（机械制造及其自动化专业论文）基于激光熔覆的快速制造技术的初步研究.pdf

摘要 v 摘 要 a 3 6 s 1 | l 基于激光熔覆的快速制造技术( l c r m ) 是一项近几年才兴起的快速成形技术，它是 激光熔覆理论和快速成形技术的集成。它通过激光熔化同轴送粉咀输送的金属粉末， 在基材上逐层熔化堆积而形成金属零件。和传统的制造方法相比，该项技术具有几个 突出的优点：生产成本低、周期短、市场响应快，并且制造的零件具有优越的综合性 能，还可以利用不同材料制造具有梯度功能的零件等。该技术作为一项非常有应用前 景先进制造技术，已经受到越来越广泛的关注。 本文以激光熔覆理论和快速成形技术为基础，对基于激光熔覆的快速制造技术进行 了初步研究。论文的主要内容如下：首先分析了在非载气同轴送粉情况下粉末流的密 度分布、粉末颗粒的吸热特性以及粉末流对激光束的衰减规律，并在此基础上建立了 激光能量在粉流中透过率的数学模型。然后币用相关理论和机械设计知识，设计了结 构简单实用四路分粉器，以及一种新型非载气式同轴送粉咀。接着针对非载气同轴送 粉咀进行了一系列试验，包括：同轴送粉咀性能测试，各工艺参数对粉末利用率、单 道熔覆层宏观质量以及多层熔覆层宏观质量( 如：熔覆层的表面质量、硬度分布、开 裂现象等) 的影响，并分析了多层熔覆层的微观组织和成分分布。在上述试验的基础 上确定了合适工艺参数范围。另外还针对l c r m 技术开发了专用的c a d c a m 软件， 该软件是对a u t o c a d 的二次开发，开发工具为o b j e a r x ，主要由实体造型模块、分 层及截面数据处理模块、n c 代码生成模块、加工轨迹模拟模块以及数据传输模块组成。 最后制造出了简单的金属零件( 矩形零件、叶片、螺秆) 。 关键词：激光熔覆、快速成形技术、同轴送粉咀、透过率、粉末利用率、工艺参数、 a u t o c a d 、二次开发、c a d c a m 、n c 代码 摘要 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 t t t i n g ( l c r m ) i san e wr a p i ds h a p i n gt e c h n o l o g y , w h i c h i st h ei n t e g r a t i o no fl a s e rc l a d d i n gt h e o r ya n dr a p i ds h a p i n gt e c h n o l o g y i tu s e sl a s e rb e a mt o m e l tm e t a l l i ep o w d e rf e db yc o a x i a ln o z z l el a y e rb yl a y e ro na s u b s t r a t e ，t h e nas o l i da n d f u n c t i o n a lc o m p o n e n ti sp r o d u c e d c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，i th a s s o m es p e c i a la d v a n t a g e s ：l o wp r o d u c ec o s t , s h o r tp r o d u c et i m e ，r a p i dr e s p o n s et om a r k e t , c o m p o n e n th a v i n ge x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dg r a d e df u n c t i o nw i t hv a r i a b l e c o m p o s i t i o na n ds o o n i th a sb e e ng i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n , a sa n a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a v i n gg r e a tp o t e n t i a l i nt h i sp a p e r , l c r mi sp r i m a r yr e s e a r c h e d t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e sf o u rp a r t s f i r s t l y , a i m i n ga tt h ec o - a x i a lf e e d i n gp o w d e r , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ed e n s i t y d i s t r i b u t i n go f p o w d e rs a e a m , t h ea b s o r b e n c yo f m e t a l l i cp a r t i c l ea n dt h ea t t e n u a t i o no f l a s e r b e a mb yp o w d e rs t r e a m ，t h ee q u a t i o no f l a s e rp o w e rp e r m e a t i o nr a t ei se s t a b l i s h e di np o w d e r s t r e a m s e c o n d l y , a c c o r d i n gc o r r e l a t i v et h e o r ya n dr n a e h i n ed e s i g nk n o w l e d g e ，as i m p l ea n d a p p l i e df o u r - r o a dp o w c 。