（机械制造及其自动化专业论文）激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究.pdf

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b e a m w i r e 。f e e 。d i n g r e s e a r c ho nl a s e rc l a d d i n gr a p i dm a n u f a c t u r i n gw i t h c o a x i a li n s i d e b e a mw i r ef e e d i n g a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gr a p i dm a n u f a c t u r i n g ( l c r m ) i san o v e lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e u s e dt of a b r i c a t ef u l l yd e n s ec o m p o n e n t s f e e d i n gp o w d e rl a s e rc l a d d i n gp r o c e s si s q u i t em a t u r ei nt h ef i e l d ，b u tw h i c hp o w d e ru t i l i z a t i o nr a t ei sl o wc o m p a r e dw i t ht h e f e e d i n gw i r el a s e rc l a d d i n gp r o c e s s ( o u t s i d el a s e rc o a x i a l p o w d e rf e e d i n gu t i l i z a t i o n ： 2 0 3 0 ，i n t e r n a ll a s e rc o a x i a l - p o w d e rf e e d i n gu t i l i z a t i o n ：5 0 一8 0 ，l a s e rw i r e f e e d i n gu t i l i z a t i o n ：10 0 ) a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so fl a t e r a lw i r ef e e d i n g ，a n e wi n s i d e - l a s e rc o a x i a lw i r ef e e d i n gp r o c e s si sa d o p t e dt h a tc a ne n s u r eag o o d a x i a l i t yb e t w e e nw i r ea n dl a s e rb e a mt h r o u g ht r a n s m i t t i n gw i r ea l o n gt h ec e n t e r l i n e o ft h el a s e rb e a m b a s eo nt h ep r o c e s so fl c r mw i t hc o a x i a li n s i d e - b e a mw i r ef e e d i n g ，am o r e f a c i l i t a t ea d j u s t m e n td e v i c eh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z e st h ec o a x i a lc o u p l i n go f t h ew i r ea n dt h el a s e rb e a mb ya d j u s t t i n gt h ea n n u l a rf o c u sl e n st om o v et h ef o c u s l e v e lp o s i t i o na n di m p r o v e st h es a f e t yo fo p e r a t i o n t h en o v e ld e v i c ew a sa p p l i e di nt h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so fl a s e rc l