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 西安交通大学机械工程学院， 陕西 西安 710049
基于光内送粉技术，激光熔覆成形了变壁厚偏心圆环结构。规划了变壁厚偏心圆环的成形扫描路径，利用基于机器视觉的层高控制软件获得了每个成形段的实际高度，并与设定的期望高度进行对比，建立了基于比例积分(PI)控制器的速度校正模型。成形的偏心圆环结构的最小壁厚为2.14 mm，最大为6.38 mm。每段总堆高与期望总堆高的误差较小，整体高度相对平整，具备较高的成形精度。成形件不同壁厚处的晶粒组织均匀致密，晶粒尺寸接近。
激光技术 激光熔覆成形 变壁厚结构 偏心圆环 闭环控制 比例积分控制器
1 石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
2 河北省交通工程材料重点实验室, 河北 石家庄 050043
对高速列车制动盘进行表面改性提高耐磨性是制动盘发展的趋势, 但激光熔覆镍基自熔性合金粉末后显微硬度过高, 且随熔覆层厚度增加开裂趋势越明显。为此, 研究采用微合金化技术, 探索微量合金元素对熔覆层组织及性能的影响, 通过依次添加不同含量的V、Ti、B、Si等合金元素, 优化粉末配比, 进而达到改善熔覆层目的。研究结果表明: Ti粉末晶粒细化的效果比V粉末更加明显, 最佳添加量为1%; B粉末、Si粉末优化含量分别为3.5%和4.5%。熔覆试样摩擦磨损性能测试表明: 优化配方的合金粉末熔覆层磨损率低, 耐磨性佳, 与微观组织观察、显微硬度及成形性的结果相吻合。
高速列车制动盘 激光熔覆成形 微量合金元素 摩擦磨损 brake disc of high speed train laser cladding forming trace alloy elements friction and wear
利用光内送粉熔覆喷头, 对弧形工字樑结构件进行了激光熔覆成形, 采用激光加载补能方法, 避免了薄壁结构件的端部塌陷问题。利用不同离焦位置光束可熔覆不同层高熔道的特点, 采用变姿态、径向扫描的方法, 熔覆成形了结构件不等高扇形部分; 采用变姿态、周向扫描的方法, 熔覆成形了结构件的弯曲弧形部分。成形件的最大相对尺寸误差为-5.9%, 硬度稳定在690 HV左右, 显微组织致密均匀、无气孔、无裂纹。
激光技术 激光熔覆成形 光内送粉 弯曲复合结构 端部塌陷
1 石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
2 河北省交通工程材料重点实验室, 河北 石家庄 050043
为了解决激光熔覆近净成形薄壁零件易开裂问题和倾斜零件的效率问题, 采用温度场和应力场数值模拟及工艺实验相结合的方法, 使用316L不锈钢粉末进行了有角度薄壁件的激光熔覆近净成形。研究结果表明, 连续成形不仅会导致薄壁零件成形区域温度过高引起塌陷及过熔现象, 而且残余应力会超过材料屈服强度, 造成薄壁零件开裂; 连续熔覆5层后再冷却10 min的工艺措施不仅可以有效降低成形区域温度, 保证初始成形条件相对稳定, 而且避免了逐层冷却, 提高了成形效率; 制备的有角度薄壁件层间界限分明、表面平整。
激光熔覆成形 有角度薄壁件 温度场模拟 应力场模拟 laser cladding forming inclined thin-walled parts temperature field simulation stress field simulation
1 西安交通大学机械工程学院, 陕西 西安 710049
2 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
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。
激光技术 激光熔覆成形 光内同轴送粉 变姿态成形 悬垂薄壁件 中国激光
2015, 42(10): 1003003
1 大连理工大学 可持续设计与制造研究所, 大连 116024
2 大连理工大学 材料科学与工程学院, 大连 116024
为了探究z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度的匹配对激光熔覆成形的影响,采用了在不同的z轴单层行程Δz的情况下进行激光熔覆成形试验的方法,通过理论分析和实验验证,得到了不同z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度以及离焦量的关系曲线.结果表明,z轴单层行程Δz存在一个以第2层熔覆层高度为基准的最佳的取值范围,在此范围内,熔覆过程能够通过自身存在的反馈调节达到z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度相等的稳定成形状态.该研究给出z轴单层行程Δz选取时的推荐值为0.5d2≤Δz≤0.6d2.
激光技术 激光熔覆成形 z轴单层行程 单层熔覆层高度 反馈调节 laser technique laser cladding forming z-axis single increment height of single cladding layer feedback regulation
在金属激光熔覆自由三维成形中，不断生长的成形面与成形喷头之间的距离应保持恒定值，以保证生长表面上处于聚焦激光焦点附近熔池的离焦量基本不变。以光学三角法为原理，提出了一种基于嵌入式机器视觉的激光自由成形熔池离焦量在线测控系统，推导出了镜头焦距设计公式，给出了系统硬件方案以及软件方案，同时为高效稳定处理熔池图像，提出了一种基于面积的熔池灰度阈值估计算法。经测试，此测量系统能实时准确地测得熔池离焦量，将该系统运用至实际薄壁圆环成形中，实时调节光头提升速度以保持离焦量恒定，使得薄壁圆环成形精度得到明显提高。
激光技术 激光熔覆成形 机器视觉 嵌入式系统 熔池
1 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室, 辽宁 沈阳 110136
2 华晨汽车工程研究院, 辽宁 沈阳 110136
在激光熔覆成形过程中，送粉喷嘴性能的好坏对熔覆成形件的质量具有重要影响。为探究影响送粉喷嘴性能的关键参数，建立了数值计算模型，应用FLUENT软件对送粉通道不同收缩角度和送粉口不同直径条件下的粉末流场情况进行了数值模拟，并依据模拟结果确定了送粉喷嘴的关键参数。计算结果表明，在其他参数一定的前提下，选样送粉通道收缩角度2.5°和送粉口直径1.5 mm时，有利于提高送粉喷嘴的粉末汇聚性，改善熔覆成形效果。依据该关键参数制造出送粉喷嘴的实体，进行了粉末汇聚、激光熔覆成形实验，验证了该送粉喷嘴的效果。
激光技术 光学制造 激光熔覆成形 数值模拟 送粉喷嘴 收缩角度 送粉口 激光与光电子学进展
2013, 50(2): 021402
1 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室， 辽宁 沈阳 110136
2 天津汽车模具股份有限公司， 天津 300308
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。
激光技术 激光熔覆成形 数值模拟 送粉喷嘴 粉末通道
