激光熔覆成形过程的检测与控制研究进展

激光熔覆成形(laser cladding forming,LCF)是近年来发展起来的一种先进制造技术,可用于金属零件的表面改性、成形及再制造。激光熔覆成形过程伴随着复杂的物理和冶金现象,且激光加热和冷却过程极快,成形组织与性能受诸多因素影响,其中熔池的温度场和几何形状及熔覆层形貌对零件质量的作用至关重要,通过对这些信息的检测和控制,可以对熔覆层质量和缺陷进行预测和调控,从而保证成形性能。因此,激光熔覆成形过程的检测和控制已成为激光材料加工和成形领域的研究热点。对激光熔覆成形过程相关熔池和熔覆层参数的测量和控制方法、检测系统及应用进行了回顾和分析,并提出了未来的发展方向和趋势。     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律。结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化。模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律。     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律.结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化.模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律.     

激光熔覆技术成形薄壁件的研究进展

激光熔覆成形是一种能制作全致密金属零件的增材制造(3D打印)技术。激光熔覆成形薄壁件较传统工艺制造薄壁件有很大优势,特别是对于结构复杂的薄壁件。激光熔覆成形的薄壁件力学性能优异、组织致密。本文主要对激光熔覆成形薄壁件的成形原理以及工艺特点、工艺参数、粉末、成形方法等方面的研究进行了综述,并分析了发展趋势。     

基于计算机技术45钢激光熔覆工艺的数值模拟

建立了尺寸为30mm×20mm×4mm的三层激光熔覆的有限元模型,并成功地对激光熔覆过程中的温度场和应力场进行了有限元模拟。结果发现:随熔覆层数的增加,结点温度逐渐增大,最大残余应力位于熔覆层与基体材料连接处,激光熔覆结束后的变形很小,同时为优化激光熔覆工艺参数提供了理论依据。     

基于等离子熔覆快速成形零件的组织与性能

为了采用微束等离子弧粉末熔覆快速成形技术,在低碳钢基板上进行了铁基合金粉末Fe313的直接金属成形试验.通过光学金相显微镜和扫描电镜观察分析了成形金属零件显微组织和形貌,并利用维氏硬度计测试了熔覆层的显微硬度.结果表明,成形件中部典型组织表现为岛状的M-A组元,层与层结合处可看到明显的组织分界,先成形层受到后成形层的热影响,会引起晶粒细化,成形件硬度沿高度呈U形分布,中间熔覆层由于后道焊缝的回火作用而有所软化,导致硬度降低.     

激光金属制造薄壁零件z轴单层行程模型

为了提高激光金属直接制造薄壁零件的成形精度,制备出表面平整的薄壁零件,研究了z轴单层行程参数对成形薄壁试件表面精度的影响规律,提出并验证了z轴单层行程理论模型.结果表明,在一定简化条件下,根据质量守恒定律,推导出任意参数下的z轴单层行程模型,该模型显示z轴单层行程是单道熔覆层宽度与高度的函数,当z轴单层行程与模型计算值一致时,能够制造出表面平整的薄壁零件.     

微束等离子粉末熔覆金属零件直接快速成形研究

对微束等离子熔覆金属零件直接快速成形技术进行了初步研究.构建了该成形系统的软、硬件实施.利用该系统制造了一个由80层熔覆层堆积而成的简单空心筒状零件,其直径误差小于5%,高度和垂直度误差小于2%.对成形件的组织分析表明,成形件中部典型组织表现为短小枝晶,层与层结合处可看到明显的组织分界,结合处组织向等轴晶转变.熔覆率为132 g/h,粉末利用率为85%～90%.硬度测试表明,成形件硬度主要分布在200～260 HV,上部和底部硬度值略高于中部,硬度值为260～320 HV.     

光丝耦合及工艺参数对激光填丝熔覆层成形特征的影响

基于激光填丝熔覆不同工艺参数对Q235钢熔覆层成形的影响,通过高速摄像系统拍摄了不同工艺参数下丝材的熔入过程,并分析了熔覆层形貌及横截面,得出了丝材与激光斑点相对位置、激光功率、熔覆速度和送丝速度对熔覆层成形的影响。结果表明:(1)丝材与激光斑点相对位置是影响丝材熔入行为和熔覆层成形好坏的关键因素。当采用前置送丝,激光束与丝材部分重叠,送丝角度介于40°～70°时,熔覆过程稳定且成形最好。(2)激光功率增大时,熔池尺寸增大,熔覆层宽度增加,余高减小。熔覆速度变大时,熔池凝固速度变快,从而使液桥变窄,熔覆层宽度和熔深减小、余高增大。送丝速度增大时,熔覆层熔深减小、余高增大。     

预热温度对U75V激光熔覆成形性能的影响

研究了预热温度对U75V激光熔覆成形的影响,分析了熔覆层显微组织特征和硬度分布。结果表明,当预热温度低于125 ℃时,熔覆层出现了孔洞和熔深分布不均匀的缺陷,整体尺寸波动较大;125 ℃预热成形的多层熔覆层无明显缺陷。在母材预热后,单层熔覆层熔覆区组织由魏氏组织变化为下贝氏体,热影响区主要为粗晶马氏体,硬度变化较小。多层熔覆层熔覆区组织为柱状晶和等轴晶共存,热影响区的马氏体分布在熔合线附近区域。预热后熔覆层的硬度有所下降,预热对马氏体转变的影响较小。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