a d d i n g w i t hw i t hd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ei n f l u e n c e so nt h es u r f a c eq u a l i t yo f c r u c i a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha sl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e d ， w i r ed e l i v e r yr a t e ，d e f o c u s i n ga m o u n ta n ds oo n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e c o n d i t i o no ff o r m i n gc o n t i n u o u sc l a d d i n gi st oc h o o s eas u i t a b l en e g a t i v ed e f o c u s d i s t a n c ea n dt h ei n f l u e n c eo f w i r ed e l i v e r yr a t eo nc l a d d i n gl a y e rs e c t i o n sw i d t ha n d h e i g h ti sr e m a r k a b l ea n dt h ei n t e r a c t i o no fe a c hp r o c e s sp a r a m e t e ri n f l u e n c e st h e c l a d d i n gl a y e rs e c t i o n ss i z e t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sa r es e l e c t e dt h r o u g h o r t h o g o n a lt e s ta n dd i r e c t i o n a ls c a n n i n ge x p e r i m e n tp r o v e s l a s e rc l a d d i n gw i t h c o a x i a li n s i d e - b e a mw i r ef e e d i n gc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ep r o b l e mo fs c a n n i n g d i r e c t i o n m a t h e m a t i c a lm o d a li sb u i l tf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n d c l a d d i n gl a y e rs e c t i o n sw i d t ha n dh e i g h tw i t l lr e g r e s s i o ne q u a t i o na n ds t a t i s t i c a lt e s t s w e r ec a r r i e do u tt ov m f yt h em o d e l t h r o u g ha n a l y z i n gf a c t o r sm a i ne f f e c t ，i ti s s h o w nt h a tl a s e rp o w e ri sp o s i t i v er e l a t i o nw i t hc l a d d i n gl a y e rs e c t i o n sa s p e c tr a t i o i t r e s e a r c h o n l a s e r c 1 a d d i n g r a p i d ，。m a n u f a c 。t u r i n 。g w i t h c o a x i 。a 。1 i n s i d e - b e ，a 。m w i r e f e e d 。i n 。