红外与激光工程
2023, 52(3): 20220436
1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
激光熔丝沉积技术是一种输送丝材并以激光为热源的定向能量沉积技术。为了探讨同轴熔丝过程的机理与效应，采用自主研发的激光内同轴送丝熔化沉积技术来分析研究基板受辐照比值对于熔丝过程稳定性的影响；借助高速相机拍摄并分析熔丝沉积过渡阶段机理；通过数学模型计算与实验验证的方式研究了熔丝沉积动态过程与工艺参数之间的关系。结果表明：较小的基板受辐照比值会引起“液滴”过渡熔丝行为，即处于稳定与不稳定的临界状态；而基板受辐照比值较大时会引起“液桥”过渡熔丝行为，即处于一个相对稳定的状态。本研究对激光熔丝沉积的动力学稳态性分析具有一定的指导意义。
激光光学 激光熔化沉积 光内同轴送丝 基板受辐照比值 过程稳定性 高速摄像
为了探索在非水平基面上激光增材制造薄壁件的成形规律，拓展激光增材修复技术的广泛应用。基于激光内送粉技术，分别在0°~150°的倾斜基板上进行薄壁件的成形试验，研究了不同倾斜角度下薄壁墙的成形规律，并分析了非水平基面下熔池的受力规律。试验结果表明：随基板倾斜角度的增大，薄壁墙的总体宽度及高度增大，熔池长度变短；随着基板倾斜角度的增大，成形件尾部塌陷越来越严重，在基板角度150°时，产生最大角度为21°的斜坡。该研究结果可以为非水平基面上激光增材制造及修复提供参考价值。
激光技术 激光增材修复 内送粉 非水平基面 薄壁墙 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114008
1 苏州大学机电工程学院激光制造技术研究所，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
传统的加工方式难以实现变截面扭转弯曲结构件的成型。本文研究了变截面结构在扭转及弯曲变化下光内送粉激光熔化沉积成型的轨迹规划问题，提出了针对此种几何成型特征结构件的连续渐变分层法，实现了变截面结构在扭转弯曲变化下的分层成型。最后根据结构分层获得的光内送粉喷头空间三维轨迹变化的坐标信息进行了扭转弯曲变截面结构件的成型实验，实验结果表明：成型件表面平整且成型精度较高，成型件的弯曲角度和扭转角度分别为46.18°和44.79°，与原始设计角度的误差分别为2.62%和－0.47%；成型件初始圆形截面的直径和终止方形截面的边长分别为59.63 mm和60.72 mm，与原始设计尺寸的误差分别为－0.62%和1.20%；成型件微观组织致密，无明显的气孔和裂纹。
激光技术 激光熔化沉积 扭转弯曲变截面结构 连续渐变分层 路径规划 中国激光
2022, 49(22): 2202014
1 苏州大学 机电工程学院 激光制造技术研究所，江苏 苏州 215021
2 中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点实验室，陕西 西安 710065
3 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
铝合金激光吸收率低、导热率高，其激光熔化沉积（LMD）显微组织性能受温度场影响大。为分析环形束LMD铝合金熔池温度场及其影响，优化成形质量及成形件性能，采用送气保护式LMD技术，进行了AlSi10Mg铝合金成形实验，系统分析了熔池温度场的形态及其变化，以及温度场对成形质量、孔隙率、显微组织性能的影响机理。结果表明：环形束LMD铝合金熔池温度场总体形态呈开口向扫描方向的“半月牙”状，随着激光功率的增大，温度场形态愈发尖锐，其高温率、温度梯度和平均温度也相应增大。温度场平均温度的提升可增加激光吸收率，粗化显微组织，减小显微硬度，温度场显著影响成形件孔隙率从而改变拉伸性能。最终在平均温度为857.7 ℃时降低孔隙率至2.1%，得到抗拉强度为305.6 MPa，延伸率为5.7%，高出铸件52.5%，为LMD铝合金温度场及显微组织性能控制提供了理论指导。
激光熔化沉积 铝合金 温度场 孔隙率 显微组织性能 laser metal deposition aluminum alloy temperature field porosity rate properties of micro-structure 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210366
1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
