激光熔覆产生的熔池温度与对流分析

由激光熔覆产生的熔池的内部存在复杂的传热与传质过程.鉴于熔池的尺度微小以至于难以对其进行实时监控,构建了一个激光熔覆数值模型,对熔池内部的温度分布与对流模式进行了仿真分析.结果表明:熔池的温度梯度非常高,且熔池底部延伸至基体的部分由于高温发生再奥氏体化.熔池内的流体流动主要由Marangoni运动驱动,且熔池内的对流形式为环形对流,最高流速达到0.1m/s.研究结果能够为熔覆层的成型过程及合金粉末在熔池内的传输过程提供理论依据.     

预热温度对激光熔覆Co基合金数值模拟的影响

观察并研究了Co基合金熔覆过程的温度场和应力场的规律,建立了激光熔覆预置Co基合金粉末过程的三维模型,考虑温度变化对热物理参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件分析了激光熔覆过程中的温度场和应力场,并进行了实验验证.结果表明:温度场等温线呈椭圆形,熔池最高温度区域滞后于光斑中心,扫描速度为4 mm/s的激光熔覆过程获得了良好的冶金结合;基体预热温度从20℃增加到300℃,t8/5从0.5s增加到1.5s,熔池的瞬时冷却速度分别减小至0.88倍和0.64倍,工件的残余应力和变形均明显减小,这说明对基体适当预热能有效降低熔覆层的开裂倾向.模拟结果为激光熔覆过程的优化提供了理论依据.     

铝青铜表面激光熔覆镍基合金温度场的数值模拟

以铝青铜为基材、铜镍合金为熔覆粉末,采用压粉方式实现激光熔覆加工.对此过程建立二维温度场数值模型,考虑温度变化对铝青铜热物理参数的影响以及表面对流换热、内部结晶潜热等因素,用C++语言编写激光熔覆过程中温度场模型的计算程序.结果表明,激光熔覆加工过程中的温度场变化是由非稳态到达稳态的过程,激光光斑附近温度梯度较大,远离光斑处温度梯度较小.由温度场分布图得知,为优化加工质量,满足熔覆要求,试验应采用由高到低的功率进行熔覆.     

激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌的影响及优化

应用IPG-500激光器对45号钢进行了激光熔覆,研究了工艺参数对熔覆层形貌的影响,采用极差分析找出影响熔覆层形貌的关键因素.在此基础上,提出采用灰色关联度分析不同参数组合下的熔覆层质量与理想的熔覆层质量之间的关联度,从而找出最佳的激光熔覆工艺参数组合.结果表明,激光功率与扫描速度是影响熔覆层形貌的主要因素,并且在激光功率为400W,扫描速度为7mm/s及送粉速率为0.7r/min的条件下,所获得的熔覆层质量最优,为激光熔覆工艺参数的选择提供理论支持.     

工艺参数对激光熔覆层质量的影响

概述了激光熔覆技术,介绍了激光熔覆工艺中激光功率、扫描速度等工艺参数对熔覆层质量的影响.     

激光熔覆中工艺参数对形成层几何特征及硬度影响分析

激光熔覆技术的实质是合金粉末快速熔化和凝固的过程,其形成层的形状和性能与工艺参数密切相关.为了了解工艺参数对激光熔覆形成层几何特征及硬度的影响规律,根据正交试验设计方法设计研究了工艺参数(激光功率、扫描速率、送粉速率)对单道单层熔覆层几何特征(熔覆层高度、宽度与熔池深度)与硬度影响的试验,根据试验结果归纳了工艺参数对单道单层熔覆层几何特征与硬度的影响规律,解释了造成这些影响的原因,试验表明激光功率是影响熔覆层几何特征的最显著因素.此外,使用了一个激光熔覆层的几何特征数学模型对照验证了试验结果.     

模具钢激光熔覆的温度场数值计算研究

使用有限元分析软件ANSYS对激光熔覆的表面温度场进行模拟与分析。使用参数化设计语言APDL实现对移动栽荷的加载及ANSYS生死单元方法模拟粉末逐步熔覆的过程。结果表明,激光熔覆是典型的急冷急热加工过程,热影响区成后拖的偏椭圆状图形且面积随时间进行逐渐增大,熔池中心温度随着激光功率的增加而升高,随激光扫描速度的增加而下降。但下降幅度不大。     

基于复杂移动热源模拟的激光自熔覆试验研究

激光自熔覆是一种利用激光进行特定材料表面强化的工艺，在激光自熔覆系统中，获取移动热源的复杂轨迹点是至关重要的.工程应用中，工件表面的激光自熔覆往往涉及复杂的三维路径，复杂路径所产生的三维坐标点不能使用通常的二维函数来简单表达.本研究通过有限元模拟激光自熔覆工艺过程，先用建模软件根据实验试样建立自熔覆轨迹复杂的三维模型，导入到有限元软件中进行分析，然后针对工业生产中常用的汽车模具材料GGG70L(德标球墨铸铁)建立逼近真实的有限元模型，提出线性插值方法并运用在移动热源子程序中，实现了复杂三维自熔覆轨迹的模拟.采用激光光斑20 mm,激光扫描速率8 mm/s,激光功率2 800 W,将有限元模拟形变量的实验与工程实验进行对比分析，结果表明两者的平均误差约为0.7%,误差范围在实际工程可接受的范围之内，说明有限元模型和模拟结果可靠，可在一定程度上代替工程实验，从而提高激光淬火实验的效率并节省成本.     

