激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟

目的提高激光内送粉变姿态熔覆层成形质量,对变姿态熔覆时非水平熔池流场随基板倾斜角的演变规律进行研究。方法首先,利用FLUENT软件中离散相模型对喷嘴流场进行模拟,获取粉末频次的分布规律。其次,采用流体体积法耦合熔化/凝固模型对熔池流场进行计算。通过施加质量源项引入同步送粉,施加能量源项模拟激光热输入,选取姿态角为30°、60°、90°进行计算,对熔池流场及熔覆层界面进行追踪分析。最后,基于激光内送粉熔覆工艺进行实验测定。结果粉斑内粉末量呈“中间均匀,两端密集”的分布规律。熔池流动为“双环流”分布特征,但流动方向受重力影响,产生偏转。取3种姿态角计算时间同为0.3 s时,熔池中心处流体的偏转角分别为2°、4°、6°,并且随着倾斜角的增大,熔覆层高度分别增加了0.28%、0.83%、1.45%,熔覆层宽度减小了1.19%、1.28%、1.73%,熔覆层顶点偏移量增大到48.08、86.54、105.76μm。最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。结论Marangoni应力使得激光内送粉熔覆熔池流体产生由中心向边界流动的“双环流”分布特征,非水平熔池流动方向受重力影响产生偏转。随着基板倾斜角增大,熔覆层截面高度增加、宽度降低、顶点偏移量增加。为提高不便摆平非水平基面的激光内送粉变姿态熔覆再制造成形质量提供了指导。

送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响(英文)

引入经典光学理论计算激光束与粉末流的相互作用,藉此研究了送粉速率对工件表面激光强度分布和不同位置颗粒温度的影响。计算结果表明:随送粉速率的增加,激光强度以及颗粒温度的最高值都显著降低;同时,激光强度分布和不同位置颗粒温度趋于均匀。由于对激光熔池中动力学过程的潜在影响,这些结果应在描述激光熔覆过程的数学模型中加以考虑。

光内送粉激光熔覆工艺参数对单层熔覆质量的影响

针对现有的激光熔覆快速制造过程中偏置侧向送粉和多粉管光外同轴送粉熔覆成形工艺的不足,提出了一种"光束中空,粉管居中,光内送粉"的新型激光熔覆快速制造工艺,可应用于金属零件激光熔覆直接制造领域。研究了光内送粉试验关键工艺参数,如光束输出模式、激光功率密度、送粉量、扫描速度和离焦量等对熔覆质量的影响;在多模激光束模式下,探索了不同工艺参数与熔覆层质量的关系,为多层熔覆薄壁墙成形试验打下良好的基础。

基于中空激光光内送粉技术的扇形结构件激光成形研究

基于中空激光光内送粉技术,运用实时变姿态方法和法向分层方法,进行了具有不等高熔道特征的扇形结构件成形研究。分析了熔道层高与扫描速度之间的对应关系,结合不等高熔道的几何模型和熔道层高与扫描速度之间的关系,采用分段变速的方法熔覆出了不等高熔道。在此基础上进行多道不等高熔道堆积,成形出了扇形薄壁墙结构。分析表明,所获得成形件尺寸精度较高,相对尺寸误差控制在7%以内;成形件各处显微组织差异较小,组织细密、均匀。

光内同轴送粉立面堆积成形实验研究

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量Δz、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证。在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量Δz、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497μm^2.163μm;Rz为1.992μm^7.447μm。结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件。

光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟

光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势。为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm^17mm,偏移量Δx大致呈增大趋势,Δx变化范围为0.0mm^0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm^2mm,而偏移量Δx在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,Δx变化幅度为0.05mm^0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合。所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值。

封闭空腔回转薄壁件的激光熔覆成形

封闭空腔结构具有大倾角的特征，如采用传统的水平分层法堆积，大倾角部分的熔池易产生塌陷，使成形无法进行；采用变角度法向分层堆积大倾角封闭区域时，存在激光与已成形部分的干涉问题。文中基于中空激光光内送粉技术进行了空间堆积封闭半球壳体的研究。将封闭半球壳体划分为变角度法向成形区域和斜定向成形区域，前者采用变角度法向分层方法进行堆积，以消除阶梯效应；后者采用斜定向错位分层方法进行堆积，避免了封闭区堆积时激光与已成形部分的干涉。建立了斜定向分层堆积偏移模型，并通过斜墙试验验证了可行性，最终完成了封闭半球的熔覆成形。检测结果表明，成形件表面平整，尺寸误差在5%以内，壁厚稳定在2.7 mm左右，两种成形区域的显微组织整体均匀致密，硬度和强度总体保持稳定。