g a b s t r ，a c t a n dt h ee f f e c to fw i r ed e l i v e r yt a t eo nc l a d d i n gl a y e rs e c t i o n sa s p e c tr a t i o t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lc o n c l u s i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s e sw h i c h p r o v e st h e o r e t i c a la n a l y s e sc o r r e c t b a s e do nt h eo p t i m a lp r o c e s s ，af i n em u l t y - l a y e rh o l l o wr o t a r yp a r t sw a sf o r m e d b yl ( e e p i n gt h ed e f o c u sd i s t a n c eu n c h a n g e da n da d j u s t i n gt h el a s e rp o w e ri nt i m e 。 t h e r ea r en os u b s i d e n c ed a m a g ea n dc r a c ko nt h ew h o l ec l a d d i n gl a y e r t h ew i d t h a n dt h et h i c k n e s sw e r eu n i f o r ma n dt h em i c r o s t r u c t u r ew a su n i f o r m l yd i s t r i b u t e d 。 t h eh a r d n e s so ft h el a s e rc l a d d i n gw a su n i f o r m l yd i s t r i b u t e da n dl a r g e rt h a nt h e s u b s t r a t e k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；r a p i dm a n u f a c t u r i n g ；c o a x i a li n s i d e - b e a mw i r ef e e d i n g ； c l a d d i n ga s p e c tr a t i o 掰 w r i t t e n b y ：l ih o n g y u a n s u p e r v i s e db y ：s h is h i h o n g 目录 第一章绪论1 1 1 激光熔覆技术概述1 1 2 激光熔覆成形送料方式2 1 2 1 送粉式激光熔覆。3 1 2 。2 送丝式激光熔覆5 1 3 激光送丝熔覆制造的现状5 l 。4 现有送丝熔覆方式存在的不足。9 1 5 本课题研究的主要内容9 第二章可调式光内同轴送丝光头的设计1 1 2 1 弓| 言l l 2 2 光内同轴送丝熔覆工艺简介1 1 2 。3 可调式光内同轴送丝光头的设计1 2 2 3 ，l 可调式光内同轴送丝光头的构思1 2 2 3 2 可调式光内同轴送丝光头的结构设计1 3 2 3 3 可调式光内同轴送丝光头的特征。1 5 2 。3 4 可调式光头的优点及效果1 6 2 4 本章小结1 7 第三章光内同轴送丝熔覆单道工艺参数的影响磺究1 8 3 1 引言1 8 3 2 试验条件。1 8 3 2 1 试验设备1 8 3 2 2 试验材料2 2 3 3 光内送丝单道熔覆试验研究。2 2 3 3 。l 离焦量对单道熔覆形貌的影响2 2 3 3 2 激光功率对单道熔覆形貌的影响2 7 3 3 3 扫描速度对单道熔覆形貌的影响2 9 3 。3 4 送丝速度对单道熔覆形貌的影响3 2 3 4 单道工艺参数的优化选取3 5 3 。5 扫描方向性试验。3 9 3 6 本章小结4 0 第四章单道熔覆层截面宽高比的研究及建模4 l 4 1 弓| 言4 l 4 2 单道熔覆层宽高比与搭接率的关系4 l 4 。3 熔覆层截面宽寒比数学模型的建立。4 3 4 3 。l 回归数学模型的选择4 3 4 3 2 回归方程系数的计算4 4 4 4 回归方程的检验4 6 4 4 1 回归方程的显著性检验4 6 4 4 2 回归系数的显著性检验4 7 4 5 回归方程的讨论4 9 4 6 本章小结5 1 第五章光内同轴送丝熔覆三维成形工艺及性能研究5 2 5 1 引言5 2 5 2 光内送丝熔覆堆积空心薄壁圆柱体的试验设计5 2 5 3 送丝熔覆成形关键工艺参数的研究5 4 5 3 1z 轴增量的控制及分析5 4 5 3 2 激光功率的控制及分析5 5 5 4 光内送丝熔覆快速成形零件性能分析5 7 5 4 1 成形件表面形貌分析5 7 5 4 2 成形件尺寸误差分析5 7 5 4 3 成形件内部显微硬度分析5 8 5 4 4 成形件微观组织分析5 8 5 5 本章小结6 0 第六章全文总结与展望。