环形激光作用下同轴送粉熔覆工艺参数对成形的影响

摘要

激光熔覆快速成形技术是在激光熔覆技术的基础上，结合快速成形制造的特点发展起来的一种先进制造技术。目前激光熔覆快速成形技术普遍采用的送粉方式为偏置侧向送粉和多粉管光外同轴送粉，激光光斑为圆形光斑，在这种送粉方式下，光斑和粉斑的耦合稳定性比较差，本文采用环形激光光内同轴送粉的方式进行激光熔覆快速成形，重点对光内送粉工艺参数对成形的影响进行了分析研究。 通过建立环形激光束与光内同轴送粉粉束相互作用的简化数学模型，以作用区域的粉末为研究对象，重点讨论了环形激光作用效率η。经计算，同-z坐标处的η随送粉量Mρ(g/s)的增大而增大，随粉流速度v0的增大而减小；送粉量M ρ和粉流速度v0一定时，η随z的增大而增大。分析了环形激光光斑在扫描线宽方向能量的分布情况，与传统的圆形光斑和矩形光斑相比，有利于能量的合理分布和提高激光热作用效应；讨论了环形激光熔覆成形中主要工艺参数，如环形激光功率密度、扫描速度、送粉速率和光斑直径等对成形的影响。 利用环形激光光内同轴送粉喷头进行了多模激光束下单道单层、单道多层，离焦和多道搭接熔覆实验和测试。研究了在环形激光作用下激光功率、扫描速度、搭接量、送粉速率、光斑直径等工艺参数对成形尺寸、形貌、显微组织的影响，分析了不同工艺参数与熔覆层质量的关系。结果表明：要获得较好的成形质量，搭接量应大于光斑半径，激光功率、扫描速度和送粉速率存在着最佳匹配值，环形光斑下的正负离焦量可达14mm，能够在离焦状态下实现较高质量的激光熔覆快速成形。 试验证明，与圆形光外同轴送粉成形工艺相比，环形激光束与粉末耦合性好，激光光斑充分包围粉斑，成形件表面光洁度高，侧面无未熔化颗粒；环形激光热作用充分，其显微组织致密无缺陷，熔覆层边界与基体结合情况良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2激光熔覆技术特点及应用情况

1.3激光熔覆快速成形技术概述

1.3.1激光熔覆快速成形技术原理

1.3.2激光熔覆快速成形技术特点

1.3.3激光熔覆快速成形技术研究进展及现状

1.3.4影响熔覆层质量的关键参数

1.4本课题的主要研究内容

第二章环形激光与粉末相互作用研究

2.1激光光斑扫描线宽方向的能量分布

2.1.1圆形激光斑内能量分布

2.1.2环形激光光斑扫描能量分布

2.2激光光束与粉末的相互作用

2.2.1成形时激光束焦点位置的确定

2.2.2激光与粉末作用的物理过程

2.2.3激光作用效率η的计算举例

2.3 小结

第三章基于环形激光的成形实验分析与设计

3.1实验条件

3.1.1试验设备

3.1.2实验材料

3.2环形激光光内同轴载气送粉实验

3.2.1送粉喷嘴的选用

3.2.2环形光内同轴送粉实验

3.2.3环形光内同轴送粉单道熔覆工艺参数的确定

3.3试验方法

3.4环形光斑作用下成形试样分析方法

3.5本章小结

第四章环形激光光内同轴送粉实验工艺研究

4.1工艺参数对单道熔覆层质量的影响

4.1.1激光功率对熔覆层质量的影响

4.1.2扫描速度对熔覆层质量的影响

4.1.3激光光斑直径对熔覆层质量的影响

4.1.4送粉速度对熔覆层质量的影响

4.1.5工艺参数对熔覆层表面形貌的影响

4.1.6搭接量对熔覆层质量的影响

4.2工艺参数对熔覆层显微组织及显微硬度的影响

4.3环形光光内送粉方向性影响

4.4本章小节

第五章结论与展望

5.1结论

5.2后续研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