xs p l i t t e ra n dan o v e lc o - a x i a ln o z z l ew i t h o u tc a r r y i n gg a sa r e d e s i g n e d t h i r d l y , as e r i a le x p e r i m e n t sa 聆d o n e ，i n c l u d i n g ：t e s t i n gt h ec o - a x i a ln o z z l e p e r f o r m a n c e ，s t u d y i n gt h ee f f e c th o wp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa f f e c tc a t h m e n te f f i c i e n c y o f p o w d e r , m a c r o s c o p i e a lq u a l i t yo fs i n g l e - l a y e rc l a d d i n ga n dm a e r o s e o p i c a lq u a l i t y o f m u l t i l a y e rc l a d d i n g ( s u r f a c eq u a l i t y , r i g i d i t y , c r a c ke t c ) ，a n da n a l y 商n gt h em i c r o c o s m i c a l o r g a n i z a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i n go f c o m p o s i t i o n t h e n , 0 1 1t h eb a s i so f a b o v ee x p e r i m e n t s ，t h e r i g h tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si sa s c e r t a i n e da n dm e t a l l i cc o m p o n e n t sa r ep r o d u c e d , s u c ha s c o m p l i c a t e dr e c t a n g l ec o m p o n e n ta n dv a n e r i n a l l y ，as p e c i a lc a d c a ms o f ti sd e v e l o p e d u s e di nl c r m ，t h r o u g hd e v e l o p i n ga u t o c a da p p l i c a t i o nu s i n go b j e c t a r x i ti sm a i n l y c o n s i s t e do fg e n e r a t i n gs o l i dm o d u l e ，c u t t i n ga n da c q u i r i n gi n t e r f a c ed a t am o d u l e , g e n e r a t i n g n cc o d em o d u l e ，s i m u l a t i n gp r o c e s s i n gt r a c ka n dt r a n s m i t t i n gd a t am o d u l e k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g , r a p i ds h a p i n g t e c h n o l o g y , c o 。a x i a ln o z z l e ，p e r m e a t i o n r a t e , p o w d e rc a t h m e n te f f i c i e n c y , p r o c e s s i n gp a r a m e t e r , a u t o c a d ， d e v e l o p i n ga p p f i c a f i o n ，c a d c a m ，n cc o d e i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 快速成形技术 1 1 - 1 概述 近二十年多来，制造业市场环境发生了巨大变化：一方面表现为消费者兴趣的短时 效性和消费者需求日益主体化、个性化及多元化；另一方面则是区域性、国际性市场壁 垒的淡化或打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。