6 l 6 1 结论6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 8 致 射6 9 激光光蠹嚣辘送缝熔覆捷速裁造技术骚宠筹一章绪论 第一章绪论 1 1 激光熔覆技术概述 激光熔溪亦称激光包覆或激光熔敷，是剩用大功率激光对材料表蟊进行改 性处理的技术，它是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束 ( 1 0 耳 - - ，1 0 。w c m ) 辐照嬲热，使熔覆材料和基材表面薄屡发生快速熔讫，并快速 凝固。从而在基体表面彤成与其为冶金结合的添料熔覆层。最终所得的熔覆层具 有特殊纯学、物理、力学等性熊，麸瑟弥替基体不具备的嵩性麓，投大翡提嵩 基材表面的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化等性能。熔覆层能充分结合基体与熔覆 材料的优势，弥补两种材料豹不足，对于一些共晶合金，甚至有可能获褥非晶 态的表层，使其具有很好的抗氧化和抗腐蚀性能【h 7 】。 激光熔覆技术经过半个多世纪的发展，已经完全款实验室进入到实际工翌 应用，在汽车工业、航空航天、石油行业、热能动力工业和模具行业已有广泛 的应用黪臻； 近年来，基于三维激光熔覆工艺的激光熔覆快速成型技术( l c g m ) 。成为激 光熔覆技术领域酶一个新酌磷究热点。其募理是：首先在吴有零斧纛型酶 c 燃a m 软件支持下，用c a d 画出零件的实体模型，然后将实体模型进行分 层处理，获取备截面的凡 毒信息，并将其转纯成c n c 工作台运动酌辘迹信息。 成形时，激光光束照猩基材表简，熔覆材料通过送料装簧不断被送进移动的熔 池中，并茯速熔佬凝霞形成熔覆层，激光光头根据c a d 给定酶孰迹信息在c n c 的控制下在z 轴方向上逐层扫描堆积，最终制造出金属实体零件q 舳。 在实际生产孛利用该技术辘直接或闻接制造具有竞全使用功能瓣金属零律 和模具，大大缩短了产品的开发周期，节约大量成本，提高了制造企业在复杂 结橡金属零件裙模具方面的制造能力。与其链传统黯工王艺福魄，具体优点如 t 1 3 - 2 2 1 ( 1 ) 髓快速加工制造出形状复杂的金属零件，特别是对于传统加工中难子 加工的金属零件，能减少产品设计到制造的周期和成本。 ( 2 ) 熊褥蓟晶粒细小，缀织致密的金属零件，并虽省略了热簸理工序，成 形零件的各个性能等于或优于锻件，优于铸件。 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 ( 3 ) 能在成形零件任意位置进行结构和材料的修改，达到不同的组织和性 能要求，实现了柔性设计和制造。 ( 4 ) 熔覆成形的零件可不再进行后处理，或较少的后处理，材料利用率提 高，成形不产生废弃物，对环境的污染小，属于绿色制造。 ( 5 ) 制造过程属于无模制造，并实现了信息化、数字化。对新产品的开发 设计和小批量零件的制造更具有优势。 激光熔覆快速成形技术在航空航天、汽车制造、船舶、石油、军工等领域 都具有很好的应用前景。其具体的应用场合可概括如下【2 3 。3 0 】： ( 1 ) 快速模具制造，尤其是塑料注射成型模具的制造； ( 2 ) 武器装备、航空航天等领域内高精度的复杂零件的制造及修复； ( 3 ) 超硬度、稀有金属材料的零件制造； ( 4 ) 梯度性能材料的开发与制造； ( 5 ) 要求高度与壁厚的尺寸比大于1 0 的薄壁金属零件的制造。 1 2 激光熔覆成形送料方式 激光表面熔覆按供料方式可分为预置式和同步式。预置式是将金属材料预 先置于基体表面的熔覆位置，然后使用激光束扫描使金属材料熔化。金属材料 主要以丝、粉和板的形式，其中采用粉的形式最多。粉末的预置方法主要包括 热喷涂和粘结。其中热喷涂的优势在于喷涂效率高，能获得大面积涂层，涂层 不易受污染，且涂层厚度均匀并与基体紧密结合，在熔覆过程中不会剥落。其 主要缺点是材料利用率不高，需要专门的设备和技术工艺，另外操作程序也较 繁琐。粘结法是在热喷涂的基础上发展起来的，它是将粘结剂和粉末调和成膏 状，然后涂在所需熔覆的基材位置。粘结法具有较好的操作性和经济性，但粘 结剂的汽化和分解容易对熔覆层产生气孔和污染等缺陷，另外在熔覆过程中粘 结层还容易脱落。