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。     

基于CCD激光熔覆成形过程在线监测与控制

激光熔覆快速成形过程中,熔覆层高度是由激光参数,加工工艺,粉末材料等多种因素共同决定。基于CCD实现了对成形过程的实时监测,并通过基于VC++开发的图像处理软件,有效的提取激光熔池中心到激光头之间的高度信息来控制熔覆堆积过程,从而确保了熔覆过程的顺利进行,提高了成形件的加工质量,为激光熔覆快速成形制造技术的在线监测提供了新的手段。     

异形基面三元叶片激光送粉增材制造研究

基于激光内送粉熔覆技术,进行了异形基面三元叶片的熔覆成形研究。根据三元叶片的大倾角、大扭曲等结构特征提出了流线分层法,解决了三元叶片成形过程中轨迹规划的问题。根据流线分层法得到了熔覆成形时光内送粉喷头的空间运动轨迹,并进行了三元叶片的熔覆成形。结果表明:三元叶片成形件的表面平整,表面平均粗糙度值在4.065μm以内,有效缓解了台阶效应;三元叶片与异形基面实现了较好的冶金结合,成形件的平均厚度为5.97 mm,厚度的相对误差为-1.4%～1.03%,扭转角的相对误差为-4.67%,成形精度较高;随着成形件高度的增加,激光熔池处的热积累明显,显微硬度略微降低,显微组织略微增大,成形件显微硬度在348.3～360.4 HV之间,金相组织整体致密均匀,无明显的孔洞或裂纹缺陷。     

激光快速成形过程的热行为及其影响

建立了激光快速成形(LRF)过程熔池的比色测温系统，分别采用实时跟踪和定点测量两种方式实现了熔池温度和熔池后沿冷却速率(温度梯度)的测量。结果表明，随着激光功率和送粉率的增大，熔池温度升高，熔池后沿冷却速率减小;随着激光扫描速度的增加，熔池温度下降，熔池后沿冷却速率增大。单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程温度检测结果发现，随着沉积层数和沉积道数的增加，成形过程呈现热累积效应，即熔池温度逐渐升高，而熔池后沿的冷却速率则呈现完全相反的趋势。     

激光熔覆熔池温度监测与控制系统的研究现状北大核心CSCD

激光熔覆是一种新兴的材料表面技术,近年来得到了快速发展。激光熔覆层的质量受熔覆过程中多种因素的影响,其中熔池温度是一个非常关键的因素,激光熔覆熔池温度的监测与控制系统的研究对提高熔覆层质量具有重大意义。介绍了激光熔覆熔池温度的检测方法,综述了目前激光熔覆熔池温度控制系统的研究现状,并列举了部分温度控制系统。根据目前国内外的发展现状提出了熔池温度监测与控制系统的发展方向。     

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。     

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。     

扫描路径对薄壁件激光熔覆涂层形变的影响

为了改善收割机割刀等薄壁件在激光熔覆提升性能时容易产生形变的状况，采用Nd:YAG激光加工系统在Hilbert分形式、轮廓偏置式和光栅式的3种不同的扫描路径下分别制备不同的铁基合金熔覆涂层，并取得了基材形变量和熔池深度等相关数据。结果表明，轮廓偏置式扫描路径在中心处的熔池深度最大，为0.75mm，且试样形变量达到了0.30mm；激光熔覆过程中熔池与其附近区域的温度梯度和基材形变量有着正相关的关系，熔池深度越大，温度越高，不同区域之间的温度梯度越大，产生的热应力越大，进而形变的倾向也会越大；光栅式扫描路径熔池深度随时间递增，温度梯度较小，故对基材的形变倾向较弱，且所制备的熔覆涂层质量较好，是适合于薄壁件激光熔覆的扫描路径。此研究对薄壁件激光熔覆具有指导意义。     

应用卡尔曼滤波技术的激光熔覆宽度检测

对金属零件激光成形过程闭环控制系统中,熔覆宽度的检测技术进行了研究,提出了一种基于卡尔曼滤波技术的熔覆宽度检测方法。利用视觉传感系统获取激光加工过程中的熔池图像,经过图像处理与图像标定求熔覆宽度作为参量建立系统状态方程和测量方程,应用卡尔曼滤波算法对图像上的熔宽和熔宽变化进行状态估计,得到最小均方差条件下的熔覆宽度最佳预测值,从而减小过程噪声和测量噪声引起的熔覆宽度测量偏差,测量平均误差由0.028 mm降为0.009 3 mm,实现加工过程熔覆宽度的精确检测。实验结果证明:将卡尔曼滤波技术应用到熔覆宽度检测过程中可以大大提高熔宽检测精度。     

激光熔覆精准再制造在线监测研究

针对激光熔覆过程由于热输入难以准确控制,导致成型精度及质量难以达到预期的问题,通过搭建激光熔覆熔池监控系统,准确测量熔池尺寸,得出熔覆参数与熔池形貌之间的关系.利用彩色CCD比色测温方法,获取能显示温度场分布的温度伪彩图.结果表明:随着激光功率的变化,熔池形貌会产生较大的变化,而送粉率的变化对熔池形貌的影响表现并不明显...     

