Z轴离焦量对激光熔覆成形的影响

为了深入探究Z轴离焦量对激光熔覆成形的影响,综合考虑Z轴离焦量导致的熔池粉末利用率、激光能量密度等因素对熔覆成形的影响,通过改变激光功率、扫描速度、气流量、离焦量4个因素进行L_(16)(4~4)正交试验,以及Z轴离焦量变化的单因素试验,揭示激光功率、扫描速度、气流量、离焦量4个因素对熔覆成形的耦合作用规律.正交试验结果表明,离焦量、激光功率、扫描速度、气流量在激光熔覆成形中都扮演着重要角色,对熔覆效率的因素影响主次为:激光功率气流量离焦量扫描速度.Z轴离焦量单因素试验结果表明:激光熔覆过程需要一定的离焦量才能获得最佳熔覆质量;当离焦量为5mm时,熔覆层的高度最高;当离焦量小于或大于5mm时,熔覆层高度降低;当Z轴离焦量逐渐增加时,粉末利用率先逐渐增加再逐渐减少.     

自愈合效应对光内送粉激光变斑熔覆成形薄壁件的影响

为提高激光熔覆成形不等宽构件的成形效率及成形精度,设计了相应的实验: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覆层,逐层堆积制造薄壁零件。分析了变斑过程中激光离焦量连续变化及"拼接"后分段连续变化对薄壁件成形质量的影响规律,结果表明:激光离焦量在-3~-5mm段时薄壁墙顶部平整,表面成形质量良好,熔覆层顶端形貌存在"自愈合"效应,而激光离焦量在0~-2mm段时薄壁墙顶部不平整,成形质量很差;在负离焦范围内,随激光离焦量增大,熔覆层高度先增加后降低,在-2.5mm处取得最大值;在正离焦范围内,熔覆层高度随激光离焦量增大也是先增加后降低,在2.5mm处取得最大值。为实现变斑过程中熔覆层尺寸的连续变化,且充分利用自愈合效应,提出了激光离焦量区间的拼接方法,获得了变斑过程中的自愈合区间,在此区间内逐层堆积出了熔覆层宽度从1到3mm连续变化的薄壁件。此项研究可望为光内送粉激光熔覆成形薄壁变壁厚类零件提供新的方法和工艺。     

激光金属直接成形中形貌自稳定效应的研究

为了在开环控制条件下直接制备出表面平整的薄壁零件,针对同轴送粉条件下粉末离焦对单道熔覆层厚度的影响,建立了理论模型,分析了成形表面出现的凹凸不平现象,对激光离焦和粉末离焦对单道熔覆层形貌的影响进行了实验研究.研究表明,激光离焦主要影响单道熔覆层的宽度,而粉末离焦主要影响单道熔覆层的厚度.在粉末负离焦条件下,激光金属直接成形过程具有形貌自稳定效应,能消除成形层的凹凸现象,从而制造出成形表面平整的薄壁零件样件.由于计算结果与实验结果的趋势能保持一致,形貌自稳定效应能够提高开环系统下薄壁零件的制造精度,因此具有实际的应用价值.     

低阶模CO2激光熔覆层形貌和质量的控制

通过在316L不锈钢基材上进行激光熔覆,研究了低阶模CO2激光熔覆功率和离焦量对熔覆层形貌和质量影响.研究表明,随着离焦量增加,激光熔覆层宽度和熔化宽度增加,熔化深度降低.随着激光功率增加,激光熔覆层宽度、熔化宽度和熔化深度增加.熔化区的形状和熔合界面质量主要与离焦量的大小有关,随着离焦量增加,熔化区形状从类似于“蘑菇”形,过渡到熔合良好的平底状.因此,通过调节离焦量,低阶模CO2激光熔覆可以得到界面平整、熔合良好的熔覆层,采用低阶模CO2激光进行熔覆是可行的.     

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.     

激光熔覆成形尖角插补算法优化与实现

文章通过对激光熔覆过程中机器人在尖角处过渡时产生的误差进行分析,提出了机器人在尖角处匀速过渡的插补算法。通过在尖角外围添加补偿点并精确控制激光开/关设计了机器人插补流程,利用C#.NET编程语言编写机器人插补软件,并采用OpenTK实现插补运算后的数据可视化。仿真和实验验证机器人路径的可行性,并成功熔覆出含有60°尖角的薄壁件。研究结果为激光熔覆含有尖角特征的薄壁件提供了理论指导和实验依据。     

