提升分区搭接质量的激光选区熔化扫描策略

多激光束并行打印需要对当前打印层进行分区扫描。分区扫描策略对激光选区熔化制造成形件的表面质量、残余应力与变形量、力学性能有着很重要的影响。通过分析传统分区扫描策略的局限性,本文提出一种三角波条带扫描策略,利用实验对比分析了三角波条带扫描策略和传统的条带和棋盘分区扫描策略打印的316L不锈钢样品的致密度、残余应力与变形量、拉伸强度、维氏硬度和表面搭接区成形质量。结果表明,三角波条带扫描策略改善了搭接区质量,提高了试样的拉伸强度与维氏硬度,316L不锈钢样品的致密度达99.74%。因此,三角波条带扫描策略有利于改善激光选区熔化成形质量,为多激光束并行打印提供了一种新思路。     

选区顺序对激光直接制造TC4残余应力及变形的影响

为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力,研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验,并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明:不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著,采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形,与随机选区顺序相比,基底最大变形量降低60%,但是在沉积层引入了较大的残余应力,最大残余应力达到了392 MPa;随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小,最大残余应力仅约93 MPa,残余应力分布更为均匀。因此,分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。     

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...     

扫描策略对激光粉末床熔融W-Ti重合金致密化、残余应力及力学性能的影响

采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术在不同扫描策略（岛状、之字形、重熔扫描策略）下制备了W-Ti重合金,研究了扫描策略对W-Ti合金致密化行为、残余应力分布及纳米硬度、抗压强度、断裂应变等力学性能的影响规律。研究结果表明：使用岛状扫描策略可以有效抑制试样内部的孔隙、裂纹等冶金缺陷,且成形件层间冶金结合良好,致密度可达99.4%;岛状扫描策略下成形试样的残余应力分布较均匀,纳米硬度为8.44 GPa,极限抗压强度和断裂应变可达1906 MPa和20.4%,均为三种扫描策略下的最高值。本实验研究明晰了激光扫描策略与LPBF成形W-Ti合金力学性能之间的关系,优化了难加工W-Ti重合金的激光增材制造工艺。     

扫描路径对激光修复钛合金残余应力与变形的影响

为降低激光沉积修复钛合金基体的残余应力与变形,采用有限元参数化设计语言研究了不同激光扫描路径对修复基体残余应力与变形的影响,模拟了不同扫描路径下修复基体残余应力及不同修复层残余应力的分布情况,并对原因进行了分析。结果表明:不同扫描路径下基体两端残余应力值较大,修复层残余应力值两端高,中间低,采用层间交错扫描路径时,各修复层残余应力值大小和波动幅度降低,修复件表面平整度值最小。采用压痕法对不同扫描方式下修复件表面残余应力进行了测定,得到了不同扫描路径下基体变形曲线,并与模拟结果进行了比较,两者吻合较好,为提高激光修复质量提供了参考依据。     

精密光学透镜薄壁镜筒类零件表面残余应力研究

时效处理和金属切削用量对零件的表面残余应力有着重要的影响。通过时效处理和改变金属切削用量,对比实验件表面残余应力的改变,研究了时效处理和切削用量对精密光学透镜薄壁镜筒类零件(零件材料:硬铝合金2A12-T4)表面残余应力的影响规律,并进行了理论分析。根据研究结果,对车削与时效工艺提出了一些指导意见。     

激光增材制造工艺参量对熔覆层残余应力的影响

为了探究工艺参量对激光增材制造熔覆层残余应力影响规律，采用数值模拟及实验验证相结合的方法，取得了激光增材制造熔覆层截面深度方向上沿扫描路径y方向和垂直扫描路径x方向上残余应力的分布规律，并在此基础上进行了不同工艺参量对y方向和x方向应力场影响分析。结果表明，在一定参量范围内，随着熔覆层深度的增加，y方向残余应力均表现为拉应力，呈现先增大后降低趋势，在熔覆层顶部约0.2mm处存在最大拉应力为262MPa；x方向由压应力逐步转变为拉应力，其略小于y方向应力值；随着激光功率的增大，x方向残余应力逐渐增大，y方向残余应力逐渐降低；随着扫描速率的增大，x方向的残余应力将随之减小，而y方向的残余应力将随之增大；随着送粉量的增大，x方向和y方向的残余应力均将随之增大。此研究为降低激光增材制造熔覆层残余应力及工艺参量优化选择提供了指导。     