单晶材料皮秒激光旋切制孔热过程影响研究

根据超短脉冲激光同材料作用的原理,材料通过光化学机制被去除,加工区域的瞬时温度将超过材料的气化温度值。通过热成像仪对皮秒激光旋切制孔过程中的加工区域进行实时观测,研究了皮秒激光打孔过程中的热过程,比较了同轴气体的存在对加工区域温度场的影响,指出在皮秒激光旋切制孔工艺中,并未观测到单晶材料加工区域的温度升高到气化、液化温度以上的情况,加工区域的温度仍保持在较低水平。因此从宏观上看,皮秒激光制孔工艺属于"冷加工"范畴。提出的通过热成像仪对制孔过程在线控制的方法,可为单晶材料超快激光打孔工艺参数的优化及过程控制提供参考。     

钛合金激光沉积制造热累积与熔池形貌演化

为了研究激光沉积制造过程热累积对熔池形貌的影响,利用有限元软件对单道多层激光沉积制造TA15钛合金过程三维温度场进行数值模拟,得到不同沉积层上的节点热循环特性、熔池温度分布规律以及熔池形貌变化,结果表明沉积过程存在着热累积现象会使熔池面积逐渐变大。并通过对激光沉积过程熔池进行实时监测的试验对模拟进行了验证,结果显示热累积直接影响沉积层上熔池的宽度以及倾斜角度,且自一定层数之后,熔池温度和熔池宽度逐渐趋于稳定。实验结果和模拟结果吻合较好。     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

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。     

A three-dimensional finite element analysis of the temperature field during laser melting of metal powders in additive layer manufacturing

Simulating the transient temperature field in additive layer manufacturing (ALM) processes has presented a challenge to many researchers in the field. The transient temperature history is vital for determining the thermal stress distribution and residual stress states in ALM-processed parts that utilise a moving laser heat source. The modelling of the problem involving multiple layers is equally of great importance because the thermal interactions of successive layers affect the temperature gradients, which govern the heat transfer and thermal stress development mechanisms. This paper uses an innovative simulation technique known as element birth and death, in modelling the three-dimensional temperature field in multiple layers in a powder bed. The results indicate that the heated regions undergo rapid thermal cycles that could be associated with commensurate thermal stress cycles. Deposition of successive layers and subsequent laser scanning produces temperature spikes in previous layers. The resultant effect is a steady temperature build-up in the lower layers as the number of layers increases.     

特种加工技术在再制造领域中的应用与发展

特种加工技术能完成许多传统加工技术无法完成的加工任务,近年来越来越多地被应用于再制造领域。再制造是指对废旧的零部件进行再加工,以达到弥补缺陷、再次使用的目的,该技术有利于降低制造成本、缩短制造周期、节约资源。本文首先对再制造的工艺流程进行简介,再分别介绍磁力研磨技术、焊接技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等特种加工技术的特点及其在再制造领域的应用,最后对再制造技术的发展进行初步展望。      

多道激光熔覆温度场的有限元数值模拟

分析了激光熔覆过程中温度场的主要影响因素,在主要考虑边界条件和热源数据的基础上,建立了送粉式激光熔覆多道搭接情况下温度场的有限元计算模型,并对板材上搭接三道熔覆层的熔覆温度场进行了三维数值模拟,得到了每道熔覆层上中心点的温度变化规律.结果表明,在激光熔覆过程中每道熔覆层中心点上的温度随时间延长呈锯齿状变化,且每个中心点所能达到的最高温度并不相同.此外,搭接情况下,熔覆层中心点每次升温前的最低温度是随着熔覆顺序的进行而逐渐升高的,且升高趋势类似于抛物线.此计算结果合理,为研究应力场和应变场的变化规律打下基础.     

电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展

激光熔覆技术在装备制造、石油化工等领域有着广泛应用,但熔覆层裂纹、气孔和夹杂、溶质元素分布不均匀及表面起伏等问题严重制约了其应用。因而,提高熔覆层质量,特别是减少高硬材料熔覆层裂纹,对发展激光增材制造和再制造技术具有重要意义。电磁场辅助激光熔覆技术具有组合形式多样、工艺可控性强、作用效果显著等特点,通过在激光熔覆过程中施加电磁场,利用电磁力对熔池的搅拌作用改变传质传热过程,可以实现提高熔覆层质量、细化微观组织、改善性能的目的。在介绍电磁场辅助激光熔覆技术的应用背景及技术特点的基础上,系统总结了国内外关于电磁场辅助激光熔覆技术相关研究的最新进展。梳理概括了电磁场对激光熔覆过程的影响机制,讨论了电磁场对熔体运动行为和凝固过程的影响机理。电磁场对熔体运动行为的影响主要体现在电磁搅拌效应、电磁制动效应、热电磁流体效应、电迁移效应、趋肤效应等方面;对熔体凝固过程的影响主要体现在晶粒破碎作用、原子团起伏效应、焦耳热效应等方面。同时,详细分析了不同电磁场形式(单一磁场、单一电场及电磁复合场)对激光熔覆涂层组织和性能的影响,并对比分析了不同电磁场形式的优缺点和差异性。归纳了现阶段应用于电磁场辅助激光熔覆的涂层材料体系,包括铁基涂层、镍基涂层、钴基涂层及复合涂层,重点讨论了电磁场对各类涂层组织成分均匀化和析出相及强化相分布规律影响的内在机理。同时结合电–磁–超声多场耦合辅助激光熔覆技术的最新成果,阐述了电磁场和超声场的耦合作用对激光熔覆涂层的影响。最后对现阶段电磁场辅助激光熔覆技术存在的问题及未来发展方向进行了展望。     

超声红外热像技术检测激光焊缝质量

超声红外热像技术是一种新兴的无损检测技术。使用超声作为热激励源,可以实现对缺陷部位选择性热激励,同时用红外热像仪捕捉材料表面温度变化。介绍了超声红外热像技术的基本原理,对两类激光焊接试件进行了检测。试验结果可用以分析激光功率和焊接速度对焊接质量的影响。