TC4钛合金激光熔覆路径选择数值模拟研究

使用数值模拟技术,建立了不含预制裂纹的TC4钛合金三维激光熔覆有限元模型,并运用扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展.对直线单向熔覆、直线往复熔覆和对称往复熔覆3种不同熔覆路径下,TC4钛合金激光熔覆温度场、应力场以及裂纹扩展过程进行了模拟.研究结果表明:采用对称往复的熔覆路径,熔覆过程温度场分布较为均匀,最大峰值温...     

基于遗传算法的机器人激光熔覆工艺参数多目标优化

激光熔覆技术作为增材制造技术的一种,具有熔覆质量高、修复精度高等特点,机器人激光熔覆系统是由激光技术与机器人技术相结合的高度集成化系统,广泛应用于装备制造领域。激光熔覆工艺参数直接影响熔覆精度和熔覆质量,进而影响再制造构件的服役寿命,因此提出遗传算法对工艺参数进行多目标优化,实验结果表明优化后的工艺参数能使得熔覆层形貌与质量得到明显提升。     

激光熔覆Ni35A+TiC复合材料熔覆形貌及成形效率影响研究

为了揭示激光熔覆工艺参数及TiC粉末比例对复合材料熔覆形貌与成形效率的影响关系,改善熔覆形貌包括表面质量与基材熔化深度,提高复合材料熔覆成形效率,采用响应面法中心复合设计模块分析了激光功率、扫描速度、气流量及TiC粉末比例对复合材料熔覆形貌的影响规律,建立了工艺参数及TiC粉末比例与复合材料熔覆效率、基材熔化深度之间的数学模型,通过方差分析证明了模型的合理性.结果显示,气流量对复合材料熔覆形貌影响并不显著,熔覆形貌随着激光功率增大、扫描速度减小及TiC粉末比例减少而得到明显改善;扫描速度及TiC粉末配比对熔覆效率影响最为显著,合理减小TiC粉末配比及增加扫描速度可以有效提高熔覆效率;激光功率对基材熔化深度影响最显著且呈二次正相关关系,其余参数均呈负线性相关关系;分析发现不同材料的熔覆能量需求是导致不同材料成分比例复合材料熔覆效率及形貌差异的最主要原因.以熔覆效率最大及基材熔化深度最小为优化目标,对比预测值与实验值,得到熔覆效率及基材熔化深度的误差率分别为3.450%、5.386%.该研究为提高复合材料熔覆形貌及熔覆效率的预测与控制提供了理论依据.     

激光熔覆-激光气体氮化方法制取TiCN-TiN复合熔覆层

采用500W YAG脉冲激光作为辐射源,TiCN粉末为熔覆材料,高纯N2气作为氮化元素和保护气体,利用激光熔覆-激光气体氮化(LC-LGN)方法,在钛合金(Ti-6Al-4V)表面制备了以TiCN和TiN为主的复合熔覆层.研究了激光工艺参数对TiCN-TiN复合熔覆层成分的影响.对熔覆样品进行了XRD物相分析和显微硬度测试.结果表明:在激光功率和脉冲宽度一定的条件下,脉冲频率、扫描速度是影响TiCN-TiN复合层形成的主要因素.合适的工艺参数组合为:脉冲频率为15 Hz,脉宽为3.0 ms,扫描速度为2.0 mm/s.扫描速度小于2.0 mm/s时,熔覆过程中氧化现象严重,而高于2.0 mm/...     

激光熔覆Co基合金应力场的数值模拟

为了分析Co基合金熔覆过程的应力场,建立了激光熔覆预置Co基合金粉末过程的三维模型,考虑温度变化对热物理参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件分析了激光熔覆过程中的应力场,并进行了试验验证。结果表明:通过比较分析扫描速度为5 mm/s的涂层获得良好的冶金结合;工件残余应力均为拉应力,且最大值出现在z向距表面约2 mm处,最大变形量出现在工件的边缘位置;随扫描速度的增加,工件的残余应力和变形均明显减小,这说明在其它工艺参数一定的前提下,适当降低扫描速度,能有效减小熔覆层的应力集中,获得质量优异的涂层。模拟结果为激光熔覆过程的工业化提供了理论依据。     