光内同轴送粉激光熔覆堆积扭曲薄壁件工艺参数的控制

基于光内同轴送粉激光熔覆成形技术,在45钢基体上进行扭曲薄壁件的堆积。对扭曲薄壁件的倾斜角度、扫描路径、Z轴增量、熔池温度进行控制,分析各自的影响因素。通过斜壁堆积模型和倾斜度试验,得到了熔覆堆积的极限倾斜角。针对扭曲薄壁件的成形过程,设计了光头层间不停光连续扫描和光头层间停光间断扫描等2种扫描路径,并确定光头层间停光间断扫描为合适的扫描路径。通过对Z轴增量和熔池温度的控制,得到了外观光滑、表面粗糙度值低、壁厚均匀、成形质量较高的成形件。

金属粉末流中激光透光率的分析模型

在分析送粉式激光熔覆过程中激光束与金属粉末粒子流相互作用的基础上,提出了金属粉末粒子流中激光透光率的分析模型,并通过实验进行了验证。该分析模型反映了激光透光率与工艺参数及熔覆层宏观尺寸之间的关系,为激光熔覆工艺设计奠定了基础。

环形激光占空比变化对熔覆层质量影响研究

采用圆锥-圆环双反镜技术的新型光内同轴送粉装置,在相同工艺参数条件下,进行变占空比K(环形光斑内径与外径之比)熔覆试验和测试,分析占空比的变化对熔覆层组织、性能及表面形貌影响规律。结果表明:K=0时,熔覆层晶粒细密,但整体组织分布不均匀,熔覆层与基体冶金结合效果较差,稀释率大,熔覆层侧壁表面较粗糙;K=0.35时,晶粒细小均匀,熔覆层与基体结合层变薄,稀释率小,熔覆层表面较光滑;K=0.6时,熔覆层组织由胞状晶向枝状晶转化,晶粒逐渐变粗大,熔覆层表面较粗糙。

激光内送粉高速熔覆Cr50Ni合金稀释率及单道形貌分析

目的研究"光内送粉"正离焦高速熔覆Cr50Ni合金单道形貌及稀释率变化影响因素,制备耐磨、耐腐蚀绿色无污染的金属表面涂层,从而替代传统电镀。方法采用"光内送粉"正离焦新型耦合技术开展高速熔覆工艺试验,即在304不锈钢基体上制备Cr50Ni合金熔覆层。建立了光内送粉条件下粉末遮光模型,得出了送粉速率与粉末遮光率的关系,从而得到最终照射在基体上的激光能量,而激光能量密度与稀释率呈正相关,以此分析了不同送粉速率对熔覆层稀释率的影响,同时考察了不同离焦量对熔覆层稀释率以及单道熔覆厚度的影响,分析了最佳熔覆层的显微组织成分变化和硬度变化趋势。结果当扫描速度为9 m/min、离焦量为+1^+2 mm、激光功率为1.85 kW时,可获得厚度约为121~452μm、稀释率为12.9%~75%、硬度值为280~320HV的表面形貌较好的熔覆层。粉末粒子直径为50μm时,在16~32g/min送粉速率下,粉末遮光率为16.6%~33.1%。熔覆层底部的晶粒形态主要为明显的柱状枝晶,由于冷却速度快,进入熔池中的气体来不及逃逸,使得熔覆层内部存在一些微小气孔。结论 "光内送粉"正离焦光粉耦合新技术采用Cr50Ni合金材料,在激光功率为1.85 kW、送粉速率为28 g/min、离焦量为+2 mm、扫描速度为9 m/min的工艺参数下,可以获得理想的单道成形效果,实现高速熔覆。

中空激光光内送粉熔覆技术的熔池流场与温度场模拟

基于中空激光光内同轴送粉的激光快速成形工艺,对光粉耦合原理进行了分析。光内同轴送粉成形过程中,粉流稳定易控,光粉耦合性好,且金属粉末的有效利用率远高于传统光外送粉工艺。通过改变占空比和离焦量,得出两者分别对能量分布密度的影响,为工艺试验参数的选择提供依据。运用ANSYS有限元分析软件,对环形中空激光熔池三维流场和温度场进行了分析,环形中空光内熔池具有两对四环对流特点。随着熔覆层高度的增加,基板和熔池的温度会越来越高;激光束在基板和熔覆层表面经过的距离越长,温度场也发生明显变化,时间越长,温度越高。

3D打印送粉颗粒温度场研究

为了确定送粉喷头所输送的粉末颗粒到达加工基板表面时的温度分布,以及各参数对粉末颗粒温度的影响,建立了一种基于粉末颗粒位置的激光束与粉末流相互作用模型,采用经典光学理论计算了粉末流对激光束的削减作用,利用热平衡原理计算了粉末颗粒温度的上升。分别计算了316L粉末颗粒在同轴送粉和旁轴送粉时的温度分布,同轴送粉时,粉末颗粒温度迅速上升。旁轴送粉时,送粉速率和送粉角度都会对粉末颗粒的温度产生影响,降低送粉速率或者增加送粉角度都会导致粉末颗粒温度整体上升,可以通过调节送粉速率、送粉角度、送粉距离以及激光功率实现更合适的加工工艺。所建立的激光束与粉末流相互作用的模型,对于计算此类问题具有参考价值。

