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环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能摘要 摘要 激光熔覆成形技术是一个复杂的物理、化学和冶金过程。熔覆件的质量 受各种工艺参数的影响，主要包括激光束模型、激光功率、扫描速度和送粉 速度等。工艺参数对熔覆件成形的影响可通过成形过程中熔池的形貌来反 映，因此，对熔池行为的研究已成为激光熔覆成形研究领域的一项重要内容。 目前，激光熔覆成形采用的光束多为圆形光，送粉方式为光外单侧送粉 或多粉管同轴送粉。它们的缺陷在于激光与粉末的耦合性差，粉末利用率低， 熔覆成形件表面精度不高。为了解决这一现象，提出了一种“光束中空，粉 管居中，光内送粉 的成形方式。基于该成形方式，本文建立了环形激光能 量分布模型，并分析了其与圆形激光能量分布之间的差异；研究熔覆过程中 熔池的形貌与各工艺参数之间的关系并通过c c d 观测熔池特征变化指导熔 覆成形；最后对熔覆层的性能进行了分析。 建立了激光扫描线宽方向上的二维能量分布数学模型，模拟出环形激光 束与圆形激光束的能量分布：环形光能量呈“马鞍形 分布，传统的圆形光 的能量为高斯分布。从理论上证明了环形光的能量分布在扫描线宽方向上的 分布较圆形光更均匀，环形光是用于激光熔覆的较佳光源。研究了激光熔池 的物理过程，表明熔池中存在表面张力和浮力，对流主要是由表面张力和温 度梯度引起。通过对熔池对流特征的研究发现工艺参数与熔池的形状之间存在着 必然的联系。”模拟对比了环形光与圆形光下的激光熔池对流机制，得出环形 光熔池的两对四环对流模型。 采用高速c c d 摄像机拍摄了激光熔覆过程中的熔池图像。由于激光熔 覆过程中存在粉末飞溅、弧光和烟尘等噪声干扰，在提取图像有效信息时对 图像进行处理。采用形态学滤波和边缘提取的方法，在m a t l a b 环境下编程， 处理效果良好。用高速c c d 拍摄不同工艺参数下激光单道熔覆的熔池图像， 图像结果表明：在其他参数不变的情况下，增大激光功率或增加送粉速度， 熔宽、熔深均有变大趋势；而加快扫描速度，熔宽、熔深均变小。根据熔池 特征参数随激光功率变化的规律，利用高速c c d 实时观察锥形空心回转薄 壁件的成形过程。实验表明：成形稳定期，熔池的面积在0 2 5 m m 2 - 0 7 m m 2 之间 l 摘要 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 变化，激光功率维持在l k w 左右，成形件最大高度达到5 5 r a m 。 对熔覆层与基体的结合面的形貌观察发现：传统的圆形光熔覆层与基体 的结合面形貌呈“半月 型下凸状，而环形激光熔覆层纵截面两侧附近的结 合面均呈向下微凸状。这说明结合面的形状特征由激光能量分布特性所决定。 对不同占空比的环形光熔覆层进行了显微检测与分析，结果表明：随着占空 比增大，熔覆层组织由枝晶向胞晶组织转交，晶粒逐渐粗大，而晶粒横向分 布趋于均匀，且结合层变薄，稀释率减小。综合考虑熔覆层的晶粒大小、晶 粒分布的均匀度以及熔覆层的稀释率三方面因素，发现在占空比为o 3 5 的 环形光下进行激光熔覆，熔覆层微观组织较佳，熔覆层与基体的冶金结合效 果较好。分别对锥形空心回转薄壁件同一竖直壁的底部、中部和顶部的微观 组织分析表明：采用环形光进行熔覆成形，成形件在高度方向上组织分布均 匀。对环形光激光熔覆层进行了硬度测试，结果表明：纵向方向熔覆层由上 至下，硬度逐渐减小；横向方向硬度分布均匀。 关键词：激光熔覆，环形激光束，高速c c d ，熔池，占空比 作者：肖军艳 指导老师：傅戈雁 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 a b s t r a c t a bs t r a c t l a s e rc l a d d i n gp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sac o m p l e xp h y s i c a l ，c h e m i c a l ， m e t a l l u r g i c a lp r o c e s s c l a d d i n gp a r t sa r ea f f e c t e db yt h ei m p a c to fv a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gm a i n l yl a s e rb e a mm o d e l ，l a s e rp o w e r , s c a n n i n g s p e e da n dp o w d e rf e e d i n gr a t e t h ee f f e c t so nt h ec l a d d i n gp a r t sb yp r o c e s s p a r a m e t e r sc a nb er e f l e c t e db yl a s e rm o l t e np 0 0 1 s ot h es t u d yo nt h em o l t e n p o o lh a sb e e na ni m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do fl a s e rc l a d d i n gp r o t o t y p i n g n o w , m o r ec i r c u l a rb e a mi su s e di nl a s e rc