1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
激光熔覆成形悬臂结构和大倾角强化修复需要在倾斜基面上沉积。现有工艺参数与熔覆层形貌数学模型的研究一般是基于水平基面开展的，较少有人研究空间倾斜基面的倾角对成形形貌的影响。本文采用激光内送粉技术实现大倾角熔覆，同时引入空间倾角作为影响熔覆层形貌的工艺参数。通过进行单道正交试验确定了每个倾角下的合适功率与速度区间并取交集，确定了0°~135°倾角、800~1200 W激光功率、4~8 mm/s扫描速度为目标模型输入参数的适用范围。在此范围内开展薄壁墙堆积实验，同步利用CCD层高测量系统和定距提升闭环控制算法，实时测量层高数据并控制提升量，采用金相显微镜测量成形件的层宽数据。结果表明：在相同的功率与扫描速度下，层高随着倾角增大而先减后增，倾角达到90°时层高最小；层宽随着角度增大而先增后减，倾角达到90°时层宽最大。利用获取的250组数据建立BP神经网络模型，通过输入倾角等熔覆工艺参数，能够实现对熔覆层高度和宽度的预测。
1 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130
2 河北工业大学机械工程学院，天津 300130
为提高三维打印技术制备M2高速钢刀具材料的力学性能及改善微观组织，促进金属刀具材料三维打印技术的发展，采用激光选区熔化技术，在不同基板材料和铺粉速度下制备M2高速钢试样。对试样力学性能以及微观组织进行表征与观察。结果表明：与M2高速钢基板相比，316L不锈钢基板的热膨胀系数高约57.27%，热导率低17.28%，制备过程中产生的热应力显著降低并且冷却缓慢使残余应力释放更充分，因此采用316L不锈钢基板更有利于成型M2高速钢试样。铺粉速度减小，打印过程中实时热处理时间将大大增长，这导致材料硬度略有下降但微观组织更加致密，裂纹、孔隙等缺陷减少，拉伸强度升高。经试验得到的试样洛氏硬度最高可达（58.97±0.28）HRC，拉伸强度能够达到（937±118）MPa。微观组织呈现网状结构且其中存在大量马氏体柱状晶，针宽小于1 μm，主要物相有α-Fe、马氏体、奥氏体以及MC型碳化物。
材料 激光选区熔化 基板材料 铺粉速度 M2高速钢 力学性能 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0116004
1 兰州理工大学材料科学与工程学院省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点试验室，甘肃 兰州 730050
2 兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点试验室，甘肃 兰州 730050
旁轴送粉激光熔覆时粉末到达熔池的热物状态对熔覆层成形精度和质量有着重要意义，针对光粉作用时粉末的不同熔化行为，搭建了旁轴送粉激光熔覆过程红外热成像采集系统和高速摄像过程采集系统，研究了不同激光功率和离焦量下的光粉热交互作用，建立了粉末熔化时出现的三个典型特征阶段并分析了不同激光功率和离焦量对粉末熔化特征阶段持续时间的影响，最终得出粉末热物状态与特征阶段的关系。结果表明：激光功率增大，光粉作用空间中熔化的粉末数量增多，粉末温度不均匀性减小；离焦量增大，液态粉末颗粒数量增大，粉末温度不均匀性横向减小；激光功率越小或离焦量越大，固态粉末升温和熔化所需的时间增大，粉末以固态进入熔池的几率变大。最后，得到了不同激光参数下粉末到达熔池时的热物状态，为实现粉末熔化行为的解析提供了试验依据。
激光技术 激光熔覆 旁轴送粉 光粉作用过程 熔化行为 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0116002
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，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，采取在交叉重叠部位进行局部加速的策略，进行了十字形结构的越过式交叉成形工艺研究。首先，提出了交叉不等高沉积工艺，根据质量守恒定律计算进入熔池的粉末质量和熔覆层成形质量，联立等式后得到了先成形横向熔道对后成形纵向熔道高度的影响规律。然后，建立了速度不等高数学模型，结合交叉不等高沉积工艺，计算出令交叉部位叠加高度与未交叉部位熔道高度相等时的扫描速度。最后，根据自愈合效应和体积流动假设，提出了一种缩减加速段距离的工艺方法，解决了提速后熔道交叉结合部位出现凹陷的问题。结果表明：成形件十字交叉部位的高度尺寸误差在1.76%以内；总体显微硬度在257.5~296.8 HV之间，最终成形件表面平整光亮，无宏观裂纹或夹杂缺陷。
激光光学 光内送粉 激光熔覆 十字交叉结构件 交叉不等高沉积 越过式熔覆 光学学报
2022, 42(16): 1614002
1 青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520
2 青岛征和工业股份有限公司，山东 青岛 266705
探究了不同工艺参数（激光功率、扫描速度、搭接率、熔覆头到基体的距离）相互耦合作用对多道激光熔覆层几何特征（熔覆层平均高度、基体平均熔深、平均稀释率、表面平均高度差）的影响规律，实现了熔覆层形貌的预测。设计全因子实验，基于响应曲面分析方法构建涂层形貌与工艺参数之间的数学模型，并将预测结果与实验数据进行比对。结果表明：扫描速度对熔覆层平均高度的影响最为显著，激光功率对基体平均熔深的影响最为显著，熔覆头到基体的距离对平均稀释率的影响最为显著，扫描速度对表面平均高度差的影响最为显著；熔覆层平均高度、基体平均熔深、平均稀释率、表面平均高度差的平均相对误差分别为10.09%、4.96%、8.83%、8.34%，模型的拟合优度分别为0.8971、0.9251、0.9240、0.8545。
激光技术 激光熔覆 同轴送粉 多道搭接 多项式回归 几何特征预测 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114012
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
大族激光智能装备集团有限公司，广东 深圳 518101
同轴送粉激光熔覆是一种在材料表面制备冶金结合涂层，用于提高表面性能的技术。为使粉末流与平顶激光较好地耦合，提高粉末利用率，保证粉末汇聚均匀，利用仿真软件、高速相机和图像处理软件，建立了激光熔覆工艺参数与粉末流在激光聚焦光斑上汇聚质量的关系。利用流体分析软件模拟并结合试验，设计较好的送粉工艺，提高粉末利用率，改善熔覆成形质量。通过三维建模和软件分析，研究了工艺参数对同轴送粉光粉耦合效应的影响，当粉末盘转速为1.2 r/min、载气流速为4 L/min时，粉末流与激光束的耦合形态最佳、粉末流利用率高、收敛特性好、熔覆层形貌较好。
激光熔覆 同轴送粉喷嘴 粉末流 耦合效应 laser cladding coaxial powder feeding power flow coupling effect
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
