基于光内同轴送粉激光熔覆变截面异形薄壁件堆积成形研究

摘要

目前激光熔覆三维快速成形（LCRM）中所采用的送粉方式主要为光外侧向送粉和光外同轴送粉两种，前者激光束与粉末的耦合性较差，成形零件表面粗糙度较高，后者结构相对比较复杂，粉末利用率低。为此，本实验室提出了一种新型光内同轴送粉激光熔覆快速成形技术，该技术具有光粉耦合性好，粉末利用率高，熔池能量分布较均匀，形成的熔道比较平整等优势。本文对光内送粉熔覆的熔池能量分布和温度场进行了研究分析，系统分析了光内送粉激光熔覆成形工艺，重点对圆截面到椭圆截面逐渐变化的异形薄壁件高层堆积成形过程中的温度场进行了研究并堆积成形了该薄壁件。
　　通过对光粉耦合理论的分析，对送粉喷嘴的对中机构进行了设计改进，设计了一种新型粉嘴对中调节装置，该装置可在加工前以及加工过程中进行对中调节，改进后光头的光粉耦合性增强。
　　系统研究了环形激光光斑功率、送粉速度和扫描速度等因素对单道熔覆成形表面形貌、熔覆层的宽度和高度以及宽高比的影响，建立了宽高比与上述影响因素之间的回归方程并进行显著性检验，为采用该工艺成形变截面异形薄壁件以及今后环形光激光熔覆成形技术的应用提供了重要的参考依据。
　　对环形激光辐照下的光斑能量分布进行了分析，利用ANSYS分析软件建立了环形光辐射下的单道熔覆的有限元模型，熔池截面不同位置点的温度等值线分布图表明环形光辐照下的温度分布比传统的实心光斑温度分布更为均匀，在激光熔覆成形方面更具优势。
　　在PMAC控制系统的平台上编制变截面异形薄壁件的加工成形程序，根据前述单道实验的结论选择堆积成形的初始工艺参数并确定试验方案；建立了变截面异形薄壁件的有限元模型，分析了成形过程中的温度场演变过程和定点温度的热循环，仿真模拟了成形过程中为保证熔池温度的稳定所需要的激光功率的大小；通过CCD层高控制，利用模拟得出的功率变化值调节激光器功率，成功熔覆成形了圆截面到椭圆截面逐渐变化的变截面异形薄壁件，对成形件进行后续热处理并对其表面形貌、尺寸精度、金相组织、显微硬度和耐磨系数等进行了分析，成形零件综合性能结果表明：成形件表面光滑，没有粘粉，尺寸与设计尺寸基本相同，组织细小致密，与基体形成冶金结合，且成形件硬度较高。

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第一章 绪 论

1.1 选题及研究意义

1.2快速成形技术发展概况

1.3 同轴送粉激光熔覆成形发展现状

1.4 本课题的主要研究内容

第二章 光内同轴送粉光粉耦合研究与光头设计改进

2.1 光内送粉激光熔覆成形系统组成

2.2 光内同轴送粉环形光斑能量分析研究

2.3 光粉耦合方式及其对成形件的影响

2.4 光内同轴送粉激光熔覆成形光头及喷嘴设计改进

2.5 本章小结

第三章 光内同轴送粉单道熔覆成形工艺研究

3.1 前言

3.2 工艺参数对熔覆层表面形貌的影响

3.3 工艺参数对熔覆层宽、高及宽高比的影响

3.4 本章小结

第四章 变截面异形薄壁件成形工艺研究及性能分析

4.1 前言

4.2异形变截面薄壁件堆积成形工艺基础参数研究

4.3 异形薄壁件成形过程ANSYS温度数值分析

4.4 变截面异形薄壁件成形试验

4.5 异形薄壁件性能分析

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研项目情况

致谢