在这种变化下，传统 的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不能适应要求，制造企业必须以更快的速度 设计、制造出性价比高并满足人们需求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成了 企业的核心竞争力。于是先进制造技术就成为世界范围内的研究热点，涌现了计算机集 成制造、敏捷制造、并行工程、智能制造等先进的生产管理模式和净成形、激光加工和 快速成形等先进的成形概念和技术。 产生于2 0 世纪8 0 时年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。该技术 基于离散堆积成形原理，集成了计算机、数控、现代c a d c a m 技术、激光、新材料等技 术发展起来的，与6 0 年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。 快速成形技术经过十几年的发展，目前有几十个工艺及相应的商品化设备。在这一 领域，美国一直处于领先地位，各种工艺大都在美国最先出现。其次在欧洲和日本发展 也很快。国内在该领域的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 时年代初开始涉足，经过十几年的 努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方 面都做了大量卓有成效的工作。 1 1 2 快速成形技术发展 最初由于成形材料合成形工艺的限制，快速成形技术主要用于制造原型以利于设计、 分析，即主要是r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 。r p 技术的第一个重要的应用是产品的概念原 型与功能原型制造。而不是生产最终的产品，此时的成形材料基本上是非金属，如纸、 蜡、尼龙、树脂等。概念原型用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局安排，进 行产品造型设计的宣传，作为产品的展示模型使用；而功能原型主要用于产品的机构设 计检查，装配干涉检验，静、动力学试验和人机工程等，从而优化产品设计，同时还可 以通过产品的功能原型研究产品的一些物理特性和机械性能。 随着各项技术的发展，r p 技术不仅应用于设计过程，而且也延伸到制造领域，而直 接金属成形和功能性工程塑料熔融挤压成形的出现，使r p 技术真正具有了最终产品的制 造功能。尤其是采用金属直接成形，由于省略了模具制造及相应设备的准备等中间步骤， 将 - d a 大大多端开发周期，增强产品竞争力。同时因为金属零件比其它材料有更高的强 度和刚度，所以直接制造金属零件是有必要的。有关专家预测未来用金属直接制造零件 将会占据主导地位。 第一章绪论 1 1 3 快速成形技术定义 快速成形技术是由c a d 模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技 术。其核心是由c a d 模型直接驱动，其基本过程如图1 1 所示：首先由c a d 软件设计出 所需零件的计算机三维曲面模型或实体模型，即数字模型；然后根据工艺要求，按一定 的规则将该模型离散为一系列有序单元，通常在z 向将其按一定厚度进行离散( 习惯称 为分层或切片) ，把三维数字模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息进 行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机( 数控机床) 接 受指令制造一系列层片并将它们联接起来，得到一个三维物理实体。这种将一个复杂的 三维物理实体离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工 难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。 z ll l 向 层 层 咽 c 离 面面 a 散 叫 信 - _ 加 d - - - _ j 化 息 工 模 处 粘 型 分 理接 层 分解过程组合过程 1r1， 计算机中信息处理成形机中堆积成形 图1 1 1 1 4 快速成形技术的特点 1 ) 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任意复杂形状的三维实体； 2 ) c a d 模型直接驱动，c a d i c a m 体化，无需人员干预或较少干预； 3 ) 成形速度快，适合现代激烈的市场竞争； 4 ) 技术的高度集成性，它高度集成了计算机、数控、现代c d c m 技术、激光、新 材料等技术。 1 1 5 几种典型的基于r p 技术直接制造金属零件的工艺 目前，较成熟的快速成形工艺有三维打印( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，3 d p ) 、 熔融沉积制造( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 、分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 等。