l a d d i n gp r o t o t y p i n g ，a n dl a t e r a l o rc o a x i a lp o w d e rf e e d i n go u t s i d et h el a s e rb e a ma r ea d o p t e dw h i c hr e s u l ti n p o o rc o u p l i n go fl a s e ra n dp o w d e rr e c i p r o c i t ya n dc o a r s e n e s so fp a r t ss u r f a c e t or e s o l v ei t ，an e w p r o c e s sw h i c hi s “h o l l o wf o c u s i n gl a s e r , p o w d e rt u b e sb e i n g m e d i a la n di n s i d e l a s e r ”a r ea d o p t e d b a s e do nt h i sf o r m i n gs t y l e ，e n e r g y d i s t r i b u t i o no fr i n gb e a ma n dc i r c u l a rb e a mw e r ee s t a b l i s h e d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es h a p eo ft h em o l t e np o o la n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e r e s e a r c h e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so fc l a d d i n gp a r t sw e r ea n a l y z e d am a t h e m a t i cm o d e la b o u tl a s e re n e r g yw a se s t a b l i s h e d ，t h e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i n go fr i n gb e a ma n dc i r c u l a rb e a mw a s s i m u l a t e da n dt h er e s u l ts h o w e d t h a te n e r g yd i s t r i b u t i o no fr i n gl a s e rw a sas a d d l e - l i k ec u r v e ，w h i l et h eo n eo f c i r c u l a rl a s e rw a sg a u s s i a n s h a p e i tp r o v e dt h a t t h er i n gb e a me n e r g y d i s t r i b u t i o nw a sm o r eu n i f o r ma n db e t t e rt h a nc i r c u l a rb e a m t h ep h y s i c a l p r o c e s so fm o l t e np o o lw a sr e s e a r c h e d ，w h i c hs h o w e dt h a tt h es u r f a c et e n s i o n a n db u o y a n c ya r ee x i s t ，a n dc o n v e c t i o ni sc a u s e dm a i n l yb yt e n s i o na n d t e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h r o u g ht h es t u d yo fc o n v e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o l t e np o o lf o u n dt h a tt h e r ew a sal i n kb e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h e s h a p eo ft h em o l t e np 0 0 1 m o l t e np o o lc o n v e n t i o nm e c h a n i s mu n d e rc i r c u l a r a n dr i n gl a s e rb e a mw e r es i m u l a t e da n dc o n t r a s t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t m o l t e np o o lu n d e rr i n gl a s e rh a sf o u rc o n v e c t i o nl o o p s u s i n gr a p i dc c dt og e tm o l t e np o o l i m a g e s i nt h ep r o c e s so fl a s e r c l a d d i n g ，t h e r ew e r en o i s ec a u s