基于激光内送粉熔覆技术，进行了异形基面三元叶片的熔覆成形研究。根据三元叶片的大倾角、大扭曲等结构特征提出了流线分层法，解决了三元叶片成形过程中轨迹规划的问题。根据流线分层法得到了熔覆成形时光内送粉喷头的空间运动轨迹，并进行了三元叶片的熔覆成形。结果表明：三元叶片成形件的表面平整，表面平均粗糙度值在4.065 μm以内，有效缓解了台阶效应；三元叶片与异形基面实现了较好的冶金结合，成形件的平均厚度为5.97 mm，厚度的相对误差为－1.4%～1.03%，扭转角的相对误差为－4.67%，成形精度较高；随着成形件高度的增加，激光熔池处的热积累明显，显微硬度略微降低，显微组织略微增大，成形件显微硬度在348.3～360.4 HV之间，金相组织整体致密均匀，无明显的孔洞或裂纹缺陷。
激光技术 光内送粉 流线分层 三元叶片
1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学工程训练中心，江苏 苏州215021
为了获得一种匹配3 kW宽带矩形激光器的同轴送粉喷嘴，采用了Fluent软件的离散相模型，对同轴送粉喷嘴粉末通道结构参数开展了四因素四水平的正交仿真试验，研究了结构参数对粉末汇聚浓度与粉斑尺寸的影响。结果表明，宽带同轴送粉喷嘴的粉末浓度在轴向与径向上均服从高斯分布，验证了喷嘴结构的合理性。四因素对粉末浓度的影响效果从大到小为：倾角、垂直高度、收缩角度以及出口间隙。当采用最优结构参数时，喷嘴可以在距离粉末出口24.6 mm的平面上形成一个3.08 mm×3.08 mm大小、最高质量浓度为32.29 kg/m3的矩形粉斑。最终通过送粉试验验证其合理性，为后续激光增材制造试验的开展提供依据及参考。
激光增材制造 宽带同轴送粉喷嘴 离散相模型 正交试验 laser additive manufacturing broadband coaxial powder feeding nozzle discrete phase model orthogonal experiment
1 苏州大学机电工程学院,江苏 苏州 215021
2 苏州大学工程训练中心,江苏 苏州 215021
为了研究多阶模半导体激光增材制造工艺参数对熔覆层残余应力的影响,利用ANSYS软件构建了单道熔覆层模型,运用生死单元法加载多阶模半导体激光为热源。采用正交试验法展开了工艺参数对熔覆层宽度与高度方向应力场分布规律的影响研究。结果表明：熔覆层宽度方向上的应力场左右对称并在中心处有明显的“平台效应”,体现了多阶模激光热源热量分布均匀的特点；熔覆层高度方向上,应力值沿熔覆层高度方向逐渐增大,直到熔覆层顶部达到最大值；工艺参数对残余应力的影响次序为：送粉速率>扫描速度>激光功率；当采用优化工艺参数计算时,熔覆层高度及宽度上的最大应力为196.53 MPa和98.22 MPa,有效地降低了残余应力值,为多阶模半导体激光增材制造中的残余应力调控提供了参考。
激光增材制造 多阶模半导体激光 应力场 正交试验 数值模拟 laser additive manufacturing multi-mode semiconductor laser stress field orthogonal experiment numerical simulation
激光金属沉积成形传统上多采用恒定的工艺参数进行堆积,易导致热累积现象。为减弱热累积对钛合金成形氧化的影响,提出一种实时改变层间激光功率的熔池温度闭环控制系统。针对TC4钛合金块体沉积,设计了PI控制器,以激光功率作为输入量来控制熔池实际温度。结果表明：PI控制器可使熔池实际温度达到期望值；块体成形件表面呈光亮的银白色,未出现氧化现象；与恒定激光功率下的成形件相比,温度闭环控制的沉积块体柱状晶尺寸小且宽度较为均匀,顶部的显微硬度未出现升高现象。该系统为熔池温度控制提供了新方法,并为实现开放环境下钛合金的连续沉积成形提供了技术支持。
金属沉积 PI控制器 TC4钛合金 闭环控制 metal deposition PI controller TC4 titanium alloy closed-loop control
1 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
3 中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室, 陕西 西安 710065
通过研究弧面扭曲结构件激光熔覆成形轨迹规划难点,解决了以弧线为渐变路径的扭曲结构分层问题。基于中空激光内送粉熔覆成形技术并结合结构件自身几何特征,提出离散渐变分层法。首先在基体法平面内纵向分层,随后将各层二次离散成独立单元,最终按等圆心角将离散单元拼接成熔覆路径,成功实现了弧面扭曲结构件激光熔覆成形。所得成形件尺寸精度较高,表面平均粗糙度低至1.323 μm,抗拉强度为765.81 MPa;不同区域的微观组织和显微硬度分布均匀,无明显气孔或夹杂缺陷。
激光加工 激光熔覆 光内送粉 弧面扭曲结构件 离散渐变分层 路径规划 中国激光
2021, 48(22): 2202015
