选择性激光烧结金属件翘曲与开裂问题的研究进展

烧结件翘曲与开裂始终是选择性激光烧结的难题之一。本文简要介绍了选择性激光烧结技术的基本原理;详细阐述了翘曲与开裂的机理,总结了影响烧结件翘曲和开裂的一些因素,并分析了选择性激光烧结技术中的温度场与热应力场;最后,提出了选择性激光烧结技术进一步研究的方向。     

激光弯曲成形机理与翘曲抑制研究

针对TA15钛合金材料,建立激光弯曲成形的三维热力耦合有限元仿真模型,得到不同加工参数下的材料温度场及变形场。通过搭建弯曲试验和测试系统,获得了部分加工参数下钛合金板的温度场和变形数据,并与仿真数据进行对比,验证了数值模型的有效性。基于板材厚度方向温度和塑性应变的分布,明确了在激光弯曲成形中的主导机制。研究了激光弯曲成形中的翘曲变形现象,提出可用于抑制翘曲变形的来回扫描加工方法。     

激光制造中金属熔池光谱检测系统设计及波长校准

针对激光制造过程中的高温金属熔池光谱特征分析,提出采用CCD光栅检测光谱技术检测其分布.检测了钨灯、钠灯、氘灯和汞灯的光谱曲线,得到了其在对应特征波长处光强随波长的分布,根据检测结果对系统进行了波长校准.结果表明,系统有比较高的波长准确度,对连续光谱、线光谱均能实现较稳定的检测.结合激光制造的实际情况,避开强激光反射的影响,该系统将能用于激光制造过程中的熔池光谱检测,为进一步分析激光熔池动态信息提供新的技术手段.     

TIG焊快速制造激光视觉检测系统的研究

为了研究钨极惰性气体保护焊(TIG)快速制造中金属结构成形的效果及工件变形情况,获取金属结构高度及其变化范围,通过对激光视觉传感所得到的图像进行分析,采用激光视觉检测的方法,制作了一种激光视觉检测系统。经与实验获得的实际金属结构高度数据对比,得到金属结构高度检测的误差在单道焊缝的自然成形的高度误差范围内的结果。结果表明,该方法可以比较有效地获得金属结构高度及母材工件变形情况。     

Al元素含量对激光沉积制造GH4169合金组织的影响

通过机械混粉的方式在常规GH4169合金粉末中加入一定比例的Al粉末(质量分数分别为0、0.50%和0.85%),通过激光沉积制造技术进行块体材料的制备,研究Al元素含量变化对GH4169合金沉积态及热处理态试样微观组织的影响,并对不同成分合金的高温组织稳定性进行深入分析。结果表明：激光沉积制造不同Al含量GH4169合金沉积态试样的显微组织均表现为外延生长的柱状晶特征,随着Al含量的增加,Laves相与枝晶间区域的元素偏析程度降低,合金的二次枝晶形貌逐渐发达。差式扫描热结果显示：随着Al含量的增加,NbC碳化物和γ基体的熔点降低;经固溶+时效热处理[980℃/1 h,空冷(AC), 720℃/8 h,炉冷(降温速率为50℃/h)至620℃/8 h, AC]后,Laves相大量溶解,针状δ相析出,且随着Al含量的增加,δ相发生碎化;不同成分合金经680℃/100 h高温时效热处理后,δ相数量随着Al元素含量的增加先减少再增加,GH4169+0.5Al合金的δ相数量最少,组织的热稳定性最好。     

激光制造中金属粉末流浓度场的检测

研究激光同轴送粉中金属粉末流场的分布特性,对指导激光制造技术应用具有直接指导意义。重点研究了激光制造中同轴送粉条件下金属粉末流的浓度场,建立了同轴送粉嘴金属粉末流的浓度场理论模型,开发了一种新型数字粒子图像检测系统检测粉末流浓度场。该系统主要包括Nd3 ∶YAG激光器和CCD相机。它具有非接触测量、检测速度快、能同时给出流场的三维信息等特点。实验结果表明,粉末流的聚焦参数和浓度场分布可以通过数字粒子图像检测技术进行检测,为指导同轴粉嘴设计和激光制造粉末流参数测定提供了新的手段。     