环形激光熔覆工艺参数对显微组织的影响

目前激光熔覆快速成形技术普遍采用圆形、矩形或者线形光斑对熔覆粉末熔化并快速凝固,光斑和粉斑的耦合稳定性比较差。分析环形激光熔覆新工艺中工艺参数对成形零件显微组织的影响,不同工艺参数与熔覆层质量的关系,合理选择实验所得的工艺参数。     

采用激光熔覆方法校轴的试验研究

为了研究激光熔覆工艺应用于校轴的可行性,以及不同工艺条件下校轴的效果,设计了激光熔覆校轴试验.采用CO2激光器对试验轴进行激光熔覆,利用百分表测量轴的跳动值,用以衡量轴的弯曲量.试验首先在相同熔覆长度和深度下,改变熔覆中心角,其次在相同熔覆面积下,改变熔覆深度,进行激光熔覆.基于试验结论,并结合实际情况,用工程实例进行验证.试验结果表明,在激光熔覆校轴中,轴发生了朝向激光束的弯曲;熔覆层所对中心角小于90°时,轴弯曲量与熔覆面积成正比关系,熔覆层所对中心角大于90°时,轴弯曲量变化不明显;在熔覆面积一定的情况下,轴弯曲量与熔覆层数成正比例关系.工程案例取得良好的预期效果.     

1Cr_(18)Ni_9Ti激光表面熔覆的研究

对1Cr_(18)NiTi不锈钢材料表面进行激光熔覆的研究.采用正交设计方案选取了最佳工艺参数,研究了激光熔覆层的组织结构,测量了激光熔覆区的成分及硬度分布,特别是对激光熔覆的热影响区的碳的扩散与集聚作了分析与讨论.对激光熔覆试样进行了磨损和腐蚀试验.     

宽带送粉激光熔覆ZrO2/Ni60A复合涂层组织及硬度分析

在304不锈钢外圆表面使用激光熔覆镍基氧化锆金属陶瓷粉末,对激光工艺参数进行优化,制备工艺性能良好的熔覆层.研究了激光工艺参数对熔覆层宏观形貌、显微组织和硬度分布的影响.结果表明:激光功率为1.5 kW时为佳;随扫描速度增大,熔覆层的组织有细化的趋势;通过优化扫描速度,可得到显微硬度值较高,且沿熔覆层表面的垂直方向的硬度分布变化不大的熔覆涂层.     

带相变热流固耦合问题的数值方法及金属增材制造仿真

本文提出了一种带相变的热流固强耦合问题的数值求解方法,即热耦合最优输运无网格（HOTM）方法.该方法结合了最优输运无网格方法（OTM）和热流固变分本构模型,能够解决多介质耦合问题中常见的极大变形、大温度梯度、高加热/冷却速率、包括熔化、气化和固化在内的多相变和多相混合等问题.该方法用节点和物质点进行空间离散,同时求解动量和能量守恒方程来获得材料的变形、温度和局部状态. HOTM方法已被用于金属粉末床激光选区熔融工艺（SLM）和超高速激光熔覆技术（EHLA）的直接数值模拟,本文在数值模拟中量化了SLM中粉末颗粒尺寸分布对成型材料孔隙度的影响,并计算了EHLA中金属涂层的近似孔隙率,模拟与实验结果高度吻合.该方法有助于对金属增材制造工艺中控制成品质量加深理解.     

厚层激光熔覆层裂纹控制的综合实验研究与理论分析

采用5kW横流CWCO2激光器,对不同基体材料的核阀与石化高参数阀门密封面进行激光熔覆,所用合金粉为CoCrWB与NiCrFeBSi合金粉末.在研究解决了厚层单道熔覆裂纹问题基础上,得到了厚2～3.5mm,表面平整、无质量缺陷的激光熔覆层.结合激光熔覆阀门零件的试验研究,分析探讨了影响熔覆层,特别是厚层熔覆层裂纹形成的各种因素及其综合影响,提出了关于建立判断熔覆层裂纹形成的应力判据模型的思路.     

钛基体激光直接熔覆ZrO 2涂层实验研究

采用激光同轴送粉工艺在钛基体上直接熔覆ZrO2陶瓷涂层,研究不同工艺参数对单道熔覆层熔覆质量的影响规律;采用光学显微镜观察陶瓷涂层的微观组织,并采用电子探针技术分析基体和ZrO2陶瓷结合区成分分布;利用XRD分析激光熔覆前后ZrO2陶瓷物相变化情况.结果表明:在一定的功率范围内,熔覆层宽度受激光功率的影响不大,熔覆层高度和基体熔化深度随工艺参数的变化呈现一定的规律性;ZrO2和Ti基体结合区形成很好的成分梯度渐变过渡,陶瓷微观组织为细小的枝状晶组织;激光熔覆ZrO2陶瓷后,单斜相(m相)衍射峰强度相对减弱.