基于这 几种工艺，人们开发出了相应的直接制造金属零件的工艺。下面简单介绍一下它们各自 的原理及发展。 1 3 d - p 工艺 第章绪论 该工艺采用逐点喷洒粘结剂来粘结粉末材料的方法来制造原型。它由美国m i t 研究 成功，s o l i g e n 、zc r o p 等公司将其商品化。 美国麻省理工学院研究成功的3 d - p 工艺开始使用的材料是陶瓷颗粒，把陶瓷颗粒换 成不锈钢金属粉，同时保证金属粉对所喷射的化学粘结剂具有较好的湿润性，便可制造 出半成品金属零件。半成品件再经烧结、溶渍和抛光等处理后便可得到成品件。 2 蝴工艺 该工艺采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的作用下熔化并实现粘接， 一层层叠加后铝8 造出原型。它首先是由美国h e l i s y s 公司商业开发成功，清华大学开发 出基于同样原理的成形工艺，被称为s s m ( s o l i ds l i c i n gm a n u f a n t u r i n g ) ，使用的箔材 大都是纸基片材。 c a m - l e n ，i n c 根据l o m 原理开发了可制造金属和陶瓷零件的工艺。该工艺用粘结剂 粘结陶瓷或金属薄膜，用激光切割轮廓和分割块，并逐层累加制成半成品，然后将半成 品在炉中烧结，使其达到理论密度的9 9 ，但同时会引起1 8 的收缩。 3 。f d m 工艺 该工艺采用丝状热塑性成形材料，连续送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，逐 层堆积成形。该工艺首先由美国s t r a t a s y s 公司开发成功，清华大学开发出基本原理相 似的成形工艺，被称为m e m ( m e l t e de x t r u s i o nm a n u f a c t u r i n g ) 。 目前美国s t r a t a s y s 公司开发出能用f d m 成形的金属材料，他们首先将金属粉末与 粘结剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲强度和粘着度的丝，供f d m 设备成形使用。他们 现在可用f d m 加工成形不锈钢、钨及碳化钨零件。 4 s l s 工艺 s l s 工艺包括直接和间接两种方式： 1 ) 间接s l s 工艺采用激光逐点逐层烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘结剂 熔化实现材料的粘结，该工艺首先由美国d t m 公司商品化。 2 ) 直接s l s 工艺采用激光逐点逐层照射粉末材料，使粉末材料熔融烧结实现材料的粘 结。这种工艺是最早用于制造金属零件的r p 工艺，也是最早制造商品化金属零件的 方法，它使用的材料主要使金属基和陶瓷基粉末，以德国e o s 公司为代表。其核心 在于金属粉末，采用何种金属粉末在被激光熔化后，凝固收缩最小，从而大大减小 内应力。e o s 公司成功解决了这一难题，烧结出了十分精致的小零件，其粉末以钢 为主，同时还有铜基和镍基粉末。 1 2 基于激光熔覆的快速制造技术 基于激光熔覆的快速制造技术( l c p 瑚) 也被称作近形技术( l e n s ) 是近几年才兴起的快 速成形技术。它将现有的快速成形技术推进到金属和高温冶金的新高度，是激光熔覆技 第一章绪论 术和快速成形技术的集成。 1 2 1l c 跚技术的原理 l c r m 技术的原理是：首先用c a d 画出零件实体模型，然后用分层软件对实体模型 进行处理，获取各截面的几何信息，并将其转化成n c 工作台运动的轨迹信息。成形时， 有一束高功率激光会照射到基材表面，与此同时金属粉末通过同轴送粉咀被同轴地喷入 熔池形成熔覆层，送粉咀根据轨迹信息在n c 的控制下逐层扫描堆积，最终制造出金属 实体零件。图1 2 为该项技术的原理图。 y 图1 2 1 2 2l c 跚技术的特点 1 可直接制成具有较高精度的金属零件，尤其是对难加工零件，减少了开发制造的 成本和周期； 2 激光与材料相互作用时快速熔化和凝固过程使材料具有许多常规材料在常规条件 下无法得到的组织，如高度细化的晶粒组织、晶内亚结构、高度过饱和固溶体和一些新 的相形态的出现等，这样可使材料的各方面性能均得到较大幅度的提高。 3 可以在成形零件的任意部位改变材料的成份，形成不同的组织和结构，从而使零 件具有优异的综合性能。 1 2 3l c 跚中的关键技术 1 激光熔覆技术 l c r m 的实质就是计算机控制的三维激光熔覆，所以激光熔覆技术可以说是l c r m 技术 的基础。只有保证了熔覆层的质量，才有可能制造出合格的金属零件。衡量熔覆层质量 的标准主要有：熔覆层是否存在裂纹、气孔，是否具有良好的熔覆层形貌( 表面波纹细 小、粗糙度低、熔覆层连续完整、熔道边缘整齐) ，以及稀释率是否合理等。 第一章绪论 为此首先应研制出合适的金属粉末，其次应优化激光熔覆工艺，实现激光功率、送 粉率、扫描速度的合理匹配。 2 送粉系统 送粉系统通常由两部分组成：送粉器和同轴送粉咀。其中送粉器要能保证送粉的连 续性和稳定性，同轴送粉咀则要实现各向送粉的均匀性，这些都是形成高质量熔覆轨迹 的前提，是制造出高质量零件的保证。 