激光内送粉熔覆表面质量研究

采用激光内送粉熔覆技术熔覆单道,探究激光功率、扫描速度和送粉率3个工艺参数对表面质量的影响,选择较优的工艺参数成形直墙薄壁件。结果表明:激光功率对单道熔覆层表面质量有显著的影响,随着激光功率的增加,单道熔覆层上表面和侧面黏粉减少,上表面表面粗糙度降低,增大功率可以提高表面质量;随着扫描速度增大,单道上表面和侧面黏粉及表面粗糙度先减小后增大;随着送粉率增大,单道上表面和侧面黏粉及表面粗糙度增大,过小送粉率会导致熔覆层过烧,熔覆效率低。直墙薄壁件表面粗糙度为2.244μm,侧面黏粉较少,表面波纹度为16.036μm,表面质量良好。

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。

中空激光内送粉熔覆成形悬垂薄壁件

基于激光光内同轴送粉技术和6轴机器人技术,采用熔覆头空间变姿态的成形方法,通过沿着生长的切线方向连续变角度送粉堆积的方法成形了悬垂薄壁件。建立了倾斜基面熔池受力与位移模型,并通过优化工艺参数抑制熔池的位移和流淌。实验结果表明,倾斜角可从0°逐渐变化至81°,实现了大倾角悬垂结构的无支撑成形。成形件表面平整光滑,完全消除了"台阶效应",表面粗糙度Ra=6.3μm。截面纹理图显示各熔层沿中轴线对称,无明显朝重力方向的偏移。成形件在不同倾角位置的显微组织无明显区别,皆达到晶粒细小,组织致密均匀。

光内送粉激光熔覆堆积变径回转体工艺参数的控制

基于"光束中空,光内送粉"的专利技术,采用新型光内同轴送粉装置,在45#钢基体上进行变径回转体堆积。分别对变径回转体斜度、Z轴增量及功率进行控制,并分析各自的影响:斜面堆积中倾斜角度与偏移量、扫描速度成正相关,与送粉速度和粉末利用率成负相关,极限倾斜角度与偏移量成正相关,与熔覆层高度成负相关;随着堆积的进行,粉末利用率降低,离焦量变大;在高层熔覆堆积过程中,熔池由三维散热变为二维散热,散热降低,熔池温度上升,应相应减小功率。得到的成型件外观光滑、粗糙度低、成型质量较高,为变截面的三维堆积试验提供参考。

基于光内送粉激光变斑直接成形薄壁叶片的工艺研究

针对薄壁叶片不等宽的结构特征,提出基于光内送粉方式采用变光斑一次扫描而非多道搭接直接成形出不等宽熔覆层的方法,逐层堆积直接制造薄壁叶片。研究了变斑过程中等高度单道及"阶梯型"单道对薄壁件成形质量的影响规律。实验结果表明:在保证送粉量足够的条件下,变光斑过程中通过实时变扫描速度及激光功率,能够直接熔覆出高度相等、宽度逐渐变化的单道熔覆层;基于等高度单道的变斑堆积过程中熔覆层增长高度并不一致,宽高比大的部位生长高度要大于宽高比小的部位的问题,建立了熔覆层提升量、单层生长高度和熔覆层截面曲线阶数的理论模型,提出了"阶梯型"单道变斑直接成形方法,解决了熔覆层高度生长不一致的问题,获得了熔覆层宽度从1 mm到3 mm连续变化的薄壁叶片,为光内送粉激光直接成形薄壁变壁厚类零件提供新方法。

中空光离焦量对单熔道质量的影响

利用环形激光光内同轴送粉喷头进行单熔道试验和测试,就中空环形光离焦量对45#钢表面熔层平整度、平宽度、平高度以及熔覆截面微观组织的影响进行试验研究。通过改变离焦量,获得单道熔覆层,并进行单层熔宽、熔高及表面平整度的测试和微观组织的对比,分析了离焦量对熔层组织、性能和表面状态的影响规律。结果表明:熔覆层组织在小离焦量情况下细密,环形光激光熔覆层的硬度、表面平整度随离焦量的变大先增后减,在较小负离焦状态下可得到最大值。

送粉式激光熔覆过程中透光率的理论推算、测试方法及其影响因素

提出了透光率、吸收透光能量线密度的概念．建立其计算模型并实验检测了透光率、吸收透光能量线密度。两者在反映送粉熔覆过程的客观规律方面及理论计算值和实验检测计算值方面均获得良好的吻合。对送粉利用率随扫描速度变化出现极大值现象进行了合理的解释。