高氮不锈钢光丝同轴激光增材组织与性能研究

为研究光丝同轴激光增材技术在制备高氮不锈钢块体材料中的应用潜力,采用直径1.2 mm、氮含量为0.71 wt.%的高氮钢丝材,通过光丝同轴激光增材技术进行多道多层增材试验。利用工业CT扫描、氮含量分析、组织形貌观察、物相分析及力学性能测试等方法,对增材块体的内部质量、氮含量、微观组织及力学性能进行了系统研究。结果表明,增材块体中存在少量未熔合缺陷,主要分布在底部,且一般出现于每一层的前两道附近,等效直径主要分布于200~300μm。内部存在大量细小孔洞状低密度缺陷,其体积占比为0.073%,其中约90%的等效直径区间为1.5~7.5μm。中部和顶部的氮含量都在0.66 wt.%以上,氮损失均低于7.5%;底部氮含量降至0.58 wt.%,氮损失为19%。物相分析表明,增材块体主要为奥氏体γ-Fe相,通过SEM和EDS可发现基体材料中存在少量α-Fe枝晶和Mn的氧化物。金相观察发现,增材块体主要由细小的柱状晶和等轴晶组成。增材块体底部力学性能较好,中部各向异性较小。其增材方向上的硬度分布为315~355 HV,且底部明显高于中部和顶部。块体中部增材方向抗拉强度875 MPa,屈服强度为679 MPa,延伸率为50%;行进方向抗拉强度为908 MPa,屈服强度为685 MPa,延伸率为34%。此外,块体底部行进方向的抗拉强度为997 MPa,屈服强度为770 MPa,延伸率为43%。本研究证实了光丝同轴激光增材技术制备高氮不锈钢块体材料的可行性,为高氮不锈钢增材制造技术的开发和应用提供了重要的理论依据和技术支持。

光丝同轴激光增材制造研究进展

增材制造作为实现三维结构快速成形的技术,广泛用于航空航天、汽车交通等领域。当前,激光熔丝增材制造多依托于传统的激光焊接设备,采用旁轴送丝方式,在增材过程中,需调整激光头方向保证送丝和焊接头行进的相对方位,增大了复杂构件增材制造系统控制难度,损失了加工自由度。随着激光加工设备和技术的发展,近年来出现了一种可以解决上述问题的光丝同轴激光熔丝增材制造技术。由于此项技术刚刚起步,为了更好的理解光丝同轴激光熔丝增材制造技术的特性,本文从技术分类及原理、加工制造特性、成形精度控制以及增材件的组织性能等方面,论述了光丝同轴激光增材制造取得的研究进展,对比分析了光丝同轴技术与旁轴激光熔丝技术的差异性,阐述了用于光丝同轴技术的两种成形精度方法及特点,分析了光丝同轴增材件的组织与性能;最后,指出了光丝同轴技术未来的发展趋势。

三分光束光内同轴送丝熔覆层几何形貌预测

研究"三分光束"光内同轴送丝激光熔覆各工艺参数的工艺区间及参数与熔覆层几何形貌映射关系。首先,采用单因素实验方法研究激光功率、扫描速度、送丝速度、离焦量四个工艺参数的工艺区间;其次,以熔覆层的高度、宽度、横截面积作为熔覆层几何形貌的量化指标;最后,分别建立神经网络模型和二次回归模型实现熔覆工艺参数和熔覆层形貌量化指标之间映射关系的预测。基于单道单因素实验,当激光功率介于1 300~1 700 W,扫描速度介于3~7 mm/s,送丝速度介于9~15 mm/s,离焦量介于-2.5^-1.5 mm时能获得液桥过渡熔覆质量较好的单道。在对测试样本数据的预测中,在置信度85%情况下,BP神经网络模型对熔覆层高度、宽度、横截面积的预测精度分别为100%, 100%, 93.33%,均方根误差分别为0.21, 0.07, 0.24;二次回归模型的精度分别为100%, 66.67%, 73.33%,均方根误差分别为0.21, 0.13, 0.28。结论说明二次回归模型中变量的交叉项未能拟合送丝熔覆多变量耦合的非线性过程,而BP神经网络得到较好的预测结果。

中空激光光内同轴送丝熔覆工艺的实现及其试验研究

基于"光束中空,光内送丝"的专利技术,实现了同轴送丝新工艺。这种新装置改光外倾斜送丝为光内垂直正向送丝,实现了光、丝精确耦合和熔道的各向同性。光内送丝熔覆成形试验表明:丝材熔化充分,熔道均匀平滑;熔覆组织致密,晶粒细小;平面搭接和立体堆积成形件均匀完整,熔道质量沿各方向均匀一致,无扫描方向性影响。光内送丝熔覆使三维送丝成形成为可能。

环形激光光内同轴送丝焊接试验研究

激光填丝焊是一种具有广泛应用领域的焊接工艺。针对现有旁送丝填焊工艺存在的不足,提出了光束中空、正向同轴送丝创新方案。利用所研制的光内同轴送丝焊接装置进行了焊接试验。结果表明,同轴送丝焊接具有光丝耦合姿态固定、热源对称、能量分布合理等突出优势。焊缝表面光滑平整,截面形状对称。焊缝质量各向同性,适用于一维和多维焊接。对变动激光功率、扫描速度和送丝速度进行了工艺试验,获得了一组优化的工艺参数。焊缝的扫描电镜(SEM)分析和拉伸试验表明,激光光内同轴送丝所获得的焊道组织致密、均匀,无气孔、夹渣等缺陷,是理想的激热激冷组织;焊缝与基材结合牢固,结合区无明显缺陷。

基于光内同轴送丝激光熔覆斜壁的成型技术

基于光内同轴送丝技术,在45钢基体上激光熔覆无支撑偏移堆积斜壁。对斜壁堆积的倾斜角度建立模型。结果表明,斜壁的倾斜角度与偏移量、扫描速度、熔覆层的宽度呈正相关,与熔覆丝材的直径、送丝速度呈负相关。基于扫描速度、送丝速度、提升量、偏移量几个参数设计了正交试验。试验结果表明,在送丝速度为17.6 mm/s,扫描速度为4 mm/s,提升量为0.4 mm的参数下,偏移量为0.1 mm,极限角为14.04°时可获得高为340 mm,底边宽为110 mm的斜壁。

基板受辐照比值对激光同轴熔丝沉积稳定性的影响

激光熔丝沉积技术是一种输送丝材并以激光为热源的定向能量沉积技术。为了探讨同轴熔丝过程的机理与效应,采用自主研发的激光内同轴送丝熔化沉积技术来分析研究基板受辐照比值对于熔丝过程稳定性的影响;借助高速相机拍摄并分析熔丝沉积过渡阶段机理;通过数学模型计算与实验验证的方式研究了熔丝沉积动态过程与工艺参数之间的关系。结果表明:较小的基板受辐照比值会引起“液滴”过渡熔丝行为,即处于稳定与不稳定的临界状态;而基板受辐照比值较大时会引起“液桥”过渡熔丝行为,即处于一个相对稳定的状态。本研究对激光熔丝沉积的动力学稳态性分析具有一定的指导意义。