3 制造过程中关键参数的闭环控制 在制造零件的过程中，必须要确保工艺的稳定性，但是即便前期工作做得多充分， 因为工况的不可预知性，很难达到这一目的。要解决这一问题必须对熔覆制造过程的关 键影响因素( 如熔池温度、扫描速度、熔覆高度) 进行实施闭环控制才能保证整个加工 过程的稳定性，以保证零件的精度。 4 c a d c a m 技术 c a d c a m 技术是快速成形技术的前提和基础，自然也是l c r m 技术中不可缺少的一个 组成部分。它不但要完成实体模型的创建、层片的切割、加工轨迹的生成等功能，还要 完成数控代码的生成及传输等功能。另外尽可能减小分层切割实体所带来的加工误差也 是需要该技术来解决。 5 数控技术 数控技术是实现l c r m 的桥梁。根据l c 跚技术的要求，在制造零件的工程中必须实 现重复精度高，响应速度快的运动控制，才能保证零件的精度。 1 2 4l c 跚的研究现状 国外较早开展了这方面的研究并已取得了较大的进展。 德国汉诺威激光工程中心分别以镍基和钴基合金为材料，制造出了具有垂直和倾斜 薄壁的金属零件，其密度接近百分之百，抗拉强度和断裂强度与常规的金属板材类似。 美国s a n d i a 国家实验室已能用该技术制造出多种材料( 如镍基合金、不锈钢3 0 4 和 3 0 6 、钨、钛等) 的金属零件。他们通过变换激光模式、激光功率、坐标轴数、扫描速度 和粉末输送方式可得到优化的制造速率、零件密度、晶粒结构和表面质量。 国内对该项技术的研究开展的较晚，只有北京有色金属研究总院、清华大学等几所 科研单位和高校进行了这方面的研究，还未进入到应用阶段，与国外还有不少的差距。 1 2 5l c 蹦技术目前需解决的问题 尽管已能用l c r m 技术直接制造出零件了，但仍存在很多问题有待解决。 1 ) 层与层之间的结合力问题。界面问题将是影响该项技术发展的一大障碍。 2 ) 裂纹问题。到目前为止还没有一个能很好解决之一问题的方法，这除了和材料有 很大关系以外，) j n t 工艺也是一个重要的影响因素。 3 ) 后序处理问题。用l c 跚技术制造出的零件的表面粗糙度还不能达到人们的要求， 第一章绪论 还需对其进行后序加工才可能投入使用。 1 3 本课题的研究意义及内容 综上，l c r m 技术具有常规加工技术无法比拟的优点，即在无需任何模具和模型的情 况下，能制造出不同材料的复杂形状零件，缩短制造周期，增强产品竞争优势，特别有 利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。另外l c r m 也可用于大型零件的修复，如汽 轮机叶片的修复等，这将为企业节约大量资金。所以该项技术的发展必将带来一场制造 业的革命，具有广阔的应用前景。 本课题将对l c 蹦专用同轴送粉器，专用c a d c a m 软件进行研制与开发，并对相应的 激光熔覆工艺进行初步研究，这些都是l c r m 技术关键组成部分。我校激光工程中心已在 激光熔覆工艺、激光熔覆专用送粉器方面开展了长期而卓有成效的研究，为本课题的开 展奠定了坚实的基础。该中心利用现有的技术优势正在开展激光快速成形、激光再制造 这两个前沿技术领域的研究，本课题作为其中的重要组成部分具有重要的意义。 1 4 本课题的来源 本课题中“同轴送粉器的研制及其相应熔覆工艺的开发”部分为博士生导师杨洗陈 教授主持的天津市光电子中心项目( 编号：津科发财字( 1 9 9 9 ) 第1 4 0 号) “高速线材轧辊 激光表面大面积强化”的子项目。该项目已于2 0 0 2 年1 1 月通过天津市科委专家组评审 第二章激光熔覆理论 第二章激光熔覆理论 激光熔覆亦称激光包敷或激光涂敷，是一种新的激光表面改进技术。它通过在基材 表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层起熔凝的方法，在 基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热 的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也小。 2 1 激光熔覆过程中的能量分析 激光熔覆过程是激光束与合金粉末和基材相互作用的过程，激光能量被粉末和基体 材料吸收而转变成热能，使粉末和基体表面融化而形成熔覆层。 在连续激光熔覆过程中，激光熔池接近于稳态，激光输入能量与合金粉末吸收的能 量、基体吸收能量、熔池向环境教失的能量处于平衡。在无保护气流的熔覆过程中，可 忽略对流导致能量损失，于是能量方程可表示为： 0 - r ) e = e p + e s + e r( 2 1 ) 其中：r 为激光的能量损失率； e p 、e s 分别表示单位面积上粉末和基材吸收的能量： e r 表示单位面积向环境的辐射能量； e 表示单位面积上激光辐照能量，即比能量： 一p e 。面 ( 2 2 ) 式中：p 为激光功率( 、) ，d 为光斑直径( 叫) ，v 为扫描速度： 对于同步送粉丽言； m e p2 蔷 c ( t m t o ) + l m m s + c p l ( t l t 巾) 】 ( 2 3 ) 式中m p 为送粉率，c 芦为粉末的固相比热、，l r i 为熔化潜热，c p l 为液相比热，t m 为熔 化温度。