同步送粉大功率激光表面宽带熔覆技术

报道通过积分镜将激光光束聚焦成宽光带、配合同轴保护矩形送粉喷头实现大功率激光宽带熔覆的装置及其工艺试验结果,激光功率为14kw时,单道熔覆层宽度达45mm,厚度达3mm,熔覆层表面平整,厚度均匀.     

激光熔覆石化阀门密封面熔覆层裂纹控制的研究

采用5kW横流CWCO2激光器,对不同基体材料的石化高参数阀门密封面进行激光熔覆,所用合金粉末为CoCrWB与NiCrFeBSi合金粉末。在研究解决了厚层单道熔覆裂纹问题基础上,得到了厚2mm～3.5mm,表面平整、无质量缺陷的激光熔覆层。结合激光熔覆阀门零件的试验研究,分析探讨了影响熔覆层,特别是厚层熔覆层裂纹形成的各种因素及其综合影响,提出了关于建立判断熔覆层裂纹形成的应力判据模型的思路。     

激光感应复合熔覆镍基涂层的裂纹研究

采用送粉激光感应复合熔覆技术制备了镍基合金熔覆涂层,研究了涂层的组织和裂纹行为.研究结果表明,镍基合金熔覆层具有很大的裂纹倾向,激光感应复合熔覆中工艺参数对裂纹形态有较大的影响,感应加热可以有效抑制熔覆层的开裂行为,感应能量的加入使熔覆层、热影响区和基体显微硬度有所降低.熔覆过程中主要产生残余热应力,随着感应能量的增加,熔覆层残余拉应力明显减小,当感应能量密度达到36J/mm2时,基体表面温度约为600℃,裂纹完全消除.     

飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。     

送粉式激光熔覆过程中激光有效能量的描述

为描述激光熔覆层质量与工艺参数之间的相互关系,在研究自动送粉激光熔覆过程能量分配规律的基础上,利用金相法检测的不同工艺条件下单道熔覆层的宏观参数,定量计算了L.C.Lim提出的单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输入的比能两个重要参数,并系统地分析了影响因素。在激光参数恒定的条件下,单位质量熔覆材料的比能随送粉速率的增大而减小;单位时间实际输入的比能随扫描速度的增加而减小。对单位质量熔覆材料的比能随扫描速度的变化出现最小值的现象给出了合理的解释。为进一步研究熔覆层的凝固行为、显微组织与工艺参数的关系奠定了理论基础。     

大功率半导体激光熔覆高速钢研究

使用2kW半导体激光在工具钢表面熔覆高速钢粉末。在同轴送粉的粉末汇聚点与激光的聚焦点可获得无裂纹的熔覆层。随着激光功率的增加,熔覆层厚度和粉末利用率增加,同时基体对熔覆层的稀释率下降。获得的熔覆层的硬度达到800Hv0.3,基体硬度200Hv0.3,表明大功率半导体激光在表面熔覆领域具有很好的应用前景。     

激光熔覆WF218合金粉末的研究

本文对激光熔覆用WF—218合金粉末的激光熔覆工艺和熔覆层组织、性能进行了研究,获得了WF—218钴基合金粉末激光熔覆层厚度和宽度与最小比能量关系曲线和熔覆层的性能数据,为用户选择和使用激光熔覆WF—218合金粉末和在气门等产品上应用提供了依据。     

激光熔覆复合涂层组织性能研究

研究了TC4合金表面激光熔覆WC-12Co/NiCrAlY复合涂层后熔覆层的组织结构、显微硬度、熔覆层深度等。实验结果表明,激光熔覆层在组织结构上分为熔化区、结合区、热影响区。由于涂层中不同部位成分、温度分布及冷却速度不同使初生相呈树枝状、块状、花瓣状及颗粒状等几种形态;实现了涂层与基体的良好冶金结合,熔覆层最高硬度可达1100 HV。利用SEM观察、显微硬度测试等分析手段,研究了激光功率、扫描速度、涂层成分、涂层厚度对熔覆层的显微硬度、熔覆层深度影响。结果表明:在其它条件不变时,随着能量密度的增加,熔覆层的显微硬度下降;随着涂层成分中WC-12Co相对含量的增加,熔覆层的硬度增加,但熔覆层的深度减小;激光能量密度大小对熔覆层中熔化区的深度有较大影响;随着涂层厚度的增加,熔化区的深度在减小。     

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。     

真空激光熔覆的研究

真空激光熔覆避免了大气中有害气体对熔池的侵入,使熔覆层中的显微缺陷和开裂敏感性减小,提高了熔覆层的质量;并且真空熔覆的工艺特点与大气下的激光熔覆不完全相同;其它工艺条件相同时,真空激光熔覆的尺寸(宽度W和厚度H)明显小于大气下熔覆层的尺寸。     

超声多重深度相控聚焦发射设计与仿真

为解决动态孔径发射检测效率低而动态深度聚焦成像技术不同深度检测分辨率不均匀的问题,结合两种技术的优点,设计了一种多重深度聚焦发射方案。通过对超声相控阵成像空间分辨力与线性阵列结构参数关系的分析,确定了分区对称发射方式。并在标定横向焦宽7 mm,纵向焦深50 mm条件下,得到探测深度最大为110mm。经仿真成像对比,证明了该发射方法可有效改善分辨率不均和动态范围随探测深度降低的问题,且有效提高了超声相控阵检测效率。     