激光工艺参数对激光熔化沉积纯钛样品残余应力的影响

采用同轴送粉激光熔化沉积技术制备了纯钛构件,并利用小孔法对样件扫描面不同部位的残余应力进行了测试,研究了激光功率、扫描速度及送粉率对样件扫描面上残余应力分布的影响。研究结果表明:沉积件与基材结合区为残余压应力区,其他区域为拉应力区,且底部与基材结合区域的残余应力最大,顶部残余应力最小;沉积件底部与基材结合区域的残余应力受激光工艺参数的影响较大,而顶部区域受激光工艺参数的影响较小。通过合理地选取激光工艺参数可有效降低沉积件的残余应力。     

激光快速成形金属零件的残余应力

激光快速成形技术是近几年国际上广泛关注的一种先进的实体自由成形技术 ,能够直接成形高性能的致密金属零件 ,具有无模具、短周期、低成本、市场响应快等特点。本文简要分析了激光快速成形件残余应力的形成机理及分布规律 ,概述了残余应力对成形件力学性能结构尺寸、实际使用等方面的影响 ,探讨了实验测定残余应力的方法及调整和消除残余应力的有效手段等     

基于层分区扫描策略的选区激光熔化成形试验研究

选区激光熔化(SLM)成形质量主要由工艺参数与扫描策略复合作用决定。试验通过不同成层方式、叠层方式以及扫描方式的复合得到层分区扫描策略。而后以不同层分区扫描策略复合适宜工艺参数组合成形TC4样件，并对其进行质量研究。结果表明，采用层分区扫描策略成形的样件其致密度更高，电镜下显微组织中针状马氏体分布更为细密。采用层分区扫描策略成形100μm层厚的样件时，其边长尺寸误差率及表面粗糙度变小。运用层分区扫描策略成形的样件较未运用层分区扫描策略形成的样件具有更强的成形环境调节能力，成形质量更优。     

扫描方式对激光直接成形过程中热力耦合场与残余应力分布的影响

利用有限元中的"单元生死"技术,通过ANSYS参数化设计语言(APDL)编程研究了长边扫描、短边扫描以及交错扫描方式对成形过程的热力耦合场以及残余应力分布的影响,并详细分析了各种扫描方式下,所选节点温度和热应力随时间的变化规律及残余应力沿各方向的分布规律。在与模拟过程相同条件下,实际成形实验所得结果与模拟结果吻合较好。     

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。     

层间扫描策略对SLM直接成型金属零件质量的影响

为了通过选区激光熔化技术直接快速成型高致密度及高表面质量零件,采用正交试验对316L不锈钢粉末进行了光纤激光选区熔化成型研究,分析了正交实验中存在的扫描线间搭接缺陷及零件外边凸起缺陷,随后“层间错开”扫描策略因为更好的扫描线间润湿效果及成型效率而被应用于实验中,进行扫描线间搭接情况及层间熔接情况显微观察。层间层内扫描线具有良好的冶金结合,孔隙率大大减少,获得了高致密化的成型效果;使用优化的工艺参量与扫描策略成型具有空间曲面的个性化手术模板,硬度与致密度分别达HV0.3250和95.8%。结果表明,层间扫描策略对选区激光熔化技术直接成型金属零件成型效果良好。     

激光选区熔化/干式铣削复合加工实验研究

为研究激光选区熔化增材与干式铣削减材复合加工中的工艺交互作用对零件成形质量的影响,以316L奥氏体不锈钢粉末为研究对象,分别采用单一增材工艺和“增材-减材”交替复合加工工艺制备试样,分析成形区的致密度、残余应力。实验结果表明,在制件致密度和残余应力方面,以上两种加工方法均受到激光能量密度的影响且规律相似。此外,复合加工中的铣削减材工艺会对成形样件的致密度和残余应力造成影响,在激光能量密度设置为100J·mm-3和125J·mm-3时,铣削减材工艺可以明显提高致密度并降低残余应力水平。     

