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
1 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州理工大学, 甘肃 兰州 730050
2 兰州理工大学温州泵阀工程研究院, 浙江 温州 325100
3 北京石油化工学院, 北京 102617
由于自保护药芯焊丝具有抗风性以及优异的焊缝性能, 已广泛应用于野外管道焊接以及大型机械的修复过程。 电极极性是影响焊接过程的重要工艺参数。 为了研究电极极性对电弧等离子体的影响机理, 设计电弧等离子体空域中各点逐步扫描的同步采集系统, 通过光谱特征谱线的分析, 采用Stark谱线轮廓法计算电子密度, 并且基于Boltzmann作图法计算电弧等离子体的温度, 同时针对Al和Mg活性元素的分布特征进行分析。 结果表明, 靠近电极处, 沿y轴负方向, 直流正接时（焊丝接电源负极性）, 弧柱中心区电弧电子密度、 电弧温度和活性元素呈现“水滴状”分布。 而直流反接时（焊丝接电源正极性）, 弧柱中心区电弧电子密度、 电弧温度和活性元素的分布特征表现为“手指状”分布。 根据“自磁收缩”的原理, 直流正接条件下, 活性元素在径向方向受到的电磁力较小, 整体分布呈现发散状。 直流反接条件下, 活性元素在径向方向受到的电磁力较大, 收缩较为严重, 整体表现为收缩状态。 采用相同的电参数时, 直流反接条件下弧柱中心区的电弧电子密度、 电弧温度均大于直流正接条件下得到的电子密度和电弧温度, 其中电子密度分布特征和带电粒子的电离程度是影响电弧温度的主要因素。 在相同的电极极性下, 随着电流、 电压的增大, 电弧等离子体的温度和电子密度都在显著增大。
电极极性 自保护药芯焊丝 电弧光谱特征 活性元素 Electrode polarity Self-shielded flux cored wire Spectrum diagnosis Active elements 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3917
兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
激光气体氮化工艺可在钛合金表面快速生成氮化层, 提高钛合金表面硬度和耐磨性, 促进钛合金应用。 采用光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金, 为了明确氮化过程光谱发射区是否形成等离子体, 采用探针法检测了光谱发射区导电性; 为了研究工艺参数对光谱特性、 光谱发射区温度及等离子数量的影响, 采用光谱仪采集了氮化过程发射光谱, 并采用高速摄像拍摄了光谱发射区域照片。 试验表明, 光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金过程中, 光谱发射区可以导电, 形成了金属蒸汽等离子体, 这与CO2激光气体氮化钛合金工艺过程中形成的氮等离子体完全不同。 采用光纤激光氮化Ti-6Al-4V钛合金工艺过程中, 工艺参数显著影响金属蒸汽等离子体的数量, 当激光功率较大, 扫描速度较小, 离焦量较小和氮气含量较高时, 光谱发射区可产生金属蒸汽等离子体。 氮化过程发射光谱由连续光谱和线状光谱组成, 连续光谱主要由热辐射产生, 连续光谱强度可以表征光谱发射区温度, 线状光谱主要由等离子区域原子核外电子跃迁产生, 线状光谱强度可以表征等离子体数量。 氮化过程, 随激光功率增大或扫描速度减小, 连续光谱和线状光谱增强, 表明光谱发射区温度升高, 等离子体数量增加; 随离焦量增大, 连续光谱和线状光谱呈先减小后增大之后又减小的复杂变化趋势, 表明光谱辐射区温度先降低后升高之后又降低, 等离子体数量先减少后增加之后又减少; 氮气中加入少量氩气, 可强烈影响氮化过程, 使连续光谱和线状光谱大幅减弱, 随氩气流量进一步增加, 线状光谱和连续光谱继续减弱, 表明氮气中加入少量氩气使光谱发射区温度大幅降低, 等离子体数量大幅减小, 随氩气量进一步增加, 光谱发射区温度继续降低, 等离子体数量继续减少。
工艺参数 光纤激光气体氮化 光谱发射特性 等离子体 Process parameter Fiber laer nitriding Ti-6Al-4V Spectral Emissions Characterization Plasma Ti-6Al-4V
1 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 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实验室, 甘肃 兰州 730050
粉末的熔化行为对激光熔覆过程的精确成形控制有重要影响。针对粉末预置时与激光的复杂动态热交互行为,建立高速摄像光学采集系统,检测并分析粉末熔化的动态过程,分析了不同特征阶段对粉末熔化成形特征的影响规律与作用形式,建立了可以描述熔化过程的物理模型,研究了不同特征阶段下激光与粉末的动态热物理作用机制。实验结果表明:半导体激光熔覆过程中粉末的熔化行为一般存在4个典型特征阶段,不同特征阶段的作用周期对成形参数的影响规律不同;通过对不同特征阶段的热物理行为进行分析,建立了可以描述半导体激光与粉末热交互作用的动态物理模型;通过对动态物理模型的分析,获得了激光功率、离焦量等参数对不同特征阶段热物理行为的作用机制。
激光技术 半导体激光 表面熔覆 预置粉末 熔化行为 中国激光
2021, 48(14): 1402013
1 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
2 兰州理工大学温州泵阀工程研究院, 浙江 温州 325105
研究了采用大光斑半导体激光进行表面堆焊时, 保持其它工艺参数不变, 不同的激光功率(900、1 100、1 300、1 500、1 700 W)在Q235基体上对Ni60合金粉末单道堆焊层熔深、熔宽、稀释率、显微组织及硬度、耐磨性的影响。研究表明, 随着激光功率的增加, 堆焊层熔深、熔宽、稀释率、枝晶尺寸均增加, 硬度、耐磨性降低。根据激光功率对单道熔覆层性能的影响, 选取最佳激光功率参数进行单层多道焊, 得到宏观形貌良好的堆焊平面。
材料加工 激光熔覆 堆焊 微观组织 性能 materials processing laser cladding surfacing microstructure property