脉冲激光熔覆高速钢粉末涂层的微结构与裂纹抑制

采用Nd∶YAG脉冲激光器对预置了高速钢粉末的球墨铸铁基体进行激光熔覆处理.单道实验得到优化后的高速钢激光熔覆工艺参数为:电流240A、扫描速度3.0 mm/s、离焦量13 mm、预置涂层厚度0.5mm、激光脉冲频率15Hz、脉宽3.0ms.多道搭接实验结果表明,制备的熔覆层组织致密,与基体形成了冶金结合,主要强化相为WC1-x和V4C3,有裂纹存在.熔覆层平均显微硬度为600HV,最高达到682HV,约为基体(300HV)的2.3倍.添加50%Ni60自熔性合金,有效控制了熔覆层裂纹数量,显微硬度略有降低,最高为637HV,约为基体的2.1倍.     

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。     

基于温度控制的激光熔覆成形工艺研究

文章介绍了实验室自行搭建的激光熔覆成形平台,通过实验得出了一组最佳的成形工艺参数。该实验利用双色高温计测量熔池温度,实时控制激光输出功率,成功完成了薄壁零件的制造。所得薄壁零件表面平整、壁厚均匀、尺寸及形状精度较高,通过金相分析未发现微观裂纹或其他缺陷。     

激光焊接工艺参数对锆4合金焊缝成形的影响

本文研究了激光焊接工艺参数对 Ｚｒ － ４ 合金焊缝成形的影响。结果表明：当激光功率一定时,焊缝计算厚度与宽度随着焊接速度的增加而减小,当焊接速度一定时,焊缝计算厚度与宽度随着激光功率的增加而增加;同时入焦量的变化对 Ｚｒ － ４ 合金的熔透也有很大的影响。对于一定厚度的材料,在透镜焦距确定后有一个合适的入焦量范围,并存在一个最佳入焦量,可得到最大的焊缝成形系数。在本试验条件下,入焦量为－２ ．１８ ～２ ．９５ｍ ｍ     

基于望小特性不锈钢304板材激光切割工艺优化

为提高304不锈钢切缝表面的光洁度、减少毛刺量,进行了3 mm厚304不锈钢的光纤激光切割工艺试验。以激光功率、切割速度、保护气压和离焦量为影响因素,以切缝刮渣高度和倾斜区占比作为评价指标,构建正交试验方案L_9(3~4),研究工艺参数对切割质量的影响规律并优选最佳工艺参数。根据正交试验极差与方差分析得到工艺参数对刮渣高度的影响为激光功率>保护气压>离焦量>切割速度,工艺参数对倾斜区占比的影响为激光功率>离焦量>切割速度>保护气压,并分别得到了最小刮渣高度及最低倾斜区占比的工艺参数组;利用望小信噪比法对评价指标进行多目标综合优化,得到综合最优工艺参数组。试验验证表明望小信噪比法适用于激光切割工艺参数的优化。     

基于图像处理的快速调焦算法

针对采用清晰度评价函数调焦慢的缺点,本文提出一种基于图像处理的快速调焦算法,在仅仅改变物距条件下,该算法应用光学成像系统离焦模型,推导了以模糊差异为参考量目标物离焦量的函数表达式,由离焦量的表达式调解Z轴上的电机,实现快速调焦。实验结果表明,仅需要2幅不同程度离焦的图像,能够以较高精度估计出目标物的实际离焦量,从而实现快速有效的调焦。     

激光熔覆沉积TC11钛合金基板应力预测和微观组织研究

对损伤的TC11钛合金零部件进行激光熔覆沉积修复,可在不影响零件使用性能的前提下,节约贵重钛合金资源,提高零件利用率。分析修复后熔覆层和基材组织性能和开裂倾向是激光熔覆沉积修复工艺的基础研究工作。采用高斯热源,建立了单道单层激光熔覆应力预测三维数值模型,研究了激光熔覆基板的应力分布规律。随后,进一步实验研究了TC11激光熔覆区的显微组织结构。结果表明,激光熔覆区可分为熔覆层、热影响区和热应力层3部分。基板热应力层的晶粒受到应力的作用变形显著。激光熔覆后基板应力仿真和实验结果分布趋势一致,且最大热应力深度随激光功率的增大而增大。     