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。     

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。     

金属表面激光熔化后的表面开裂研究

本文从理论上分析了激光熔化表面的开裂原因。提出了预防激光熔化表面开裂的途径,并实验验证了可行性。     

金属增材制造构件的激光超声无损检测研究进展

金属增材制造技术具有高效成型、节省材料和短加工周期等优点,能突破传统制造工艺的局限生产出空间结构复杂的构件,深受汽车工业、航空航天和医疗器械等领域的青睐。然而,增材制造技术在成形过程中产生的未熔合、裂纹和孔洞等缺陷限制了增材制造技术在工业上的推广与广泛应用。因此,金属增材制造产品的质量控制特别是在线监测具有重要意义。超声检测是材料内部缺陷最常用的手段。相较于传统超声无损检测技术,激光超声无损检测具有非接触、灵敏度高和适用于恶劣环境等优势,可以实现快速在线监测。本文扼要地介绍了金属增材制造和激光超声无损检测的技术特点,分析了激光超声的两种作用机制,简单地介绍了激光超声无损检测的原理和检测系统的搭建,系统地总结了国内外激光超声无损检测在普通金属材料和增材制造材料上的应用进展,并对激光超声无损检测技术应用于增材制造过程进行了展望。     

摆动激光熔丝沉积增材制造2319铝合金工艺研究

主要采用摆动激光熔丝沉积2319铝合金,通过优化工艺获得了良好的工艺窗口,研究沉积工艺对成形的影响规律。结果表明,相比光斑不摆动,摆动激光沉积2319铝合金能够减少沉积过程中的气孔和裂纹,改善沉积成形和工艺稳定性。其中圆形摆动和“∞”形摆动的成形最好,圆形摆动的热输入最小,最小为12.4 J/mm³。在50%搭接率的条件下获得的沉积层最平整。随着沉积层数的增加,气孔数量增加,成形逐渐稳定,最终在圆形摆动模式下获得了成形良好的沉积样品,沉积态下,XYZ方向的抗拉强度和延伸率分别为246 MPa、17.9%,267 MPa、8.9%,266 MPa、11.1%,样品的各向异性表现不明显。     

金属增材制造内部缺陷激光热波检测方法研究

金属增材制造是近年来发展迅速的一种高效材料加工技术,为了保障构筑件的质量和可靠性,应避免其内部形成对结构力学性能有显著影响的缺陷。本文研究了激光红外热成像检测技术在金属增材制造亚表面缺陷检测上的应用。首先,基于有限元仿真结果,研究了激光红外热成像检测对不同深度和尺寸的金属亚表面缺陷检测的可靠性,进一步地,考虑了粗糙表面对检测的影响,并对比验证了常用红外热成像序列处理算法的噪声干扰抑制性能;最后,对加工有人工内部缺陷的选择性激光熔融试件进行了实验验证。仿真和实验结果表明,激光红外热成像检测可以可靠地检出宽深比大于1的金属增材制造内部亚表面缺陷,通过常用的热成像序列预处理方法,可以有效地抑制粗糙表面干扰造成的空间噪声,此外,由于激光红外热成像检测技术具备高效、非接触以及可视化的优势,有望成为金属增材制造在线监测的可靠技术。     

激光微沉积合金粉末制造薄壁零件的试验研究

为了直接制备出壁厚均匀的精细薄壁零件,试验研究了激光微沉积StelliteF合金粉末的工艺参数对壁厚均匀性及沉积过程稳定性的影响。通过对激光微沉积薄壁的截面组织及形貌的分析表明,沉积过程的热散失条件影响壁厚的均匀性;选择合适选择合适的工艺参数,可沉积出表面粗糙度Ra低于10μm、内部组织致密、厚度均匀(壁厚约0.4mm)的薄壁零件。结果表明,激光微沉积合金粉末技术在细小零件的激光表面改性及高精度小型零件的直接制备方面具有很好的应用开发前景。     