式中括号内的参数与金属粉末的种类、激光熔池的状态有关，对于特定的粉末 它是一个常数，这里令这个常数为e ，所以式( 2 2 ) 可写成： m e p2 蔷( 2 4 ) 设熔池向周围介质的辐射系数为o ，则熔池的辐射能为： e r _ ：蚴p ( 2 5 ) d v r 7 将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 5 ) 代入( 2 1 ) 后可得： 第二章激光熔覆理论 e ( 1 - r ) - o ( t l - 3 , ) 1 ：坠+ e ； pd v 从上式可以看出：对于送粉熔覆过程的加热与熔化程度主要取决于激光功率的大小， 而送粉量、扫描速度、光斑尺寸和基材的导热性对熔覆也有直接的影响。对于同一种粉 末激光熔覆时，送粉量增加，所需的激光比能量相应增加，在同步送粉方式下必须通过 提高功率来实现增大比能量的要求。 2 2 激光熔覆材料 目前可用于激光熔覆的合金粉末有自熔合金粉末和复合粉末。 1 自熔合金粉末 所谓自熔性是指合金粉末中含有的硼和硅，这两种元素具有自我脱氧和造渣的性能。 其优点在于：熔覆后，在熔覆层表面形成b k h 、s i 0 2 薄膜，这种薄膜既能防止合金中的 元素氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而获得氧化物含量低、气孑l 率少的熔覆层。 现今，国内外常用的自熔性合金粉末可分为镍基、钴基和铁基三大类，另外还有w c 型自熔合金粉末，其中镍基和钴基合金粉末的自熔性良好，耐腐蚀、耐磨、抗氧化性能 也优良，但价格昂贵，比铁基贵l 3 倍，铁基自熔性冶金粉末最大的优点是成本低，但 抗氧化性差，熔层内气孔夹渣较多。 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，镍基、钴基和铁基自熔性合金已不 能胜任，此时在上述的自熔性合金粉末中加入一定量的w c 粉末。熔覆后，熔覆层不仅 具有高的硬度、耐磨性和红硬性，又有一定的韧性。 2 复合粉末 复合粉末是一种新型的表面强化工程材料，组成其粉末的成分可以是金属与金属、 金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属与塑料、金属与石墨等非金属，范围甚是广泛。复合粉 末大致分为：硬质耐磨复合粉末、减磨复合粉末、耐高温和隔热复合粉末、耐腐蚀抗氧 化复合粉末等。复合粉末的发展更加拓宽了激光熔覆的应用领域，使得此技术在金属的 表面改性方面更具有生命力。 2 3 熔覆层表面形貌及影响因素 在激光熔覆中，熔覆层表面的形貌大致可分为三种类型：正常熔化表面、临界熔化 表面和不充分熔化表面。正常的熔化表面呈波纹状，其特点是：波纹具有大致相等的间 距，并向扫描方向弯曲。不充分的熔化表面和临界熔化表面属激光熔覆中的缺陷表面。 当激光的输入能量刚能使表面熔化时，称为临界熔化状态。此时由于表面张力过大，熔 覆层呈现开始聚集收缩的状态，熔凝后表面波纹粗大，熔道边缘不整齐。如进一步减小 激光输入能量，熔覆层就会处于不完全熔化状态，这时溶液与基材的浸润性变差，表面 第二章激光熔覆理论 张力过高，致使溶液聚集，严重时可形成断续的泪滴状表面。 功率密度和交互作用时间是影响凝固表面质量的两个重要参数。采用较高的功率密 度和较短的交互作用时间，表面粗糙度会随激光功率和扫描速度的减小而下降，在低激 光功率和高扫描速度下，熔凝表面均呈凹凸不平状。 2 4 激光熔覆发展的关键技术 激光熔覆技术作为新兴交叉的表面处理技术，从基础理论、工艺、设备的开发和研 制、工业化应用方面都面临着许多研究课题，以下是激光熔覆技术发展的几个关键技术： 1 激光基础理论的研究 激光熔覆的快速加热和随后的快速冷却远远偏离平衡方程，因此，对其加热、凝固过 程的相变动力学、热力学和原子扩散过程、界面行为、工艺参数、熔覆层参数之间的函 数关系，粉末粒子在激光束中的加热、运动规律、性能控制，诸如：裂纹的形成与扩散、 熔覆层的失效理论等都对原有的固态相变理论、界面理论等提出了新的挑战。丰富和完 善激光熔覆理论是实现理想熔覆必须预先解决的问题，是实现送粉激光熔覆实用化、工 业化的基础。 2 熔覆材料合金成分的设计 目前，激光熔覆采用的熔覆材料主要沿用传统的喷涂系列合金粉末，已不能满足实际 生产的需要。因此，研究和开发新型的符合实际生产需要的激光熔覆专用合金粉末是当 务之急。各国学者在此方面作了有益的探索，但仍未形成系列化和标准化，还不能实现 按性能要求定量地设计合金的成分。 3 建立简洁的数学分析模型 自从激光熔覆技术出现以来，许多学者进行了激光熔覆过程数学模型的建立与分析。 但一方面由于缺乏对高功率激光扫描作用下基体材料的热反应机制、熔覆材料在激光束 中的运动规律、吸热特性以及基体表面加热热源的准确理解，另一方面由于激光熔覆过 程的冶金现象非常复杂，这给建立数学模型带来了很大困难。我们大部分工作仍停留在 经验、试验和近似的基础之上，没有建立准确反映激光束和材料相互作用及基体的热传 导和数学模型，不能实现现场的实时控制。因此，建立简洁准确的数学分析模型可以实 现现场控制，缩短确定最佳工艺参数时间，准确理解工艺参数和工艺结果之间的相互依 赖关系，实现工艺控制系统的设计。 第三章激光与粉末的相互作用 第三章激光与粉末的相互作用 送粉式激光熔覆按送粉咀结构不同可分为一体式和两体式，按粉末颗粒运动的驱动 力不同又可分为气动送粉和重力送粉。不同送粉方式下，激光与粉末的相互作用情况都 不尽相同。送粉式激光熔覆的显著特征是熔覆粉末与基体材料同时加热。