基于激光光内同轴送粉技术和6轴机器人技术，采用熔覆头空间变姿态的成形方法，通过沿着生长的切线方向连续变角度送粉堆积的方法成形了悬垂薄壁件。建立了倾斜基面熔池受力与位移模型，并通过优化工艺参数抑制熔池的位移和流淌。实验结果表明，倾斜角可从0°逐渐变化至81°，实现了大倾角悬垂结构的无支撑成形。成形件表面平整光滑，完全消除了“台阶效应”，表面粗糙度Ra=6.3 μm。截面纹理图显示各熔层沿中轴线对称，无明显朝重力方向的偏移。成形件在不同倾角位置的显微组织无明显区别，皆达到晶粒细小，组织致密均匀。

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量Δz、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证.在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量Δz、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497μm~2.163μm;Rz为1.992μm~7.447μm.结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件.

光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势。为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm~17mm,偏移量Δx大致呈增大趋势,Δx变化范围为0.0mm~0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm~2mm,而偏移量Δx在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,Δx变化幅度为0.05mm~0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合。所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值。

根据光内同轴送粉激光快速成形工艺, 建立了扭曲薄壁件激光熔覆成形温度场瞬态有限元数值模型, 模拟了扭曲薄壁件激光快速成形过程的温度场演变过程, 分析了扭曲薄壁件熔覆成形过程中定点温度的热循环, 通过仿真实时控制模型中输入激光功率的大小, 模拟得到了保持熔池温度稳定时激光功率的变化值; 通过层高控制调节激光器功率, 控制熔池的温度稳定, 成功熔覆成形了扭曲薄壁件。性能分析表明: 成形件表面光滑, 没有粘粉, 尺寸与设计数值基本相同, 组织细小致密, 与基体形成冶金结合, 且成形件硬度较高。

针对“光束中空, 光内送粉”激光熔覆工艺方法, 通过改变激光功率、送粉速度、扫描速度、离焦量等工艺参数, 分别进行单熔道表面形貌、熔道宽度和高度的实验对比研究, 分析了环形光光内送粉的激光熔覆工艺参数对熔道成形质量的影响规律。结果表明, 激光功率较小将导致熔覆不均匀, 激光功率过大又会使熔道表面烧损, 随着功率的增加熔道宽度有增大趋势, 高度先增大后减小; 扫描速度过快会导致粉末不能充分熔化, 扫描速度过慢会增加熔道的厚度, 影响熔覆质量, 随着扫描速度的增加, 熔道宽度和高度均减小; 送粉速度增大导致熔化金属粉末增加, 但熔道宽度增加不明显, 当送粉速度过大时大量未熔化的金属粉末粘结在成形件的表面, 影响成形件质量; 随着离焦量的增加, 熔道宽度明显增加, 高度明显减小, 离焦量较小时熔道会烧损, 较大时熔道会无法形成。

利用环形激光光内同轴送粉喷头进行单熔道试验和测试, 就中空环形光离焦量对45# 钢表面熔层平整度、平宽度、平高度以及熔覆截面微观组织的影响进行试验研究。通过改变离焦量, 获得单道熔覆层, 并进行单层熔宽、熔高及表面平整度的测试和微观组织的对比, 分析了离焦量对熔层组织、性能和表面状态的影响规律。结果表明: 熔覆层组织在小离焦量情况下细密, 环形光激光熔覆层的硬度、表面平整度随离焦量的变大先增后减, 在较小负离焦状态下可得到最大值。

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。

基于“光束中空,光内送粉”的专利技术，采用新型光内同轴送粉装置，在45#钢基体上进行变径回转体堆积。分别对变径回转体斜度、Z轴增量及功率进行控制，并分析各自的影响：斜面堆积中倾斜角度与偏移量、扫描速度成正相关，与送粉速度和粉末利用率成负相关，极限倾斜角度与偏移量成正相关，与熔覆层高度成负相关；随着堆积的进行，粉末利用率降低，离焦量变大；在高层熔覆堆积过程中，熔池由三维散热变为二维散热，散热降低，熔池温度上升，应相应减小功率。得到的成型件外观光滑、粗糙度低、成型质量较高，为变截面的三维堆积试验提供参考。