高功率激光钕玻璃椭圆片硬包边残余应力研究

硬包边是激光钕玻璃减少放大自发辐射和抑制寄生振荡的包边技术之一,残余应力是硬包边的一个重要参数。详细描述了激光钕玻璃硬包边过程中残余应力的来源,并利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics,对硬包边浇注熔接过程中不同膨胀系数匹配条件和不同包边玻璃浇注温度下的残余应力分布进行了数值模拟。结果显示,激光钕玻璃和包边玻璃的膨胀系数差异愈小,产生的残余应力愈小;包边玻璃浇注温度愈高,则产生的残余应力愈大。硬包边实验结果表明:包边玻璃的膨胀系数和激光钕玻璃的膨胀系数愈相近,则残余应力就愈小,当包边温度在700～1200℃范围内时,残余应力随着包边温度的增加而增大。模拟结果与实验结果吻合,所以在硬包边的浇注熔接过程中,为了使残余应力最小,最佳策略是激光钕玻璃的膨胀系数和包边玻璃的膨胀系数尽量接近甚至相等,且包边温度尽量低。     

逐层剥离对激光诱导残余应力场影响的数值模拟

为评价激光冲击强化效果,通常采用X射线衍射法(XRD)测定工件的残余应力分布。由于X射线穿透深度一般在微米数量级,为获得工件深度方向上的残余应力分布规律,常采用电解抛光的方法逐层剥离工件表面材料。逐层剥离过程改变了工件表面的边界条件,使得残余应力分布发生了改变,导致XRD实验测得的残余应力与未剥离前不同。本文采用有限元数值模拟方法研究了剥离过程对激光诱导残余应力场分布的影响。结果表明:在残余压应力区域,剥离材料后内部的残余压应力较剥离前增大,残余压应力增加程度随着剥离深度的增大而增加;剥离表面较浅一层材料时,整体残余应力场的分布变化较小,且有利于消除激光冲击强化产生的"残余应力洞"。该研究对基于XRD实验测定的残余应力修正具有一定的指导意义。     

高斯模激光冲击钛合金薄壁件应力场的演变机制

采用数值模拟方法,研究了激光冲击不同厚度钛合金零件时沿零件表面和深度方向的残余应力场分布规律,并通过动态分析,研究了冲击波在不同平面间的反射情况。结果表明,当其他参数不变时,试样的正面残余应力随厚度的增大而增大,而反面残余应力随厚度的增大先增大后减小。当试样厚度为4mm时,正面显微硬度最大值为440.2HV;当试样的厚度为2mm时,反面显微硬度最大值为416.1 HV。冲击波与声阻抗接触面作用产生的拉伸波与压缩波对残余应力场的分布有显著影响。     

辊面激光强化过程的瞬态应力分析

轧辊表面在激光扫描过程中经历剧烈的热循环,由温度场的集中效应造成辊面应力呈现动态变化的趋势,扫描瞬时的光斑内部应力场以压应力为主。由于组织比容的变化,辊面处理后的残余应力分布更加复杂,采用实验手段测量应力分布状况的难度较大,因此,利用数值分析方法是合理的选择。     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

激光激发瑞利波测量铝合金焊接残余应力

根据声弹性原理提出了一种新的测量材料表面焊接应力的激光超声方法.利用Nd:YAG脉冲激光在材料表面激发高频率超声瑞利波,采用非线性激光干涉仪对检测焊接应力的超声瑞利波进行探测.探测点的位置保持不变,通过激发源的扫描来改变激发源和探测点之间的距离,干涉仪探测到一系列超声脉冲波形信号.采用波形相关技术计算相邻超声瑞利波的传播时间延迟,得出瑞利波的传播速度,进而根据声弹性理论计算出相应的应力值.通过激光源在焊缝附近的扫描,得到焊缝周围的应力分布.测量了铝焊接平板表面的残余应力,得到了样品表面的焊接应力分布.实验结果表明,这种方法可以实现样品表面焊接应力的快速扫描测量,使其在材料表面焊接应力分布无损检测领域具有一定的应用价值.