因此，粉末进 入激光束的方式、运动状态、分布特征是影响熔覆效率、稀释率、熔覆层的几何形貌等 的关键因素。另外就同轴送粉而言，研究粉末与激光的相互作用规律，也是设计同轴送 粉咀的一个重要参考因素。本章将研究非载气式同轴送粉时激光与粉末的相互作用规律。 3 1 粉末流的空间分布 已经有人对载气式同轴送粉过程中粉末流的空间分布做过研究，对非载气式同轴送 粉而言，其粉末流的空间分布与载气式的大同小异。二者的主要差别在于：载气式送粉 是利用具有一定压力和速度的气流作为载体，所以当气体携粉末从粉咀流出时会产生较 明显的射流现象，直接影响结果是此时粉末流会产生相对较大的发散角。对非载气式送 粉来讲粉末流的发散角较载气式的要小。 根据载气式粉末流的空间分布以及对非载气式粉末流形态的观察，得到了如图3 1 所示的粉末流空间分布截面图。从严格意义上讲，粉末颗粒在经过粉咀后作的是斜下抛 运动，但因为我们所考察的运行轨迹区间较小的，所以这里就近似的将粉粒运行轨迹看 作是一条斜线。 图3 - 1 图中币为粉末流的焦长，w a 为粉末流在开始汇聚处的半径，w b 为粉末流在焦点 处的直径。o 为粉末流的发散角，巾为粉末流不发散时与z 轴的夹角，w 为粉末流的初 x _ i o k d 第三章激光与粉末的相互作用 始宽度，r 为粉咀口的半径。 从图中我们可以看到：粉末流刚从粉咀流出后是环形的，并呈汇聚的趋势，在b 处 汇聚后( 该处可看作是粉末流的焦点) ，粉末流又开始以一定的角度发散，形成以圆锥状 的粉末流。 3 2 粉末流的密度分布 为了简化问题的研究，这里做了以下假设： 1 在与z 轴平行的截面上，粉末密度的分布是均匀的。 2 在粉末下降的过程中，粉粒的速度大小不变，方向竖直向下。 因为在a 截面以上，粉末流截面呈环形，参与与激光相互作用的粉末相对要少的多， 可以忽略不计，所以这里也就不再研究该部分粉末的密度分布了。 令任意位置处粉流环的半径为心，根据图3 1 ： 1 ) 当h i z 昂时 w a = w + 2 h i t g0 c o s 由 ( 3 1 ) h i = ( r - w ) c t g ( 巾+ 0 ) ( 3 2 ) r s5 w a z 。t g ( 巾一0 ) ( 3 3 ) 根据( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、0 3 ) 式得出： r s = w + 2 h l t g0 c o s 由一( z _ h i ) t g ( 由一0 )( 3 4 ) 2 ) 当疹$ 时 w b = w + 2 昂t g0 c o s 巾 ( 3 5 ) r s = w b 2 - ( z - f p ) t g ( 巾一0 )( 3 6 ) 根据( 3 7 ) 、( 3 8 ) 式得出： r s = ( w + 2 f p t g0 c o s 由) 2 + ( z f p ) t g ( 巾一0 )( 3 7 ) 任意截面处粉流密度可表示为： m c ( z ) 2 n v 土一 ( 3 8 )、 其中 为送粉率，vp为粉流速度,rs2vmp 这里f p 也是一个可求量，根据图3 1 推出其表达式为： f p = 坠c t g 箬( 审辫c t 粱g ( + 铲 ( 3 9 ) 9 + 0 ) +一e ) 、 3 3 激光与粉末颗粒的相互作用 为了简化计算，作如下物理简化： 1 粉末颗粒为球形。 第三章激光与粉末的相互作用 2 尽管粉末颗粒有向光面和背光面，并因此产生温度差 3 粉末颗粒之间不存在能量传递和光束遮蔽作用。 图3 - 2 时激光与粉末颗粒相互作用的示意图。 对于粉末颗粒来说光学因子可表示为： ：e a p ( 3 1 1 ) 但此处不予考虑。 m p 其中衰减系数e = 2 砩，粉末颗粒的质量为m ，= ；7 畔p ，p p 为粉末颗粒的密度。a p 为吸收系数，这样e 可进一步表示为： 。：堕2邮)r p p p 、。1 。7 激光束 图3 - 2 3 4 激光能量在粉末流中的透过率 在激光与粉末相互作用时，激光束必须穿过粉末流才能落到工件表面；两者相互作 用，结果引起激光的衰减和粒子温度的升高。激光束穿过粉末流时，一部分能量被粒子 吸收，一部分能量被粒子反射和散射，剩余的部分到达熔池表面。设激光的原始强度为 i o ，透过粉末流照射到基体上的能量为i t ，其余部分为i s ，则三者的关系为： i o 。i t + i s r 3 1 3 ) 根据b e e r - l a m b e r t 定律，粉末流对单色光的衰减依赖于激光束、粉末材料的特性、 粉末粒子流的浓度以及粉末流沿激光束方向上的长度，其表达式为： 了d i = 一e c ( z ) d z ( 3 1 4 ) 将( 3 8 ) 、( 3 1 2 ) 代入( 3 1 4 ) 后可得任意截面处激光透过率微分表达式： 半= 一谛3 a p m p a z i 2 r p p p 兀v p r s 2 v 7 对( 3 1 5 ) 式积分后得： 专= e x p 一丽3 a p 两m pr 子d z 】0 “) 当z ， f p 时，r s = ( w + 2 $ t g0 c o s 由) 2 + ( z - f t g ( 巾一0 ) ； 其帕t - ( r - w ) c t g ( n b 州，f p = 舞辫鬻铲， 式0 1 6 ) 就是激光与粉末流相互作用时能量的透过率计算公式。图3 - 3 、图3 - 5 是在不 同参数下透过率的变化曲线。 