激光熔丝增材制造温度场的红外热像监测

为实现对增材制造成形件的精确控形控性，必须要对其热过程有一定科学认识。以真空环境下激光熔丝增材制造单道成形为例，利用红外热像技术对其热过程进行监测。比较分析送丝速度对温度场、热循环、冷却速率的影响规律，利用红外热分析对其成形熔敷道宽度及缺陷开展研究。结果表明:借助红外热像可实现对熔敷道温度场变化的监测，沿熔敷道长度成形方向，监测点对应最高温度和冷却速率分别呈现升高和降低趋势。随着送丝速度的增加，熔敷道长度1/4、2/4、3/4处监测点对应的冷却速率随之减小。此外，基于红外热分析可实现对熔敷道宽度预测以及对缺陷位置的定位。     

温度场模拟激光熔覆TC11钛合金工艺参数的选择

以通过激光熔覆修复钛合金薄壁件并在钛合金表面获得优质激光熔覆涂层为目标,运用ANSYS软件对同步送粉式激光熔覆的温度场进行了三维建模数值模拟。基于该模型对激光熔覆过程中的温度场分布和工艺参数进行了分析。结果表明,激光扫描方向前方的表面温度场相比后方熔池温度小,等温线密集,温度梯度大,熔覆两道后熔覆道1没有重熔,并且对熔覆道2产生预热作用。激光加工的快速加热和冷却的特性显著,冷却时的冷却速度可达104℃/s,在其他工艺参数不变的情况下,理论上在激光功率P=1100 W,扫描速度v=4 mm/s,光斑直径d=1 mm 时模拟过程可获得良好的冶金结合,为修复薄壁零件提供了借鉴和指导作用。     

激光快速成形过程的热行为及其影响

建立了激光快速成形(LRF)过程熔池的比色测温系统，分别采用实时跟踪和定点测量两种方式实现了熔池温度和熔池后沿冷却速率(温度梯度)的测量。结果表明，随着激光功率和送粉率的增大，熔池温度升高，熔池后沿冷却速率减小;随着激光扫描速度的增加，熔池温度下降，熔池后沿冷却速率增大。单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程温度检测结果发现，随着沉积层数和沉积道数的增加，成形过程呈现热累积效应，即熔池温度逐渐升高，而熔池后沿的冷却速率则呈现完全相反的趋势。     

316L激光熔覆质量预测及路径选择研究

为了避免激光熔覆时熔覆层边界处产生过烧和塌陷等缺陷,基于热传导理论分析了基体不同位置的散热差异,采用数值计算方法分析扫描路径对温度场的影响,在激光功率1000W、扫描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时,同向熔覆和异侧熔覆比反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度分别降低约300℃和500℃,预测了反向熔覆和同侧熔覆的过烧和塌陷区域并进行了实验验证。结果表明,扫描路径对边界过烧和塌陷的影响很大,同向熔覆和异侧熔覆可以在保证高加工效率、材料利用率以及合理工艺参量的同时提高边界熔覆质量;异侧熔覆可以更好地平衡热量累积与散热间的关系,使熔覆层边界晶粒细密、内部组织分布均匀、性能更加优良。此项研究对提高激光熔覆层质量是有帮助的。     

激光熔覆工艺参数对Fe W B熔覆层质量的影响

采用激光熔覆技术在65Mn钢表面熔覆FeW B三元硼化物熔覆层。通过单道熔覆与单层多道熔覆实验,探究激光功率、扫描速度、送粉速率、搭接率对熔覆层质量的影响,获得优化激光工艺参数组合。并通过光学显微镜、X射线衍射仪和维氏硬度计对熔覆层进行分析。结果表明:工艺参数对熔池高度与熔池宽度的影响程度由小到大排列为:送粉速率、扫描速度、激光功率,对维氏硬度的影响程度由小到大排列为:扫描速度、送粉速率、激光功率。获得的最优工艺参数组合为:激光功率800W,扫描速度3mm/s,送粉速率4 g/min,搭接率50。此时熔覆层的维氏硬度均值为7579 HV,是基材的35倍。熔覆层与基材冶金结合良好,其微观组织由枝状晶、胞状晶和柱状晶组成。     