e db yp o w d e rs p l a s h ，a r cl i g h ta n dd u s t ，s oi tw a s n e c e s s a r yt op r e - p r o c e s si m a g e st og e tu s e f u li n f o r m a t i o n t h eb e t t e rr e s u l tw a s g o tb ym o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n ga n de d g ed e t e c t i o n ，a n dp r o g r a m m i n gi nt h e i i i a b s t r a c t环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 m a t l a b u s i n gr a p i dc c dt og e tm o l t e np o o li m a g e so fs i n g l ec h a n n e ll a s e r c l a d d i n gu n d e rd 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 m a g e ss h o w e dt h a t ：w h e no n l y i n c r e a s i n gl a s e rp o w e ro ri n c r e a s ep o w d e rf e e d i n gr a t e ，t h ew i d t ha n dd e p t ho f t h em o l t e np o o lb o t hb e c a m el a g e r ；w h i l ei n c r e a s i n gs c a n n i n gs p e e d ，t h e yb o t h b e c a m es m a l l e r u s i n gt h i sr e g u l a t i o n ，t h ep r o c e s so ff o r m i n gt h eh o l l o wc o n i c a l s h a p e dp a r tw e r er e a l t i m e o b s e r v e dt h r o u g hr a p i dc c d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ：h i g h e ra c c u r a c yf o r m i n gp a r t sc o u l db eg o tt h r o u g h r e a l - t i m eo b s e r v a t i o na n dl a s e rp o w e ra d ju s t m e n t ，t h em a x i m u mh e i g h tr e a c h e d t o5 5 m m u n d e rd i f f e r e n tr i n gl a s e rd u t yc y c l e ，c l a d d i n gl a y e r sw e r ed e t e c t e da n d a n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em i c r oh a dt y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r a p i ds o l i d i f i c a t i o n w h e ni n c r e a s i n gd u t yc y c l e ，t h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e d f r o md e n d r i t et oc e l l u l a r c r y s t a l a n d g o t c o a r s e g r a i n ，b u t h o r i z o n t a l d i s t r i b u t i o n so fg r a i n st e n d e dt ou n i f o r m ，a n dc o m b i n a t i o nz o n eo fl a y e r s b e c a m et h i n n e r c o n s i d e r i n gt h eg r a i ns i z e ，d i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t ya n dc l a d d i n g l a y e rd i l u t i o nr a t e ，f o u n dw h e nd u t yc y c l ei s0 35 ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fc l a d d i n g l a y e rw a sb e t t e r t h ec o m b i n a t i o no fc l a d d i n gl a y e ra n ds u b s t r a t ew a so b s e r v e d a n df o u n dt h eb o t hs i d e so fl o n g i t u d i