南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094
在激光粉末床熔融（LPBF）成形过程中，存在由热应力引起的翘曲变形，严重影响零件精度与性能。为了探究熔池辐射光信号与LPBF工艺中的翘曲变形过程的关联关系，为基于熔池辐射光采集的翘曲缺陷监测提供支持，设置了一组实验，成形了翘曲与非翘曲试样，基于统计学方法分析了翘曲与未翘曲试样成形过程中熔池辐射光信号的特性。结果表明，未翘曲变形试样的光强分布较为均匀，无明显梯度，而翘曲变形试样在翘曲区域出现了明显的光强下降。对于翘曲变形的试样，在悬垂层变形尚未发生时，区域光强均值存在较大极差。翘曲试样与未翘曲试样的光强值层间演化趋势不同。随着成形层数的增加，悬垂结构对光强信号的影响逐渐减小，第5层后光强趋于稳定。
激光技术 激光粉末床熔融 翘曲变形 过程监测 熔池辐射光 中国激光
2024, 51(16): 1602306
1 北京星航机电装备有限公司, 北京 100074
2 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
针对TA15钛合金材料, 建立激光弯曲成形的三维热力耦合有限元仿真模型, 得到不同加工参数下的材料温度场及变形场。通过搭建弯曲试验和测试系统, 获得了部分加工参数下钛合金板的温度场和变形数据, 并与仿真数据进行对比, 验证了数值模型的有效性。基于板材厚度方向温度和塑性应变的分布, 明确了在激光弯曲成形中的主导机制。研究了激光弯曲成形中的翘曲变形现象, 提出可用于抑制翘曲变形的来回扫描加工方法。
激光弯曲成形 有限元分析 翘曲变形 翘曲抑制 laser forming finite element model edge effect scanning strategy
1 上海卫星装备研究所，上海 200240
2 上海航天技术研究院，上海 201109
针对红外定标器在定标试验过程中因异质材料线膨胀系数不匹配导致结构热失配，造成低温状态下螺栓松动、降温速率慢、温度均匀性差，高温状态下玻璃钢隔热垫压溃等问题，开展大面源、宽温区、多材料体系红外定标器热适配结构优化设计与验证。从法向预紧力调控和面内翘曲变形控制两方面，筛选关键材料，调整装配参数，优化结构参数。采用仿真与试验相结合的手段，探究高低温状态下异质多层结构螺栓预紧力变化规律，验证红外定标器结构安全性和稳定性。最后通过升降温试验验证红外定标器关键技术指标。研究结果表明，选用聚四氟乙烯作为隔热材料，配合不锈钢螺栓，施加初始拧紧力矩介于10~18 N·m之间，调整安装孔孔径为25 mm以上，可有效控制预紧力变化，减小面内翘曲变形。全系统仿真结果表明在高低温状态下，连接安全有效的螺栓比例均达到了90%以上。热适配结构设计与优化可显著提高红外定标器降温速率，改善辐射面低温状态温度均匀性，结构安全性与稳定性满足设计要求。热适配结构优化设计方法可作为同类产品的参考。
红外定标器 热适配结构 预紧力 翘曲变形 infrared calibrator thermal adaptive structure preload warping deformation 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220463
电子科技大学 光电科学与工程学院，四川 成都 610054
激光选区熔化技术在实际应用中会出现熔点突出、工件翘曲等问题，影响铺粉质量及最终成型工件质量。为了提高激光选区熔化的铺粉质量，该文设计了一款基于PZT-5H阵列的L式双向智能刮刀，并对其传感器性能、单路信号灵敏度、铺粉模拟等进行了测试。结果表明，测试得到刮刀整体灵敏度为100 μm，有效地提高了智能刮刀在激光选区熔化中的铺粉质量，为后续增材制造智能化奠定了基础。
激光选区熔化 铺粉质量监测 翘曲变形 智能刮刀 压电复合传感 laser selective melting powder spreading quality monitoring warping deformation intelligent scraper piezoelectric composite sensing
大连理工大学 机械工程学院 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素, 因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件, 建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型, 通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布, 结合自由端的变形, 分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明: 随着往复扫描次数的增加, 温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡, 中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后, 激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用, 使翘曲变形增大, 1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm, 但随着扫描次数增加, 促进作用减弱, 弦高增长量略降低, 最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果, 温度场最大误差为9.85%, 翘曲线Z向位移最大误差为4.33%, 其中, 弦高误差为2.16%, 为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。