因此预置式激光熔覆不能用于激光熔覆立体成形，使用有较 大的局限性【3 1 3 4 1 。 同步式激光熔覆是把金属材料直接送入高能激光束中，在激光的热作用下 使金属材料瞬间被加热到红热状态，落入到熔化区域后即刻熔化，并随激光束 的移动和粉末的连续送入形成激光熔覆层，该方法被广泛用于激光熔覆成形。 根据熔覆材料的分类可以分为送粉式激光熔覆和送丝式激光熔覆。 一2 一 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 第一章绪论 1 2 1 送粉式激光熔覆 送粉式激光熔覆是将粉末由送粉器经送粉管直接送入基体表面激光照射 区。粉末到达熔化区前先经过光束，被加热到红热状态，落入熔化区后即熔化， 随激光束的移动和粉末的连续送入形成激光熔覆层。送粉式激光熔覆成形根据 送粉位置可分为：光外同轴送粉熔覆和光内同轴送粉熔覆。 ( 1 ) 光外同轴送粉熔覆成形 光外同轴送粉熔覆成形工艺主要是以圆形实心激光束为中心轴的圆周方向 均匀对称地分布多个载气送粉喷嘴，送粉管道的中心线汇聚于激光束的一点， 实现粉末汇聚点和激光束焦点的重合进行扫描熔覆，得到所需结构的致密金属 零件，结构如图1 1 所示。这种送粉装置可以提供均匀、稳定和汇聚性能较好 的粉末束流。适用于激光熔覆的立体成形，由于其具有的优越性及它的特殊用 途己经得到了人们的高度重视【3 5 。3 t i 。 1 f o c u s i n gm i r r o r 2 p o w d e r ss t r e a m 。j 。 p r o t e c t i v e 黔4 。i n t e r a c t i o n 他西0 1 1 。5 1 盛辩r b e a m 6 。( l i n gw a l e r ，7 ，p a r t 。8 ，s u b s t r a t e 。 图1 - 1 光外送粉熔覆示意图 该工艺的主要缺点是：粉末从光束外围汇聚到一点，激光束和粉末的同轴 性难保证，同时受粉末气流的影响，粉末的汇聚点难以达到理论上的一点，往 往汇聚点粉斑较大；另外由于光外的环形粉束环上的粉束气流的大小不同，导 致圆周上的粉束量大小不一样，出现粉束某一侧会相对较好，因此存在一定方 向性问题。光外同轴送粉熔覆的粉末利用率很低，只有2 0 ，加工过程中，粉 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 尘对工作环境的污染较大。 ( 2 ) 光内同轴送粉熔覆成形 针对光外同轴送粉的不足之处，本课题组提出了一种“光束中空，粉管居 中，光内送粉 的光内同轴同步送粉方案【3 8 】，原理如图1 2 所示。本课题组研 究设计了一种新型激光熔覆快速成形光路系统，利用设计的光学元件和光内同 轴送粉喷头将传统的圆锥形聚焦光束变换成为横截面是圆环形的锥形聚焦光 束，使投射至加工表面的聚焦光束中产生一中空无光区，然后将单根送粉管由 光束外伸入此圆环锥的无光区中，粉束通过此粉管垂直送入加工面上的光斑中， 即实现“光内同轴送粉 ，图1 3 为熔覆成形件的外观图。 、， ，嬉橙层 麓鋈鋈鋈二望逊，一。j 嬉丫 兰竺兰兰翌垒 +， 图1 - 2 光内同轴送粉熔覆示意图 图卜3 光内同轴送粉熔覆成形件外观图 光内同轴送粉由于粉束在光束中，粉束汇聚效果比较好，因此同轴性能较 好保证，能避免扫描出现的方向性问题。当加工多方向的立体成形件时，优势 比较明显。另外光内同轴送粉熔覆的粉末利用率可达到8 0 ，是光外同轴送粉 熔覆的粉末利用率的3 倍，极大的提高了粉末的利用率【3 9 】。 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究第一章绪论 1 2 2 送丝式激光熔覆 近年来逐步发展了一种同步送丝激光熔覆方法。送丝熔覆制造是将一种很 细的金属丝材代替上述送粉式激光熔覆的粉末。其原理如图1 4 所示，从光束 侧面将丝材送向加工位置，高能激光束在基体或熔覆层上形成熔池，送丝装置 同时把丝材实时送入熔池，并同步随着激光束按照预定的轨迹进行扫描，最终 可得到所需的致密金属零件【4 0 4 1 1 。 实心 光束 工件 工作 厶 口 图1 - 4 光外侧向偏置送丝示意图 丝材熔覆制造技术与送粉熔覆制造技术相比，主要优点是：如果精确控制 丝材的送给，材料利用率几乎为1 0 0 ；送料过程易于控制，且送料精度较高， 非常适合自动化生产；使用金属丝成本较低，另外更适合不同熔覆层位置的要 求( 如管道的内壁的覆层就可用送丝熔敷实现) ；丝材熔覆制造技术对环境无 污染。由于这些明显的优势，送丝熔覆被认为具有极大的发展空间。 