激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题,采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法,没计了一系列孔式同轴送粉喷嘴(主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道),从而获得良好的粉末流形态,提高送粉激光熔覆的质量。用该系列喷嘴在竖直(90),60,30和水平(0)等工况下进行粉末汇集性实验,发现粉末汇集效果良好。通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验,送粉系统输送的粉末稳定、均匀,得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀,熔覆层与基体呈冶金结合。结果表明,孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求,并且能用来进行多种元素粉末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。     

同轴送粉对激光熔覆组织的细化作用

选用Ni基自熔合金粉末和Co基自熔合金粉末,在低碳钢基材上分别进行预置粉末和同轴送粉激光熔覆试验。激光功率2.0kW,光斑直径2.0mm,扫描速率0.15～0.25m/min。对熔覆层显微组织分析表明,同轴送粉熔覆层明显比预置熔覆层组织细密(前者为2.5～4.0μm,后者为5.0～10.0μm),并且具有较好的耐热冲击性。显然这是很有实际意义的,因为同轴送粉比预置粉末更易于实现自动化和大面积激光熔覆。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研究

送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一,直接影响着激光熔覆的效果。随着激光熔覆技术的发展,国内外对送粉喷嘴进行了深入研究,研制出了多种新型送粉喷嘴,都有效地提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理,分析了现有同轴送粉喷嘴现状,指出了现有送粉喷嘴存在的不足,提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一,并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。     

非载气式激光同轴送粉试验研究

研制了一种非载气式激光同轴送粉系统，粉末流能汇聚输出，其焦点尺寸为φ1．5mm，焦距fp15～35mm连续可调。在二维平面上熔敷消除了方向性影响，多层激光熔敷组织、成分及硬度分布均匀。与载气式同轴送粉相比，具有较高的粉末利用率(60％-80％)及较高的工业应用价值。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

同轴送粉和压片预置激光熔覆NiCoCrAlY涂层工艺比较

采用同轴送粉与压片预置激光熔覆工艺制备NiCoCrAlY涂层, 对两种激光熔覆工艺粉末利用率、涂层稀释率、熔覆层硬度及熔覆层微观组织形貌进行了比较。结果表明, 在涂层界面能形成良好冶金结合的优选工艺参数条件下, 同轴送粉激光熔覆粉末利用率和加工参数密切相关, 最高不超过0.4, 而压片预置激光熔覆粉末利用率高于0.9; 同轴送粉激光熔覆制备涂层熔合区为垂直于界面的柱状晶, 上部为均匀的等轴晶, 压片预置激光熔覆涂层的枝状晶贯穿整个涂层; 但是压片预制熔覆涂层的硬度略低于同轴送粉熔覆涂层。     

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

自动送粉激光熔覆装置及工艺研究

研制了一种工作稳定性好、粉末流量连续可调的自动送粉装置。经A_3钢表面激光熔覆WF-150不锈钢合金粉末的研究表明,所获得的激光熔覆层均匀连续、无宏观气孔和裂纹,粉末利用率高达94％。     

送粉式激光熔覆能量有效利用率分析

通过分析熔覆过程中光束、粉末和熔池间的相互作用,提出了送粉式激光熔覆能量利用率的数学模型,并结合相关参数进行了计算。结果表明,整个熔覆过程中能量有效利用率较低。该模型客观地反映了熔覆工艺参数和工艺结果的关系,为熔覆工艺参数优化,熔覆质量的预测、评定,提供了理论依据。     

基于光内同轴送粉技术的激光熔覆斜壁堆积成形研究

基于光内同轴送粉技术,提出了激光熔覆无支撑偏移堆积斜壁的方法。通过建立斜壁倾斜角度的模型,分析了偏移量、机床扫描速度与送粉速度对角度的影响,并总结出保证斜壁成功堆积的偏移率范围。     

激光表面熔覆与合金化送粉装置的设计

设计了一种结构简单,载粉运动方向与激光光束保持一致,可对垂直表面进行加工,使用方便的激光表面熔覆与合金化送粉装置。并用所设计的送粉装置进行了激光表面熔覆实验,获得了较理想的加工效果。     

同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用

为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。     

基于离焦技术的光内送粉堆积变径体壁厚控制研究

分析了光内同轴送粉激光熔覆技术堆积变径回转体时壁厚"越堆越薄、薄厚不均"现象的成因,提出控制离焦量来逐层补偿熔池液态金属流失的方法,以保持熔覆层宽度不变。基于大量的实验数据得出离焦量变化量与变径回转体斜率之间的关系式,从而可在堆积过程中根据变径回转体斜率的变化实时控制离焦量的变化。通过实时控制离焦量,同时控制送粉量与激光功率,得到了表面质量较好、壁厚均匀的几个典型的变径回转体。成形件的金相组织细密,力学性能优良。对成形件进行了硬度测量,总体硬度相对基体较高且分布均匀。     

机器人光纤激光45#钢面铁基粉末熔覆工艺研究

用机器人光纤激光系统, 在45#钢表面作Fe316L铁基粉末激光单道和多道的同轴同步送粉熔覆, 以提高材料表面的硬度及耐磨性能。用金相显微镜对熔覆层剖面分析测量, 用维式硬度计对基材和熔覆层显微硬度测量结果表明: 用光纤激光同轴同步的复合送粉嘴做单道激光熔覆时, 选700～950 W的激光功率及60%的搭接率, 能获得合适的稀释率(35%～55%)和熔覆层厚度(1.25～1.70 mm); 有效的消除了搭接处微裂纹和气孔等组织缺陷; 试样熔覆层显微硬度显著高于基材硬度, 达二倍以上。     

激光再制造三维运动光束头

基于激光制造技术相关理论，设计并制造了激光同轴转动三维运动光束头。分析了三维运动光束头工艺参数对熔覆效果的影响，并讨论了其在工业应用实验中取得的效果。结果表明，该三维运动光束头能绕竖直轴转动和水平轴摆动;在参数一定的条件下，随着光束头摆动角度的增加，熔覆效果越来越不理想，理想的摆动角度为0°～45°;配合送粉头的粉末流聚焦及焦点可调功能，该光束头可以实现曲轴、螺杆、叶片等复杂型面零件的制造和再制造。