激光弯曲 层合板 往复扫描 翘曲变形 数值模拟 laser bending laminated plate reciprocating scan warping deformation numerical simulation 红外与激光工程
2018, 47(12): 1206008
大连理工大学 机械工程学院 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验, 建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型, 对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布, 结合自由端的变形, 分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明: 激光扫描过程中, 受初始温度及边界效应的影响, 扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后, 扫描线中间区域出现热累积现象, 热应力增大, 产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知, 板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力, 其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果, 翘曲线最大误差为3.90%, 其中, 弦高误差为3.33%, 为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。
激光弯曲 复合板 翘曲变形 热累积 残余应力 数值模拟 laser bending composite plate warping deformation heat accumulation residual stress numerical simulation 红外与激光工程
2018, 47(5): 0506004
江苏省精密模具产品质量监督检验中心, 江苏 昆山 215300
为了掌握在激光冲击波作用下薄膜零件的翘曲变形规律, 采用有限元软件ABAQUS, 模拟了在不同的加载压力和不同的顶块材质情况下, 薄膜零件在超高应变率下的变形特性。模拟结果表明, 顶块材料的强度会影响残余应力分布和薄膜零件的翘曲变形。较低强度的材质可以获得分布状况较好的表面层残余应力场, 当以刚体(超强材料)为顶块时, 薄膜产生反向变形(呈凸状), 且其变形量随着激光冲击峰值压力的增加而增大, 而以较低强度材质为顶块时, 薄膜趋于正向变形(呈凹状)。
有限元模拟 激光冲击波 微冲裁 翘曲变形 残余应力 finite element simulation laser shock wave micro blanking distorting deformation residual stress
1 华北科技学院机电工程学院, 河北 廊坊 065201
2 燕山大学机械工程学院, 河北 秦皇岛 066000
3 长治清华机械厂, 山西 长治 046000
针对同步送粉式单层单道激光熔覆过程, 利用已验证的有限元模型和ANSYS软件分析了其温度场特征。依据加热区-脉冲区的分界点和任意时刻基板上表面温度曲线的峰值点, 以两几何平面截取单道熔覆模型, 获得用于翘曲变形分析的截面体。通过分析熔覆层上表面以及基板上、下表面在整个熔覆过程中的应力/应变状态, 发现该截面体模型会依次出现反向、正向弯曲, 熔覆零件在宏观上则表现为朝向激光束的翘曲变形。最后对单道熔覆过程基板翘变的原因进行了归纳总结。
激光技术 激光熔覆 翘曲变形 数值模拟 单道模型 温度特征 激光与光电子学进展
2017, 54(10): 101410
1 华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
2 北京大学第三医院运动医学研究所, 北京 100083
激光选区熔化（SLM）成型零件过程中常出现零件的翘曲变形，这与零件支撑的添加有关。因此，有必要对SLM成型零件支撑添加方式进行研究。通过对不同支撑结构SLM成型零件的成型效果进行研究，发现在相同支撑参数条件下，支撑片分割未倾斜支撑在成型零件时具有较好的成型效果；零件使用的支撑高度越高，零件越容易翘曲。通过优化支撑结构，发现采用分块0°倾斜导热支撑可以有效地减小零件的翘曲变形。这为SLM成型高精度零件提供了参考。
激光技术 激光选区熔化 支撑结构 翘曲变形 优化设计 中国激光
2016, 43(12): 1202002
南京理工大学机械工程学院, 江苏 南京 210094
因残余应力导致的翘曲变形是激光选区熔化(SLM)技术亟待解决的关键性技术问题。以两组相同规格的长方体试样为研究对象，基于熔池监测系统采集SLM 成形过程中的熔池数据，对试样翘曲变形和无变形情况下的熔池状态差异进行了对比，从熔池角度分析了翘曲变形的产生机理和具体变形阶段，研究了翘曲变形情况下熔池的变化规律。试验结果表明，试样的翘曲变形产生于成形初始阶段。同时，翘曲变形情况下试样成形层的熔池面积减小，熔池光强增加，通过监测熔池的变化状态可以判断SLM 成形过程中试样是否产生了变形。
激光技术 激光选区熔化 熔池监测系统 翘曲变形 残余应力