n a ls e c t i o no fr i n gl a s e rc l a d d i n gl a y e rw a s al i t t l ed o w na s p e r i t ys h a p e ，w h i l eu s et r a d i t i o n a lc i r c u l a rl a s e r ，t h es h a p eo ft h e c o m b i n a t i o nz o n ew a sl i k eh a l fm o o n t h eh a r d n e s so ft h er i n gl a s e rc l a d d i n g l a y e rw a st e s t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：o nv e r t i c a ld i r e c t i o n ，t o pt od o w n ， t h eh a r d n e s sw a sg r a d u a l l yr e d u c e ；o nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，t h ed is t r i b u t i o no f h a r d n e s sw a su n jf o r n 1 k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，r i n gl a s e rb e a m ，r a p i dc c d ，m o l t e np o o l ，d u t y c y c l e i v w r i t t e nb y ：x i a oj u n y a n s u p e r v i s e db y ：f ug e y a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：茧堕整 日期： 竺旦：三：兰 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：幽：! ：竺 期：幽r 加 。 一 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能第一章绪论 1 1 激光熔覆成形技术 第一章绪论 激光熔覆快速原型制造技术是一种新型的材料加工与表面改性技术，它同样 也是涉及光、机、电、计算机、材料、冶金、物理、化学等多门学科领域的跨学 科高新技术。它对激光熔覆技术的研究起步于2 0 世纪7 0 年代。在7 0 年代末美国 的a v c o 公司率先将此技术应用到汽车发动机易磨损问题。近年来，激光熔覆技 术在零件制造和复合梯度材料的制造方面得到了广泛的应用。到2 0 世纪9 0 年代， 随着大功率激光器和宽带扫描装置的出现，以及精确控制送粉器的发明和制造， 进一步推动了激光熔覆技术研究与应用的迅速发展i m j 。 1 1 1 激光熔覆成形技术原理 激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材 料、经高能量密度( 1 0 4 1 0 6 w c m 2 ) 的激光束辐照后使之和基体表面一薄层同时熔 化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显 著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。 激光熔覆成形技术的原理是：首先在具有零件原型的c a d c 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，获取各截面的几何 信息，并将其转化成c n c 工作台运动的轨迹信息。成形时，激光光束照在基材表 面，同轴送粉喷嘴不断同步输送粉末至激光光斑内形成熔池，并快速凝固形成熔 覆层，激光光头根据c a d 给定的轨迹信息在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。图1 1 是该技术的原理图。 第一章绪论环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 图1 一l 激光熔覆成形系统原理示意图 1 1 2 激光熔覆成形技术的特点 与常规的表面涂覆工艺相比较，激光熔覆成形技术具有以下显著的特点4 】【5 】： ( 1 ) 激光熔覆成形技术的最大特点就是可在廉价、易加工的基体材料表面有 选择地制备高性能的熔覆层，并且熔覆层的厚度不受限制； ( 2 ) 熔覆层的成分与性能几乎不受基体成分的干扰和影响： ( 3 ) 熔覆层的厚度可以准确控制。熔覆层与基体形成冶金结合十分牢固，且 熔覆层的稀释度小； ( 4 ) 高达1 0 p c s 的冷却速度使熔覆层组织晶粒细小、结构致密，所以其硬 度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好；甚至能产生出新性能的组 织结构； ( 5 ) 由于热作用区很小，- i - 件热变形也相对比较小，不破坏基材的力学性能； ( 6 ) 自动化程度高，整个过程很容易实现在线自动控制； ( 7 ) 激光熔覆成形技术为零件制造与再制造提供了具有独特优势的新途径。 1 1 3 激光熔覆成形技术的应用 激光熔覆成形技术可以根据3 d 模型直接制造出各种复杂的金属零件，能显著 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能第一章绪论 降低加工时间和成本，缩短新产品的研发周期，满足现代化制造业快速化、个性 化、柔性化的发展需求，在航空、航天、汽车、船舶、武器装备等制造领域将具 有极好的应用前景。