激光表面熔覆与合金化送粉装置的设计

设计了一种结构简单,载粉运动方向与激光光束保持一致,可对垂直表面进行加工,使用方便的激光表面熔覆与合金化送粉装置。并用所设计的送粉装置进行了激光表面熔覆实验,获得了较理想的加工效果。     

同步送粉大功率激光表面宽带熔覆技术

报道通过积分镜将激光光束聚焦成宽光带、配合同轴保护矩形送粉喷头实现大功率激光宽带熔覆的装置及其工艺试验结果,激光功率为14kw时,单道熔覆层宽度达45mm,厚度达3mm,熔覆层表面平整,厚度均匀.     

高汇聚温度显示激光快速制造同轴送粉喷嘴的研制

高汇聚同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一 ,同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚 ,粉末汇聚程度越高 ,则粉末利用率越高、制造精度越高。本文通过优化喷嘴结构设计 ,使喷嘴的汇聚率大大提高 ,所得到的熔覆道宽度可达到 1mm以内 ,通过加入导向气流 ,进一步提高了粉末的汇聚率 ,同时又对熔池进行保护 ,为提高激光直接制造的精度提供了可能性 ;喷嘴核心结构均通水冷却 ,使喷嘴在工作过程中始终保持较低温度 ,延长了使用寿命又保持了熔覆过程的稳定性 ;喷嘴上加装了温度传感器 ,随时监测喷嘴温度 ,一旦温度超过设定值 ,便给出报警信号 ;根据熔覆过程中对熔覆道宽窄要求的不同 ,喷嘴结构上设计了调节光斑大小的功能 ;为了确保激光束能从喷嘴的正中出来 ,使光束与粉末流完全同轴 ,喷嘴结构上设计了调节机构。利用此喷嘴进行激光熔覆 ,获得了较为满意的效果。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研究

送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一,直接影响着激光熔覆的效果。随着激光熔覆技术的发展,国内外对送粉喷嘴进行了深入研究,研制出了多种新型送粉喷嘴,都有效地提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理,分析了现有同轴送粉喷嘴现状,指出了现有送粉喷嘴存在的不足,提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一,并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究

同轴气动送粉激光熔覆过程中,金属粉末落入熔池的速度、浓度的分布等物理参数对熔覆层的形貌有一定的影响。DPIV(d igital partic le im age veloc im etry)是试验确定粉末流运动规律的有效方法,通过建立DPIV试验装置,对同轴载气送粉装置输送的粉末的速度、浓度进行了取值计算。结果表明,随气体流量的增加粉末的浓度有一定的减少。沿z轴方向,存在发散汇聚在发散的变化,粉末粒子流量与粒子速度在一定范围内有线性关系,超出Mp=0.33g/s~0.83g/s,Vp=0~1.3m/s范围,其影响将减弱。     

激光熔覆送粉自动控制装置研究

激光熔覆送粉自动控制装置是在刮板式送粉器的基础上,集成专用之字型的测量通道和传感器,通过测量通道中的粉末流量信号,以及对所测信号的分析计算,来控制粉嘴与转盘的间隙,控制转盘的转速,最后根据粉末流量的变化以及程序的要求,达到自动调节送粉置的目的.     

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题,采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法,没计了一系列孔式同轴送粉喷嘴(主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道),从而获得良好的粉末流形态,提高送粉激光熔覆的质量。用该系列喷嘴在竖直(90),60,30和水平(0)等工况下进行粉末汇集性实验,发现粉末汇集效果良好。通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验,送粉系统输送的粉末稳定、均匀,得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀,熔覆层与基体呈冶金结合。结果表明,孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求,并且能用来进行多种元素粉末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。     

送粉式激光熔覆过程中的激光能量控制

建立了送粉式激光熔覆的物理及数学模型,并利用有限元分析软件模拟了基体和激光束相互作用的温度场分布.结合数学模型和温度场分布图例讨论了熔覆过程中各个参数变化对激光功率重分配的影响,为熔覆过程中参数调整和优化提供了理论依据.     

激光再制造三维运动光束头

基于激光制造技术相关理论，设计并制造了激光同轴转动三维运动光束头。分析了三维运动光束头工艺参数对熔覆效果的影响，并讨论了其在工业应用实验中取得的效果。结果表明，该三维运动光束头能绕竖直轴转动和水平轴摆动;在参数一定的条件下，随着光束头摆动角度的增加，熔覆效果越来越不理想，理想的摆动角度为0°～45°;配合送粉头的粉末流聚焦及焦点可调功能，该光束头可以实现曲轴、螺杆、叶片等复杂型面零件的制造和再制造。     

钛合金激光表面改性技术研究现状

钛合金密度小,比强度高,具有良好的耐蚀性、疲劳抗力,广泛应用于航空航天、国防、汽车、医疗等领域.然而,钛合金摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点,制约了它的应用.表面改性技术,尤其是激光表面改性技术为这一问题的解决提供了一条有效的途径,综述了国内外钛合金激光表面改性技术的研究现状,主要介绍了激光熔覆、激光合金化和激光熔凝技术及其在钛合金表面改性中的应用,并对其存在的主要问题及当前的研究热点:激光表面改性工艺参量优化、激光改性过程中裂纹产生机理及裂纹控制、复合激光表面改性技术、纳米改性层、功能梯度改性层、激光原位合成、激光熔覆非晶涂层、超短脉冲激光表面改性以及激光改性过程的数值模拟等进行了讨论.     

同轴送粉对激光熔覆组织的细化作用

选用Ni基自熔合金粉末和Co基自熔合金粉末,在低碳钢基材上分别进行预置粉末和同轴送粉激光熔覆试验。激光功率2.0kW,光斑直径2.0mm,扫描速率0.15～0.25m/min。对熔覆层显微组织分析表明,同轴送粉熔覆层明显比预置熔覆层组织细密(前者为2.5～4.0μm,后者为5.0～10.0μm),并且具有较好的耐热冲击性。显然这是很有实际意义的,因为同轴送粉比预置粉末更易于实现自动化和大面积激光熔覆。     

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。     

激光同轴送粉喷嘴射流场研究

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大.研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析.结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦.喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场.     

激光变斑熔覆不等宽熔道的工艺实现及实验研究

为解决激光熔覆成形不等宽构件多道搭接产生的冷却不均匀、产生开裂等缺陷问题, 提高激光熔覆成形不等宽熔道的成形效率及成形质量。基于光内送粉方式在单道工艺中采用实时变激光光斑方法, 一次扫描而非多道搭接直接熔覆出不等宽熔道。实验结果表明: 在保证送粉量足够条件下, 变光斑过程中通过实时变扫描速度, 能够直接熔覆出高度增长一致, 宽度逐渐变化熔覆层; 随熔道宽度逐渐变宽过程中, 熔覆层显微组织树枝晶大小逐渐变细。为光内送粉激光熔覆成形薄壁变壁厚类零件的工艺提供指导。