激光直接金属沉积工艺能效的田口试验研究

为了研究金属激光直接沉积工艺过程中工艺参量对工艺能效的影响,采用自主研发的HCX60五轴激光复合制造机床开展工艺能效田口试验,并对其结果进行了信噪比分析、极差分析以及方差分析,得到激光功率、送粉量、扫描速率、提升量以及搭接率对工艺能效的影响主次关系,提出了工艺因素优化组合。结果表明,送粉量对工艺能效的影响最为显著,最佳参量组合为激光功率P=500W,送粉量f=28g/min,扫描速率v=600mm/min,提升量h=0.6mm和搭接率λ=30%。这为研究增材制造工艺参量对工艺能效的作用及影响规律提供了理论借鉴和实验基础。     

脉冲激光沉积薄膜技术研究新进展

脉冲激光沉积薄膜是近年来发展起来的使用范围最广、最有希望的制膜技术。陈述了其原理、特点、研究方法,总结了超快脉冲激光、脉冲激光真空弧、双光束脉冲激光沉积等最新的PLD薄膜制备技术研究进展。     

钛合金激光送丝沉积增材制造技术研究进展

与其他钛合金成形工艺相比,激光送丝沉积增材制造技术既能够制造出结构复杂、尺寸精度高、综合性能好的钛合金关键构件,又能解决传统钛合金增材制造技术存在的成本高、材料利用率低和效率低等问题。目前激光送丝沉积技术正处于实验室向工程化应用的过渡阶段,建立材料-工艺-组织-性能的一体化设计、制造与调控理论方法是突破现有问题的发展方向,国内外研究者在此方面开展了许多探索工作。本文总结介绍了钛合金激光送丝沉积技术的基本原理和工艺分类,讨论了激光送丝沉积钛合金的组织、性能及调控方法的研究进展,并展望其未来研究目标与发展趋势。     

基于固有应变法的激光增材制造特征结构应力与变形高效预测

在激光粉末床熔融过程中,热循环和热积累导致零件产生残余应力和变形,对零件的成形精度带来极大的影响。由于计算量过大,利用热弹塑性模型难以实现尺寸较大的结构残余应力和变形的模拟。为了实现快速准确的预测,基于改进的固有应变理论,从热弹塑性模型中提取固有应变矢量并逐层施加至典型特征结构中,系统性地研究了四种扫描策略下特征结构的残余应力和变形分布。研究发现,在不同扫描策略下,薄壁结构、悬臂梁和悬垂圆孔结构表现出相同的变形趋势,即扫描方向沿短边时变形最小。其原因一为扫描方向沿短边方向时扫描矢量长度较小,二为相同应力下短边变形小于长边变形,从而产生小的残余应力及变形。对悬垂结构增加支撑有利于减小翘曲变形,提高成形质量。在悬垂圆孔结构外侧,随打印高度逐渐增大的竖直方向的拉应力是影响其变形的主要原因。所得结果可对获得低应力、高精度增材制造结构以及提高增材制造成形质量提供有效技术支撑。     

磁场辅助激光沉积涂层微观组织与性能研究

为了改善激光沉积过程中,涂层出现气孔、裂纹与基材结合不良等缺陷,采用旋转磁场辅助激光沉积的方法,在304奥氏体不锈钢制备了Fe106+镍包碳化钨(质量分数为0.05)复合涂层。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光共聚焦扫描显微镜等表征手段进行了组织结构和物相分析,通过硬度计、摩擦磨损试验机对其耐磨性进行测定。结果表明,旋转磁场可以抑制熔池流动,促进了涂层组织细晶强化和匀质效应;磁场强度为70mT时涂层显微硬度是无磁场涂层的1.16倍;相同的磨损条件下,磁场强度为70mT的涂层比无磁场涂层失重降低了64.2%,耐磨性得到明显改善。利用磁场辅助激光沉积对改善激光沉积缺陷是有帮助的。