激光功率对316L不锈钢熔覆层组织及性能的影响

为了解决316L不锈钢激光熔覆层成形差、耐腐蚀性低的问题,采用显微组织观察、硬度实验、常温冲击及电化学测试等试验方法,对不同激光功率下熔覆单层及多层熔覆层的成形、组织及性能进行检测和分析。结果表明,随着激光功率的增大,熔覆层高度呈现先增加后减小的变化趋势,熔覆层内部析出相的含量以及稀释率则呈现上升趋势;激光功率过小易引起熔覆层开裂,过大则会引起熔覆层晶粒异常长大;随着激光功率的增加,熔覆层硬度呈增大趋势,当激光功率达到450 W时,熔覆层与基材结合界面处硬度值达到最大,为475 HV;而熔覆层的冲击性能和耐腐蚀性能则随着激光功率的增大呈现下降趋势,当激光功率为300 W时,其冲击韧性最大为92 J,且熔覆层具有最优的耐腐蚀性能,腐蚀电位E_corr最高为-0.3 V,且腐蚀电流密度I_corr最小为0.165 A/cm²;因此,当熔覆速率为3 mm/s、送粉速率为14 g/min、搭接率为50%时,采用300 W激光功率制备的熔覆层可得到优异的冲击和耐腐蚀性能。研究结果可为316L激光熔覆层工艺调控及性能改善提供参考。     

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。     

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.     

激光熔覆多层Nb-Si-Ti显微组织

采用基于多层激光熔覆的激光快速成形方法,通过优化激光扫描过程参数,调整不同成分元素粉末来进行铌硅基自生复合材料的显微组织和成分设计研究.采用Nd:YAG激光器扫描预置在Ti-6Al-4V基材上成分为Nb-18Si-24Ti(原子分数)混合粉末,获得所需激光熔覆层.优化出工艺参数为激光脉冲电流225A,扫描速度3.0mm/s,激光脉冲频率15Hz,激光脉冲宽度3.0ms,离焦量15mm,并在优化参数下制备出了4层多道样品.分别采用OM,SEM及XRD对预置法制备出的多层沉积层的显微组织及相结构进行分析,结果显示在多层沉积层中获得了铌硅固溶体Nb_ss,硅化物Nb₅Si₃和Nb₃Si等相,随着沉积层数的增加,Nb,Si含量逐渐增加,显微组织由接近于基体的细小枝晶转变为在最顶层的深色岛状Nb₅Si₃,灰色条状或岛状Nb₃Si及白色Nb_ss.     

激光立体成形技术中工艺参数的数值模拟分析

激光立体成形是一种非常复杂的热力学耦合过程,影响成形过程的因素很多.本文在对激光立体成形技术国内外发展研究现状进行概述的基础上,通过对同步送粉激光熔覆技术原理的分析建立了热力学模型,并针对10.6μm的CO_2激光器加热熔覆不锈钢材料3Cr13进行了工艺参数的数值模拟分析.结果表明光斑直径越大能量密度越低,光斑直径越小能量密度越高;同一功率下,扫描速度越大,单道熔覆宽度越小;扫描速度相同,功率越大,单道熔覆宽度也越大.     

激光熔覆系统能耗建模分析方法研究

针对增材制造过程耗能机理复杂和能耗难以预测的问题,开展激光熔覆系统能耗建模分析方法的研究.根据激光熔覆系统的工作原理及能耗特性,将其分为激光发生器系统、冷却系统、机械臂控制柜、送粉系统以及辅助系统等5部分,通过理论分析和实验规律研究得到各部分能耗模型及系统整机能耗模型.最后通过316L不锈钢试件的激光熔覆实验对能耗模型和比能耗进行分析,结果表明,能耗和比能耗的预测结果与实验测量结果误差分别为1.37%和2.17%,从而验证了模型的准确性和有效性.该模型可用于激光熔覆系统能耗预测、工艺路线改善,实现绿色发展等,所提方法也可为其他增材制造技术相关能耗研究提供参考.     

脉冲CO2激光高精度烧蚀熔石英玻璃

激光抛光是一种能获得超光滑表面新颖的光学元件加工方法,但抛光后表面存在残余波纹和面形畸变.激光高精度烧蚀可用于对元件表面残余波纹和面形进行修正,是一种极具潜力的修形技术.本文开展了激光高精度烧蚀熔石英玻璃的实验,验证了脉冲CO2激光通过控制重叠率可以实现高精度的局部区域均匀烧蚀,并可通过控制激光功率密度获得不同纳米量级的烧蚀深度.但实验发现激光局部区域烧蚀过程存在热累积和过烧蚀的现象.为此建立三维数值模型模拟脉冲CO2激光扫描熔石英表面的过程,对不同重叠率及不同脉冲重复频率作用下熔石英表面温度分布及演变进行分析.数值计算结果表明,重叠率过高将导致熔石英过烧蚀;在合适的重叠率下,高脉冲重复频率会导致明显的热累积.