1 3 激光送丝熔覆制造的现状 目前，送丝激光熔覆制造的研究主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 丝材熔覆工艺参数的研究 目前国外对激光送丝熔覆工艺的研究，主要针对各个工艺参数进行研究， 包括：送丝位置、送丝角度、以及激光功率、送丝速度等等。 例如，韩国人j a e - d ok i m 和y u np e n g 研究丝材熔覆时h 羽。采用固体激光 气激光器，使用a r 为保护气体，熔覆材料为i n c o n e l6 0 0 ，丝直径为0 2 m m ， 扫描速度为9 3 m m s 。在激光束照到基体3 s 之后，工件开始运动，同时开始送丝。 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 扫描速度由1 5 m m s 增加到2 5 m m s ，激光熔覆层的稀释度降低，合金层和热影响 区的硬度值提高，熔覆层表面质量好，熔覆层与基体间结合紧密h 朝，另外还研究 了送丝熔覆时熔覆速率对熔池稀释率和熔池形状的影响，其中发现对基板预热 有助于提高熔覆稀释率，熔覆能量的减少可降低稀释率h 钔。 另) l u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e r 的l i i ll i 对丝材熔覆的工艺参数的研究比较充 分，他用1 5 k w 的半导体激光器对0 8 m m 的3 1 6 l 的不锈钢焊丝进行熔覆试验， 对光外送丝的不同送丝位置和送丝角度进行了研究，如图1 5 所示。最后试验 得出，光外送丝熔覆的质量受送丝位置和送丝角度的影响极大，前送丝的送丝 角度在一定范围内增加会导致熔覆层表面的粗糙度增加，而后送丝中的送丝角 度对熔覆层粗糙度的影响却相反。前送丝相对后送丝更容易获得高质量的熔覆 层【笪4 6 】。 丝在熔池前沿丝在熔池中央丝在熔池后沿 图卜5 光外送丝不同送丝位置 而目前国内的激光送丝熔覆研究极少，丝材的熔覆主要是针对送丝焊接工 艺方面的研究。 ( 2 ) 激光光外送丝直接沉积制造 现在国外己越来越多的学者对送丝熔覆成形展开了研究，英国u n i v e r s i t y o fn o t t i n g h a m 对激光光外送丝熔覆成形的研究很具代表性，该大学的 d g m c c a r t n e y 用半导体激光器对1 2 m m 的高镍基合金焊丝进行了激光熔覆成 形试验，并对其显微硬度、y 镍基固溶体的形成进行研究，熔覆示意图如图1 - 6 所示。另外u n i v e r s i t yo fn o t t i n g h a m 还用1 2 m m 的t i 6 a 1 4 v 金属丝进行熔覆 试验，最后得到长、高、厚度分别为l o o m m x2 5 m m x3 m m 的薄壁成形件h 7 。4 引。 一6 一 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 第一章绪论 s u b 牡r 曩t e 图1 - 6 光外送丝熔覆示意图 该熔覆过程把金属丝形成熔滴、滴落并凝固在基材上，这样逐点、逐线、 逐层熔凝金属材料，在沉积完每一层后都进行表面和侧面轮廓的机加工，直至加 工出整个零件，最后成形效果如图卜7 所示。 图1 - 7 光外送丝熔覆成形件 ( 3 ) 激光光内送丝熔覆的研究 目前国内对激光送丝熔覆工艺及其成形的研究尚无其他相关报道。针对光 外送丝熔覆存在熔覆扫描方向性问题，这极大的限制了送丝熔覆多方向的立体 成形，本课题组曾提出了光内同轴送丝熔覆成形的工艺引，原理如图1 - 8 所示。 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 环 图卜8 光内同轴迭丝熔覆示意图 该方案是利用圆锥圆环双反射镜技术，将入射的实心圆形激光束在喷头装 置中进行分割、聚合等光学变换，使投射至成形表面上的聚焦激光束内部形成 一中空锥形的无光区。单根送丝喷嘴即可布置在此无光区中并与聚焦激光束同 轴。丝材可通过送丝喷嘴垂直送入加工面上的聚焦光斑中，实现了光内垂直正 向送丝 2 4 】。与光外侧向送丝技术比较，光内同轴送丝具有如下优势【4 9 。5 1 】： ( 1 ) 被熔丝材与激光束同轴垂直送进，在扫描成形加工时，其送进方向、 送进角及送进位置均不变，可消除扫描方向性影响。 ( 2 ) 送进角可达到9 0 。，丝材完全被光束包围，变单边受热为周围受热， 熔化凝固速度加快，熔池对流传热传质更均匀。并且，丝材到达高密度光被融 化之前恰好要经过光束密度渐强的区域，可实现熔化前的预热，有效利用激光 能量，实现速熔速冷，获得激冷熔覆组织。 ( 3 ) 可通过控制离焦量，适当分配包围照射至被熔材料和熔池表面的光能， 以控制预热及熔池的形成。 ( 4 ) 一体式熔覆装置将原来分离的激光头与送丝喷嘴集成为一体。无论在 焦点位置还是在离焦位置，光、丝皆可精确耦合，克服了光外侧向送丝最为敏 感的离焦误差问题，给工艺操作和调整带来极大便利。 本课题组之前对该工艺进行了研究，主要探讨了扫描速度和送丝速度对熔 覆层质量的影响，进行了扫描方向性的验证和成形试验，取得了一定的研究成 果，成形效果如图1 - 9 所示。 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 第一章绪论 眵一。习 p 黔v 。、。，l 黼。“” 。一，。一- 篡， 隧绣黪锄照8 黪漂鬻黪黪锄嬲： 鞣嚣。糍；- 。，i，一。 ! i i ( a )( b ) 图i - 9 熔覆效果图( a ) 薄壁成形件( b ) 连续迷宫型熔道 1 4 现有送丝熔覆方式存在的不足 随着激光熔覆技术的不断发展，更多的人对丝材熔覆进行研究。通过对激 光熔覆成形用料及输送方式我们可以得出，现有激光送粉或送丝熔覆存在一些 不足之处： ( 1 ) 目前激光送粉熔覆工艺已比较成熟，但送粉法存在着不可避免的发散 和滞后问题；另外送粉法还存在材料利用率非常低以及污染等问题，激光光外 送粉熔覆粉末利用率在2 0 9 i 6 左右，激光光内送粉熔覆粉末利用率在6 0 ，但送粉 熔覆由于粉末的发散以及难控制，粉末利用率不能达到1 0 0 9 6 。 ( 2 ) 激光光外送丝熔覆能极大的提高熔覆材料的利用率，但受送丝位置和 送丝角度的影响极大，在单向的单道熔覆或成形熔覆时尚可满足要求，但在立 体多方向的成形时不能保证熔覆层各个方向的一致性。 ( 3 ) 现有光内送丝熔覆的研究中，工艺参数对熔覆层质量影响的研究不全 面充分，未对光内送丝熔覆过程中关键工艺参数如何的影响熔覆层几何形貌作 深入研究，另外对成形的研究不够充分。 针对以上不足，本课题采用已有的环形激光光内同轴送丝熔覆工艺。该工 艺通过将金属丝与环形激光束中心线同轴输送，保证金属丝和激光同轴，以消 除在变方向扫描中送丝方向、角度和位置随之变化的影响，进行相关的试验研 究，为丝材熔覆提供新方法和装置。 1 5 本课题研究的主要内容 本次研究在已有光内同轴送丝熔覆工艺基础之上做更全面深入的研究。研 究的主要内容包括如下： 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 ( 1 ) 在已有光内同轴送丝熔覆工艺基础之上，对熔覆光头进行结构改进， 设计一种更便于实现光丝同轴耦合的光头。 ( 2 ) 研究送丝熔覆过程中关键工艺参数( 离焦量、激光功率、扫描速度和 送丝速度) 对熔覆层形貌的影响，分析工艺参数之间的相互关系；采用正交试 验优化工艺参数：进行扫描方向性试验，验证光内送丝熔覆无方向性。 ( 3 ) 研究单道熔覆层截面宽高比与搭接率的关系，确立相关数学模型；对 关键工艺参数( 扫描速度、激光功率、送丝速度) 与熔覆层截面宽高比的关系 展开研究，通过多元二次回归设计试验方案，建立相关的数学模型，并对数学 模型进行统计检验和试验验证，利用该模型讨论和分析各个参数对熔覆宽高比 的影响。 ( 4 ) 在优化的单道工艺参数基础上，进行回转体的堆积试验。分析成形过 程中激光功率、层高增量对成形试验的影响，并对成形件进行分析和检验。 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究第二章可调式光内同轴送丝光头的设计 第二章可调式光内同轴送丝光头的设计 2 1 引言 现有的激光送丝熔覆中，大多采用光外送丝方式，但光外送丝熔覆由于丝材 从激光束外围侧向送进，这导致在进行一维熔覆时，送丝位置受激光束扫描方向 的影响，当进行二维或三维扫描时，熔道质量和形貌都是各向异性的，无法进行 堆积成形。本课题组曾提出一种光内同轴送丝的方案，改变了激光束与金属丝的 耦合方式，实现了光内同轴送丝方式的激光熔覆成形，并且取得一定的效果，本 章在已有同轴送丝光头的基础上对光头结构进行改进，设计一种更便于实现光丝 同轴耦合的光头。 2 2 光内同轴送丝熔覆工艺简介 基于对光外侧向送丝不足产生原因的分析，欲克服熔覆过程中的扫描方向性 和耦合性差的问现，本文采用已有的光内同轴送丝熔覆工艺，该工艺是一种“光 束中空，丝材居中，光内同轴送丝”的工艺方案，它将传统的圆锥形聚焦光束变 换成为圆环锥形聚焦光束，以实现“光内同轴送丝”，如图2 1 所示。 