还指出了导致上述差异的重要原因.     

送粉式激光熔覆层横截面面积的分析模型

在分析自动送粉式激光熔覆材料加入方式、粉粒运动规律、吸热特性以及粉末云对激光束强度衰减规律的基础上,给出粉粒速度、激光作用效率及熔覆层横截面面积的计算公式;结合相关的材料物理参数和工艺参数进行理论计算,利用金相法实际检测了熔覆层的横截面面积。结果表明,理论值与实际值反映的规律相同,客观地反映了激光熔覆工艺参数与结果之间的关系。     

送粉式激光熔覆层质量与工艺参数之间的关系

系统地研究了Ni基合金自动送粉激光熔覆工艺参数对熔覆层稀释率的影响规律。为解释送粉速率和扫描速度对稀释度的的影响,利用金相法检测了不同工艺条件下单道熔覆层的宏观参数,定量计算了LimL.C提出的单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输入的比能两个重要参数。利用单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输入的比能随工艺参数的变化规律,成功的解释了在激光参数一定的条件下稀释率随扫描速度的增加而减小,随送粉速率的增加而减小为进一步研究熔覆层的凝固行为、显微组织与工艺参数的关系奠定了理论基础。     

激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层的研究

采用自动送粉模式在碳钢表面原位激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层。测试了涂层的温度场并模拟计算了光斑能量分布。用XRD表征了粉末和涂层的物相,用SEM分析了涂层表面和横截面的显微组织。研究表明光斑直径大小对熔覆涂层温度分布和涂层微观结构、性能的影响显著。当光斑直径为2.8mm时,能量分布为“尖顶帽状”模式,涂层为均匀的枝晶组织且致密,其显微硬度最高可以达到1280HV。     

送粉式宽带激光熔覆—搭接基础理论的研究

研究了大面积送粉激光熔覆搭接技术—搭接系数选择的理论依据,推导出搭接条件下粉末有效利用系数和稀释率的表达式,并利用金相检测出的熔覆层宏观参数及相关的物理参数对不同搭接条件下的粉末有效利用系数ε和稀释率η进行了计算。     

送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响

引入经典光学理论计算激光束与粉末流的相互作用，藉此研究了送粉速率对工件表面激光强度分布和不同位置颗粒温度的影响。计算结果表明：随送粉速率的增加，激光强度以及颗粒温度的最高值都显著降低：同时，激光强度分布和不同位置颗粒温度趋于均匀。由于对激光熔池中动力学过程的潜在影响，这些结果应在描述激光熔覆过程的数学模型中加以考虑。     

宽带激光熔覆显微组织和性能的研究

利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱分析、显微硬度和快速磨损试验，系统分析了宽带送粉激光熔覆铁基合金的显微组织特征和碳化物的分布规律。利用熔池局部凝固特性参数如温度梯度G、界面推移速度Vg和冷却速率，并结合凝固理论对熔覆层层显微组织的不均匀性产生的原因进行了探讨。对熔覆层进行逐层剥离，金相跟踪检测，采用快速磨损的方法，逐层探索熔覆层沿溶深方向组织和性能的变化规律，为今后激光熔覆工艺的设计和熔覆层几何尺寸的选择提供了理论依据。     

转镜参数对送粉式激光熔覆工艺过程的影响

从理论上分析了激光熔覆光源的形成原理及转镜参数对光源能量分布的影响 ,结果表明 ,在其它条件不变的情况下 ,随着转镜棱数m增加 ,激光熔覆光源长度减小 ;而转镜转速n越高 ,激光熔覆光源的能量分布越均匀。通过对不同转速条件下获得试样的金相组织、熔覆层尺寸和熔覆层硬度的分析测试 ,试验结果表明 ,熔覆层不同区域的组织形态随转镜转速的变化均有所变化 ;熔覆层宽度和厚度随转镜转速的增加而增大 ;熔覆层硬度随转镜转速的增加虽略有下降 ,但影响不大。     

不同送粉速度对TC4钛合金表面激光熔覆的影响

采用光纤激光对TC4钛合金表面进行熔覆改性,研究送粉速度对熔覆工艺过程和熔覆层性能的影响。采用高速摄像机拍摄了加热粉末在空间的分布形貌,采用光学显微镜观察了熔覆层横截面形貌,采用EDS分析了熔覆层的氮含量分布,并测量了熔覆层横截面的显微硬度。实验表明,送粉速度较小时,粉末吸收少量激光能量,熔池较大,熔覆层宽而浅;送粉速度较大时,粉末吸收大量激光能量,熔池较小,熔覆层窄而深。当送粉速度较大时,熔覆层的氮元素含量和显微硬度均分布基本均匀,无明显梯度;随送粉速度增加,熔覆层显微硬度会增加,并稳定在约9.3 GPa。