镍基高温合金激光熔覆数值模拟及回归正交试验优化

研究了高温镍基合金增材制造过程工艺参数与熔覆形貌、质量之间的关系。首先，利用ANSYS分析软件，采用APDL编程和生死单元技术在45#钢表面建立Inconel718激光熔覆模型，通过比较数值模拟和试验结果得到的熔池尺寸，从而验证模型的准确性，以减少后续的试验成本。然后，以熔覆层质量（成形系数）为指标，利用回归正交试验设计建立一次回归方程，研究工艺参数对熔覆层质量的影响次序，依次为激光功率、送粉速率、扫描速度。由方差分析可知，多因素交互作用对熔覆层质量影响不显著，而激光功率和送粉速率对熔覆质量影响最显著。因此，设计单因素试验分析其对熔覆层硬度、稀释率以及熔覆形貌的影响规律。通过方差分析预测最优方案为激光功率1200 W、扫描速度23 mm/s、送粉速率20 g/min，其与试验得到的结果一致，并对最优参数进行多道搭接试验验证，发现其组织致密细小，熔覆层与基体有良好的冶金结合性，该研究对后续的实践生产工作有一定的指导作用。     

曲面激光增材制造钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程热行为研究

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化,当扫描速度为0.32 rad/s时,随着激光功率从1400 W增至2300 W,熔池最高温度从1525.5℃升至3289.8℃,熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³,熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W,扫描速度为0.32 rad/s时,Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大,为1.84,起始堆积Ti层的宽深比次之,为1.42,稳定堆积Ti层的宽深比最小,为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm,熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。     

模拟研究离焦量对7050铝合金Al/Ti熔覆过程的影响

针对7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体,建立了三维瞬态温度场有限元模型,模拟了不同离焦量条件下的熔池大小、温度梯度、冷却速度及形状控制因子.结果表明,熔池宽度与深度尺寸随着离焦量数值的增大先增大后减小,在离焦量为20 mm时熔池宽度与深度都出现了最大值.沿熔池深度方向(即Z向)的温度梯度数值最大,散热条件最好,表明熔覆凝固过程中的晶粒生长方向主要集中在Z向.离焦量为40 mm时的冷却速度最大、晶粒细小,离焦量为80 mm时的冷却速度最小、晶粒粗大,且得到实验验证.离焦量为60 mm时的形状控制因子最大,金相组织出现柱状晶;离焦量为80 mm时的形状控制因子最小,金相组织主要为胞状晶,并有相应的实验验证.     

镍硅硼合金粉末激光熔覆中熔池光谱检测分析

为了研究激光熔覆过程中激光熔池的光谱辐射特性,采用光栅光谱检测技术检测镍硅硼合金粉末熔覆过程中熔池光谱,得到不同功率、速度及时间下的光谱分布。结果表明:激光功率900 W时波长550nm处熔池光谱相对强度最高为500,功率增加到1000 W时,光谱相对强度增加为600;激光功率保持不变时,光谱辐射相对强度随扫描速度增加而减小,随熔覆过程时间增加而增加,但在15s后,基本达到稳定状态。激光熔覆过程中熔池光谱波动与熔覆层质量存在一定的关系,试验中发现,功率为900 W,扫描速度2mm/s时,熔覆层质量较好,试样基体变形较小,熔池光谱相对强度波动也较小。     

激光熔覆Ni基合金温度场的数值分析

为了分析预置粉末Ni基合金熔覆过程的温度场和熔池的结晶变化规律,采用有限元方法建立了激光熔覆Ni基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和凝固结晶过程进行了分析及验证。结果表明,最高温度位于光斑中心处,等温线近似椭圆形,并且向外逐渐减小;熔覆层上某点热循环峰值温度随着热源的远离而明显降低,且热循环起始由第1道次的室温增大到最后道次的730℃;形状因子有结合界面处的1.9109℃smm-2降到熔覆层表面处的0.7109℃smm-2,同时,二次枝晶的间距在结合面处最大,表面处达到最小值,与相同工艺参量下的金相组织和凝固结晶理论完全吻合。该研究结果为激光熔覆过程的优化提供了指导意义。     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金激光熔凝的热效应模拟