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.     

激光熔池动态过程检测研究

提出采用CCD相机结合数字图像处理技术检测监控激光熔池方案，建立了激光熔池动态过程检测系统，开发了激光熔池图像处理专用软件，进行了激光熔敷实验研究。结果表明，该技术可以检测激光熔池温度和几何尺寸，记录熔池动态变化过程。进一步发展，可成为激光加工在线检测过程的有用工具。     

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。     

红外热像下激光熔丝成形过程冷却速率实时监测

激光熔丝增材制造技术是一种具备成形精度高和加工余量小的一体化制造技术,但由于其非平衡态凝固和复杂的传热传质等物理现象,使得很难通过常规手段监测得到其冷却速率。针对这一问题,提出了一种利用红外热像技术的熔池温度和冷却速率实时监测算法。该算法利用FLIR X6520sc型红外热像仪实时捕获增材制造过程中的温度场信号,通过定位温度场中心位置得到熔覆道各点的实时冷却速率,实现了熔覆道冷却速率的全过程实时监测。在此基础上,研究了不同工艺参数对熔池温度和冷却速率的影响规律。最后,探讨不同冷却速率对凝固组织的影响。研究结果发现:在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度从60 mm/min上升到300 mm/min,熔池温度减少了339 ℃,冷却速率却增加了1741 ℃/s;激光功率从200 W降低到100 W,冷却速率和熔池温度分别降低了264 ℃/s和420 ℃;随着送丝速度从120 mm/min升高到600 mm/min,熔池温度和冷却速率分别降低195 ℃和224 ℃/s;扫描速度是对冷却速率影响最大的因素,为后期研究闭环控制系统提供了基础。此外,随着冷却速率的增加,熔覆道经过快速凝固,其凝固组织得到显著细化。     

激光熔覆铁基TiC复合涂层成形质量的控制方法

为了揭示激光熔覆工艺参数对铁基TiC复合熔覆层成形质量的作用规律、优化激光熔覆工艺参数,使用YAG固体激光器在60Si2Mn基体上激光熔覆铁基TiC复合涂层,基于响应面法建立输出电流、脉冲宽度、扫描速率与熔覆层宽度、高度、熔池深度、宽高比、稀释率以及硬度之间的数学模型,并对模型进行方差分析,获得了工艺参数与成形质量之间...     

温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响

为了减少激光熔覆技术中因温度梯度大而产生的熔覆层裂纹，在激光熔覆过程中采用预热基体的方法来减小温度梯度。采用ANSYS软件建立45#钢基材上激光熔覆镍基金属粉末的多道搭接温度场有限元模型，通过热电偶测温验证模型的可靠性，利用建立的有限元模型分析熔覆层在熔覆过程中熔覆层边缘的温度梯度变化规律以及基材预热温度对熔覆层温度梯度的影响。结果表明，最大温度梯度位于熔覆层与基体结合界面的边缘，使得此处成为金属熔池凝固的极端条件，导致此处极易产生裂纹；在基材预热为200℃时，可以显著降低熔覆层凝固过程中的温度梯度，温度梯度的降低越明显，越能有效地抑制裂纹产生。通过模拟与实验的结合为实际激光熔覆制造提供了切实可行的参考依据。     

激光近净成形中熔池宽度实时监控系统的研究

在激光近净成形过程中,为了快速有效地获取熔池区域信息并加以控制,文设计了CCD同轴拍摄系统获取熔池的双色图像,可以准确地获得熔池区域的图像信息,并利用最小外接矩形图像处理方法快速有效地获取熔池宽度,通过PID控制器调节激光功率加以控制。实验表明,基于双色图像的CCD同轴拍摄方法和熔池宽度闭环控制系统有效解决了激光往复扫描下薄壁工件的边缘凸起和上下宽度不均匀的问题。     

高功率横流CO2激光熔池形成过程检测研究

检测激光熔池信息,研究其分布情况,对于控制激光熔池形貌,改进工艺设计,提高激光加工质量,具有重要意义.研制了一套激光熔池动态检测系统,实时检测了高功率横流CO2激光熔池的形成过程,并给出了其温度场分布情况.实验结果表明,刚开始形成的激光熔池由几个分熔池组成,经过一段时间后,形成一个完整的熔池.可通过调整能量密度较高的分光斑覆盖整个加工轨迹截面,优化加工速度和激光功率等参数,提高激光加工质量均匀性.