n习 乙研|)幽 第四章送粉系统的设计 第四章送粉系统的设计 前面已经提到过稳定、可靠的送粉系统是金属零件精确成形的重要保证。本章将重 点介绍送粉器的选择，分粉器和同轴送粉咀的设计。 4 1 送粉器的选择 目前采用的送粉器主要有三种类型：螺杆式、刮板式和转轮式。其基本原理图如图 4 1 所示。 t ( a ) 螺杆式( b ) 刮板式 图4 - 1 螺杆式和刮板式送粉器存在粉末与送粉元件之间的摩擦、挤压现象，粉末易阻塞， 影响了送粉的连续性和稳定性，必须加载气体来输送粉末。但由于载气气流较大，致使 粉末的运动速度过高，很容易产生粉末飞溅的现象，大大降低了粉末的利用率，增加了 加工成本。 针对这一问题，天津工业大学激光工程中心开发了一种新型的非载气式转轮送粉器。 它不存在转轮与粉末的挤压现象，依靠动能和势能把粉末均匀、稳定地输送出来，粉末 利用率高达9 0 。所以在本实验系统中决定采用这种送粉器。 4 2 分粉器的设计 4 2 1 分粉器设计的目的 参考有关资料对同轴送粉咀而言，若要形成均匀、封闭的粉帘，送粉管路数采用四 路是一个比较合理的方案。实现四路送粉有两种方案：一个是使用四个送粉器，另一个 是使用一个四路分粉器。显然第二种方案要经济实惠的多，所以这里决定采用这种方案。 4 2 2 分粉器的设计要求 1 精确的将一路粉分成四路是不太可能的，但必须尽量减小四路送粉量的差别，以不 影响最终形成的粉帘的均匀性。 2 分粉的过程中，粉流势必会与分粉器内壁发生碰撞，这会直接想到粉流的速度。因 为我们采用的是非载气式送粉，在送粉过程中应尽量减小对粉流速度的影响。 第四章送粉系统的设计 4 2 3 分粉器的结构示意图 图舢2 就是分粉器的结构示意图，它主要有三个部分组成：l 外壳，2 分粉圆锥 3 基体。 图4 - 2 其中1 的作用主要是为粉流提供一个扩散的空间，以使粉流的空间分布尽量均匀。2 的作用是把粉流平均分成四份。3 的作用有两个，一个是固定l 和2 ，另一个是为已分成 四路的分流提供一个流动的路径。 4 3 同轴送粉咀的设计 4 3 1 送粉咀的分类 送粉咀按其工作方式主要可分为两种：侧向送粉咀和同轴送粉咀a 1 侧向送粉咀 第四章送粉系统的设计 它的工作方式如图4 - 3 示。该种送粉咀 的优点是：粉的出口和光的出口相距较远， 粉和光的可控性较好，不会出现因粉末过激光束 早熔化而阻塞出光口的现象。但它最大的 局限在于：只有一个送粉方向，无法克服烙覆层 因激光束和粉末输入的不对称而带来的对 扫描方向限制的缺点，因而不能实现在任 基材 意方向生成均匀的熔覆层，所以不适用于 l c r m 。 2 同轴送粉咀 图4 3 同轴送粉咀能克服因激光束和粉末引入的不对称而带来的对扫描方向的限制，因此适 用于l c r m 。现在应用的同轴送粉咀主要分为两类，一类如图4 4 ( a ) 所示，它是在激光束 周围对称安装多个( 一般为四个) 侧向送粉咀，以达到同轴送粉的效果。另一类如图4 4 ( b ) 所示，它是通过两个共轴的喷嘴来实现同轴送粉的。 熔覆 基 图4 - 4 ( a )图4 - 4 ( b ) 虽然第二种同轴送粉咀载结构上比第一种复杂，较难制造，但它的全方向性要比第 一类好，所以这里决定采用第二种结构。 4 3 2 同轴送粉咀的设计要求 1 高的激光吸收率和粉末利用率。这就要求粉末流在经过粉咀后形成的粉流环具有良好 的聚焦性。 2 加工时必须有开阔的空间，便于操作和观察。要达到这一要求必须做到以下两点： 1 ) 送粉咀在结构上必须紧凑，不要因为结构的不合理阻碍了观察视线。 2 ) 送粉咀在工作时必须与工作面保持一定的距离，一是为了减小加工时的反射光和 热辐射对粉咀的影响，二是为了提供足够大的观察空间。 3 必须保证各方向送粉的均匀性，即粉末流在通过粉咀后形成的粉流环在各方向的密度 要近似相等。 第四章送粉系统的设计 4 粉流环的空间分布在一定范围内可调。因为粉流环的空间分布会因粉粒的尺寸、密度、 粉流速的不同而发生变化，所以应能根据不同要求对粉流环的空间分布进行调整。 5 能满足长时间稳定工作的要求。粉咀在工作过程中会吸收大量热量，若不能将其中积 累的热量及时传走，非但不能保证长时间的稳定工作，甚至可以将粉咀烧坏。 6 激光束与粉末的作用位置要合理。 1 ) 必须保证激光束与粉流环同轴，否则会影响各个方向上熔覆层的均匀性。 2 ) 粉末流、激光束作用区与焦点的相对位置应有利于良好熔覆层的形成。 7 因为采用非载气式送粉，所以粉流在流经粉咀时应尽量避免粉末于粉咀的碰撞，以减 小对粉末流速度的影响。 4 3 3 同轴粉咀的结构图 图4 - 5 时同轴粉咀的结构图，从图中可以看出该粉咀主要由五部分组成。 1 中心导光筒1 ，激光束和保护气体从该筒经过，它可以上下移动，以调节它与通粉锥 套之问的间隙，通过调节间隙就可以改变粉末流的空间分布。 2 顶盖2 。它的作用由两个，个是连接电心导光简和通粉锥套，另一个是提供粉末流 进入通粉锥套的通道。在其上对称分布着四个圆孔，这样四路粉就可以对称进入通粉 锥套，以利于均匀粉帘的形成。另外四个孔的轴线与粉咀的轴线是平行的，这样做是 为了减小对粉末流速度的影响。 3 通粉锥套3 ，粉末流进入该部分后先是扩散，然后再汇聚，这样就可以保证粉末流经 过粉咀后形成的粉流环的均匀性和聚焦性。 4 水冷套4 ，其作用是利用循环水流带走加工过程中在粉咀中积累的热量，以保证粉咀 长时间可靠地工作。 4 3 4 送粉咀主要