热弹激光超声激励及缺陷检测的有限元分析

为了探讨热弹激光超声的激励机制及其在缺陷检测中的应用,采用有限元分析法对材料中的温度场及应力场进行了计算。阐述了脉冲激光辐照材料的理论基础,将脉冲激光加载于工件表面,同时考虑对流和辐射换热边界条件,分析了材料中的温度场;基于热固耦合,将温度场加载于应力场分析过程中,讨论了热弹机制下纵波声场和横波声场的指向性分布,并通过模拟热弹超声波在含有缺陷工件中的传播过程,获得了缺陷回波信号;搭建了一套热弹激光超声检测系统,以实现表面裂纹深度的测量,通过有限元分析和实验验证,获得了反射系数与裂纹深度的关系。结果表明,反射系数随裂纹深度的增加而增大,使用直径1mm的激光光斑检测深度小于3mm的裂纹,当裂纹深度大于2.2mm时,反射系数的增长趋势变缓。此有限元分析结果能为热弹激光超声在缺陷检测中的应用提供参考和依据。     

检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计

相控阵超声检测技术能够为发动机叶片表面裂纹的检测提供方法。设计并制作了满足检测要求的带有楔块的相控阵超声换能器,该换能器包含阵元和楔块,其中阵元为线阵,个数为32,中心频率为5MHz,阵元宽度为0.3mm,阵元间距为0.1mm;楔块与叶片的表面完全耦合。采用有限元法对相控阵超声换能器和楔块的设计理论进行可行性验证。同时,构建相控阵超声检测系统,对叶片试样进行检测试验,试验结果表明,设计的带楔块的线阵换能器能实现对试样表面裂纹缺陷的检测。     

激光熔覆再制造复杂轴类零件的轨迹规划

对于复杂轴类零件的激光熔覆再制造,实现轨迹规划及自动编程较为困难。针对这种情况,结合逆向工程与轴类零件再制造的特点,完成了基于非均匀有理B样条（NURBS）曲线的复杂轴类零件表面逆向。提出了面向激光熔覆再制造的NURBS曲线等弧长插补方法并设计了一种基于Romberg求积公式的牛顿迭代数值算法。开发了6自由度关节机器人的轨迹规划及辅助编程程序。对实验零件熔覆层金相组织、厚度、显微硬度进行了测试和分析。结果表明,熔覆层与基体形成冶金结合;熔覆层厚度均匀,在光束最大倾斜至水平夹角42时,熔覆层厚度比最厚处减少0。034 mm;显微硬度明显高于基材。证明了这是一种可靠的激光熔覆再制造方法。     

64阵元高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究

超声相控换能器具有焦距可调,多焦点聚焦的特性。以64阵元球面相控换能器为例,利用Westervelt声波非线性传播方程及时间反转法(TR)对64阵元圆形相控换能器在水中不同焦点处形成的焦域声压分布进行时域有限差分法(FDTD)仿真研究。研究结果表明,频率为0.5⁰.8 MHz时自聚焦形成的焦距均小于球面几何焦距;单焦点聚焦时,随着焦点偏离声轴的距离增大,焦点处的最大声压逐渐降低,随着焦距增大,旁瓣与主瓣最大声强比值先减小后增大;频率为0.7MHz,双焦点聚焦时,在焦点间设定距离>7mm的条件下,焦点间旁瓣很小,当焦点间距离≤2.5mm时,两焦域融合成单一焦域。     

高能应变率下钛合金靶材层裂模拟研究

针对激光诱导冲击波的力学效应,建立了TC4钛合金靶材在单脉冲纳秒激光和单脉冲飞秒激光加载下的有限元仿真模型,分别分析了纳飞秒激光加载下的TC4钛合金靶材层裂与靶材厚度的关系。仿真结果表明高能激光加载下拉应力以及材料表面发生的形变都与靶材的厚度有关,因此层裂程度与靶材厚度相关,表现为TC4钛合金靶材厚度越大越难以发生层裂。对于纳秒激光,峰值压强为6.945 GPa的条件下,靶材厚度在0.3 mm和0.8 mm时,靶材发生层裂;当厚度为1 mm时,材料发生形变。对于飞秒激光,峰值压强为41.33 GPa的条件下,靶材厚度在0.01 mm时靶材破损;靶材厚度为0.05 mm时发生形变。     

激光超声检测带涂层金属表面裂纹的数值研究

为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用，采用有限元模拟的方法，分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型，并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析，得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明，瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化；当表面存在裂纹时，不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度h_c成线性关系，带涂层模型的Δt与h_c以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。     

相控阵声束焦距深度与晶片数目的优化研究

相控阵技术的突出优点包括实现灵活聚焦和激发孔径的自由选择。相控阵技术在实际检测过程中聚焦深度一般会固定但是其聚焦深度与激发孔径的大小（即激发晶片数目的多少）之间具有复杂的相互关联和制约关系。因此基于相控阵声束形成及聚焦的原理,采用32阵元线型阵列换能器,通过实验方式研究了聚焦深度为10～50mm时激发孔径的最佳范围。研究结果希望会对今后的相控阵检测起到重要的参考价值。     

超声相控阵系统提高延时分辨率的研究进展

超声相控阵技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位延时控制,获得灵活可控的合成波束及实现动态聚焦、偏转、声束形成等各种相控效果。精密聚焦延时是超声相控阵动态聚焦的核心,无论是在超声相控阵发射延迟控制还是接收延时补偿中,都需精确控制相位延时。该文介绍了国内外超声相控阵系统延时分辨率的发展历程和研究现状,并分析了各个方法的优缺点。     

基于四维切片图的相控阵超声辐射声场研究

声束聚焦是超声相控阵区别于常规超声检测方式的主要特点之一。该文研究了单源矩形换能器与一维线阵的辐射声场。在四维切片图的基础上详细分析了频率、阵元数和阵元间距对声束聚焦时焦斑和焦深的影响,进而分析了对检测分辨力和声压值的影响,换能器参数的优化结果对于相控阵探头的优化设计具有一定的参考价值。