t h ed ir e c t i o n0 m o v e m e n to ft h s u b s t r a t g a s 图2 - 1 光内同轴送丝熔覆示意图 该工艺的特点主要体现在两个方面： ( 1 ) 光束中空。即采用光路转换，将传统的圆锥形聚焦光束变换成为圆环锥 形聚焦光束( 如图2 - 1 所示) 。中空光内为安放同轴送丝装备提供了无光空间。 第二章可调式光内同轴送丝光头的设计激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 ( 2 ) 同轴送丝。侧向送丝是将金属丝通过导向管输入到激光焦点位置，而导 向管与激光束的轴线是存在一定夹角的，夹角的存在会引起送丝方向、角度影响 等众多问题。“光内同轴送丝”是利用环形光中空区域设置一个与激光束轴线同轴 的导向嘴，将金属丝沿激光束中心线方向输送，实现光与丝在理论上的同轴，同 时送丝喷嘴与激光头一体安装，保证二者联动。 2 3 可调式光内同轴送丝光头的设计 2 3 1 可调式光内同轴送丝光头的构思 根据光内同轴送丝的方案构思，本课题研制了光内同轴送丝光头啼1 j ，原理示 意如图2 - 2 所示。该装置用圆锥镜将激光器发射的激光束变换为环形光束，再用 环形聚焦镜聚焦成为环锥形光束，在环锥形光束中形成一锥形中空无光区，送丝 管置于此无光区内并与环锥形光束同轴线。 工作中丝材在环锥形光束中心被同轴垂直送入加工面上的熔池内，实现光内 同轴送丝。该装置克服了现有的光外侧向送丝工艺方法中存在的由于激光束扫描 方向不同而造成熔道形貌各向异性的不足，保证了光内送丝各方向姿态方位的一 致性。然而，上述装置存在送丝喷嘴与入射激光束的同轴度不能调节的不足，易 造成光和丝的耦合性差的缺点。因此，有必要设计一种可调节送丝喷嘴与入射激 光束的同轴度的激光加工光内同轴送丝喷头，以有效调节送丝喷嘴与入射激光束 的同轴度，从而保证光和丝的耦合性，提高激光熔覆效果。 图2 - 2 环形光聚焦示意图 焦镜 激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 第二章可调式光内同轴送丝光头的设计 图2 - 2 中，入射光束为实心光斑，入射光经过4 5 。锥镜后扩束到环形聚焦镜上，环 形聚焦镜竖直截面轮廓实际上是为抛物线状。当水平移动图2 2 中的环形聚焦镜， 且其他位置不变，即可移动焦点的水平位置，通过移动环形聚焦镜即可有效保证 丝与聚焦光束的同轴耦合，图2 3 为环形聚焦镜移动前和水平向左移动a x 距离后 的聚焦示意图比较。 l i 、 夕 n 镜 瓜zy x 胪沁孙墨 雄 图2 - 3 抛物线聚焦图 以图2 - 3 中初始抛物线的右边段进行研究，设初始抛物线的方程为： y 2 = 一2 p ( x - x o ) ， ( 其中工 0 ) 焦点坐标：( x o p 2 ，0 ) 令初始抛物线焦点在圆心位置，即x 。= p 2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 当环形聚焦镜向左偏移a x 距离时 移动后的抛物线右变段抛物线方程为： y 2 = 一2 p ( x z o + 缸) ，( 其中x o ) ( 2 3 ) 由( 2 - 2 ) 式代入( 2 - 3 ) 式中得到 y 2 = - 2 p ( x p 2 + a x ) ，( 其中x 0 ) ( 2 4 ) 求得方程焦点坐标为：( - a x ，0 ) 即环形聚焦镜移动的距离和对应焦点移动的距离相等，说明通过移动环形聚焦镜 来保证环形光斑和丝的同轴耦合是可行的。 2 3 2 可调式光内同轴送丝光头的结构设计 根据以上分析，本课对装置进行改进设计，设计了一种激光加工光内同轴送 第二章可调式光内同轴送丝光头的设计激光光内同轴送丝熔覆快速制造技术研究 丝喷头，该喷头可调节送丝喷嘴与入射激光束的同轴度。示意结构如图5 所示， 实物外形如图6 所示。在筒体的入光口设置有用于调节入射光与所述简体的同轴 度的入光调节装置，在环形聚焦镜与所述简体之间设置有用于调整所述环形聚焦 镜的横向位置的调整螺钉。本实用新型所揭示了的激光加工光内同轴送丝喷头， 可以很方便地调节环形聚焦镜的位置以使入射激光达到良好的聚焦效果，同时还 可以调节入射光与筒体的相对位置，以保证入射光与筒体的同轴度。 图5 可调式光内同轴送丝光头结构图 图6 同轴送丝光头外形图 鼗燕觉蠹嚣轻遴熬端震褒蘧鼷逡接零磁畿簿二睾甏潺式竞蠹涎瓣遴錾蹩受瓣设诸 圈5 中，其中：l 、入射激光束；2 、入光筒；3 、对中调整螺钉；4 、水平调 整螺豁；5 、上囊篱；6 、篱蒋；7 、嚣影聚焦镜；8 、焦煮德嚣谖整蝶钉；9 、嚣摧 镜；1 0 、支撑架 i l 、冷却水道；1 2