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 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 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
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
基于光内送粉激光熔覆成形技术,进行了多元扭曲结构件的激光熔覆成形研究。基于结构件的扭曲特征,提出采用随形离散分层法对扭曲结构件作二次离散,解决了扭曲结构件中截面渐变结构的分层问题。依据获得的激光熔覆喷头空间运动轨迹信息,进行了多元扭曲结构件的成形。结果表明:成形的扭曲结构件表面基本平整,无宏观裂纹,表面粗糙度值在5.579 μm以内;成形件平均厚度为6.03 mm,成形精度较高,形状尺寸误差在-3.45%~3.09%之间;成形件的显微硬度在271.6~284.5 HV之间,显微组织致密均匀,无明显的气孔和裂纹缺陷。
激光技术 光内送粉 激光熔覆 多元扭曲结构件 随形离散分层 中国激光
2021, 48(10): 1002114
针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。
激光技术 激光熔覆 钛合金 开放环境 局部保护气氛 响应面法 光内送粉 中国激光
2020, 47(11): 1102006
目前激光熔覆成形技术一般难以实现无支撑封盖结构成形。利用光内送粉技术和斜向分层方法, 对跨多道直壁的搭接封盖成形进行了研究, 实现了空间斜向桥接堆积成形。探讨了光内送粉熔覆喷头在不同倾斜角度投影下环形激光能量分布规律, 考察了激光偏转角对熔覆层貌的影响。引入层高测控技术对熔覆层高度进行实时检测并反馈控制, 保证堆积形貌不失稳。对桥接封盖成形结构组织检测结果表明：空间封盖搭接处表面平整, 壁厚均匀,硬度总体保持稳定。
激光熔覆成形 光内送粉 斜向堆积 桥接 laser cladding forming inside-laser powder feeding oblique stacking bridging
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
采用中空激光光内送粉技术,在异形基面上成形平顶薄壁结构。针对在不平整异形面上采用传统等高分层存在扫描起始端搭接缺陷、效率低等问题,提出了一种随形分层的方法:利用在一定范围内熔覆层高度与扫描速度之间、熔覆层宽度与离焦量之间的线性关系,采用分段变速以达到分段变熔高的方法使基底低点变高,从而在异形基面上逐渐堆积出平顶结构。检测结果表明:基面与层间实现了冶金结合,成形的薄壁墙顶面基本平整,最大绝对误差在0.2 mm左右,尺寸误差在8%以内;成形区域的组织致密均匀,无明显的气孔、裂纹等缺陷,显微硬度为685~720 HV。
激光技术 激光熔覆 薄壁结构 分段变速 异形基面 光内送粉 中国激光
2019, 46(11): 1102002
针对开放大气环境下钛合金激光熔覆层极易氧化的问题,设计了一种可在熔池附近形成局部气氛的同轴保护气罩。采用FLUENT软件建立了光内送粉同轴熔覆喷嘴的三维模型,模拟分析保护气道的入口数量、角度及保护气体流量对氩气质量分布的影响。结果表明:气罩保护气体入口数量与氩气分布的对称性有关;入口角度对氩气质量分布的影响较小;增大保护气体的流量会极大地提高有效保护范围。根据保护气罩结构优化参数,选用氩气作为保护气,进行开放大气环境下Ti-6Al-4V合金的激光熔覆实验,熔道表面呈银白色,熔覆层饱满,验证了同轴保护气罩的保护效果。
激光技术 激光熔覆 光内送粉 开放环境 三维流场 质量分布 数值模拟
1 苏州大学 机电工程学院, 江苏 苏州 215021
2 苏州工业职业技术学院 机电工程系, 江苏 苏州 215104
利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90°的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系; 研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现, 光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大, 随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下, 工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性; 熔池在重力作用下, 激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著; 熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变, 利用优化后的激光功率、扫描速度, 以及保护气压力, 获得了最大仰角达150°、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。
仰面熔覆 光内送粉 偏移量 保护气 工艺优化 upward cladding inside powder feeding peak offset protection air process optimization 红外与激光工程
2019, 48(3): 0306005