为了研究激光增材制备非晶合金过程中熔池和热影响区的成形机制, 利用有限元软件ANSYS, 对激光增材制造技术的基础过程-激光快速熔凝Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的热效应进行了数值模拟分析。结果表明, 激光单点熔凝时, 熔池的平均冷却速率为6.3×104K/s, 热影响区的平均冷却速率为1.4×104K/s, 远高于Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的临界冷却速率1.5K/s, 说明激光单点熔凝的热变化满足非晶合金的生长条件; 激光单道熔凝过程中, 熔池的平均冷却速率仍比较高, 为2.11×102K/s, 但热影响区的平均冷却速率较低, 为74K/s, 且热影响区会产生弛豫累积, 可能造成一定程度的晶化。此研究为激光增材制备非晶合金材料提供热效应的理论基础。     

温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响

为了减少激光熔覆技术中因温度梯度大而产生的熔覆层裂纹，在激光熔覆过程中采用预热基体的方法来减小温度梯度。采用ANSYS软件建立45#钢基材上激光熔覆镍基金属粉末的多道搭接温度场有限元模型，通过热电偶测温验证模型的可靠性，利用建立的有限元模型分析熔覆层在熔覆过程中熔覆层边缘的温度梯度变化规律以及基材预热温度对熔覆层温度梯度的影响。结果表明，最大温度梯度位于熔覆层与基体结合界面的边缘，使得此处成为金属熔池凝固的极端条件，导致此处极易产生裂纹；在基材预热为200℃时，可以显著降低熔覆层凝固过程中的温度梯度，温度梯度的降低越明显，越能有效地抑制裂纹产生。通过模拟与实验的结合为实际激光熔覆制造提供了切实可行的参考依据。     

基于CCD激光熔覆成形过程在线监测与控制

激光熔覆快速成形过程中,熔覆层高度是由激光参数,加工工艺,粉末材料等多种因素共同决定。基于CCD实现了对成形过程的实时监测,并通过基于VC++开发的图像处理软件,有效的提取激光熔池中心到激光头之间的高度信息来控制熔覆堆积过程,从而确保了熔覆过程的顺利进行,提高了成形件的加工质量,为激光熔覆快速成形制造技术的在线监测提供了新的手段。     

基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定,采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制,搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中,建立了灰度比值与K的对应关系,推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递,设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明,此系统能实时准确地测量并控制熔池温度,控制精度在3%以内;将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中,能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应;成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm,成形件各处显微组织差异较小,组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。     

激光直接制造金属零件过程的闭环控制研究

对激光直接制造金属零件过程中熔池温度和熔覆层厚度的变化进行了研究,指出对确定的材料,当激光功率增大到一定值时,熔池内的金属溶液大多已达到了热饱和,温度累积效应并不显著,熔池温度基本保持平稳,而在制造过程中若零件由于工艺不稳定而产生凹凸点,在多次层叠制造后,凹处越凹、凸处越凸,严重影响零件的制造精度。所以通过传感器来直接监测金属零件的熔覆高度,进而通过控制送粉量来保证制造过程中熔覆高度的稳定性比起温度控制来更具有实际意义。提出了熔覆高度的检测方案,并对送粉量的闭环控制系统进行了研究,对送粉量的时间延迟提出了相应的对策。结果表明对熔覆层高度的检测和对送粉量的调节能够提高激光直接制造过程的稳定性和制造精度。     

CO2激光熔凝中熔池冷却过程检测研究

为了研究激光熔凝温度场的分布,采用非接触式的直接检测方法,研制了一套新型激光熔池动态检测系统,实时拍摄了激光熔凝中熔池冷却过程热辐射图像,进行了理论分析和实验验证,取得了熔池冷却时非稳态温度场分布数据。结果表明,激光熔凝熔池冷却过程分为熔化凝固和固态降温两个过程,检测得到了熔化时间、凝固时间、熔池温度场分布、熔池尺寸等信息。这一结果对于激光熔凝工艺参数的优化选择设计是有帮助的。