激光熔覆成形的具体应用场合概括查n - f t 6 8 】： ( 1 ) 快速模具制造，特别是塑料注射成形模具的制造； ( 2 ) 航空、航天、武器装备等领域内的高精度复杂零件的快速制造及修复； ( 3 ) 超硬、稀有金属材料零件的制造； ( 4 ) 梯度功能材料的设计与制造； ( 5 ) 高度与壁厚比大于1 0 的薄壁零件的制造。 1 2 激光熔覆送粉方式 1 2 1 圆形光外送粉 激光熔覆按粉末的供给方式可分为预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。 预置式激光熔覆是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光 束辐照扫描熔化。由于该方法所需的熔覆能量较高，且不易实现自动控制，所以 目前先进的激光熔覆技术多采用同步送粉熔覆法。 根据送粉装置的不同，同步送粉又分为侧向送粉和同轴送粉。这两种送粉方 式均是将粉末输送于圆形激光束外p d 引。 ( 1 ) 光外单侧送粉，其结构图如图1 2 所示。 这种送粉方式目前应用较广，对它的研究也进入了较成熟的阶段。如北京工业 大学激光加工中心研制了激光熔覆载气送粉装置，该送粉头具有将载气和粉末分 离、粉末束流汇聚及熔池保护等功能，有圆形和矩形两种结构形式；天津工业大学 激光工程中心自主研制了大面积激光涂敷送粉装置，该装置不采用辅助气体送粉， 主要依靠粉末自重并辅以微振输送粉末。该送粉装置设计具有粉末输送均匀，送 粉范围大，粉末利用率高等特点。虽然这种结构的装置设计简单且粉末的出口和 光的出口相距较远，不易出现粉末过早熔化而阻塞送粉嘴，但是它的缺点在于只 局限于一个方向的送粉，对加工轨迹有很大地限制，它只适合于线形轨迹的运动， 若加工轨迹为矩形或圆形时，粉末流与激光束扫面方向的位置关系发生改变，熔 第一章绪论环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 覆层的尺寸和性能在各个方向不能保持一致。因此，单侧送粉方式在加工中使用 的方便性、灵活性受到限制。 5 4 l 一聚焦镜筒2 一激光出光嘴3 一工件4 一工作台5 一单侧送粉管 图1 2 光外单侧送粉 ( 2 ) 光外同轴送粉，其结构简图如图1 3 所示。 这种送粉装置克服了单侧送粉的缺点，以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。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。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，国内外已经相继开展了这方面的研究，如 英国利物浦大学的s t e e n 教授，美国、德国等国的一些公司在这方面的研究都有 报道；国内有清华大学、北京工业大学等研制了同轴送粉系统。 1 一激光束2 保护气3 一粉末束流4 一保护气帘5 熔池6 一工件 图l - 3 光外同轴送粉 4 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 第一章绪论 1 2 2 环形光内同轴送粉 光外同轴送粉装置采用多个粉末喷嘴将粉末输送汇聚于激光束，目的主要是减 少激光熔覆存在的方向性问题，使加工轨迹除线形外还适合于圆形或矩形。但是 同轴送粉并非真正意义上的同轴，粉管虽对称分布，粉末仍不是均匀的分布于激 光束斑的边缘，也即在激光扫描路径上，粉末的分布并不均匀，因而激光熔覆过 程中的方向性并未真正消除。设计原理为：光束中空，粉管居中，光内送粉。 该送粉喷嘴的结构简图如图1 4 所示【1 4 j 。 1 一可调节对中粉管系统送粉管2 一喷头主体部分 3 一斜吹气套卜水套5 一同轴气套6 - 同轴送粉嘴 图1 4 同轴送粉喷头结构简图 1 3 激光熔池的研究现状 激光熔覆、激光合金化、激光焊接等技术是近年来蓬勃发展的新技术，国内 外不仅在组织性能方面开展了大量研究，而且对于激光与金属交互作用产生的熔 池也进行了广泛地研究。但由于激光熔池运动过程的复杂性，且熔池尺寸小，对 熔池的研究困难较大。 尽管如此，近年来国内外大批学者采用不同的理论方法和技术手段对激光熔 池进行研究，在理论和实验上获得了重大成果。 第一章绪论环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 理论方面，早在1 9 7 7 年国外学者t r a n t h o n y 和h e c l i n e 对激光表面熔凝 改性及激光熔化过程中存在的表面波纹进行了大量的研列1 5 】。他们指出在激光的 作用下，熔池表面存在张力梯度，它是熔池内物质对流的驱动力。s m c o p l e y 从 中得到启发，认为这种对流作用对熔池内各种元素的物质混合搅拌具有积极作用 【1 6 】 o c h a n 和j m a z u m d e r 通过设立连续方程、动量方程和能量方程以及边界条件、 无因参数和s o l a 程序计算，建立了激光熔池的瞬态二维流动模型1 7 1 。得出一些 重要结论：由于激光熔池内的冷却速度不均匀，因而其显微组织的分布也是不均 匀的；在熔池表面，熔体的流动速度比激光的扫描速度快1 到2 个数量级；在一 定的激光工艺参数的条件下，熔池的几何形状与材料有关。 在二维流动模型的基础上，s k o u 等考虑了表面张力和浮力的综合作用，建 立了激光熔池的三维流动模型f 嘲，使人们更全面深刻地了解熔池内部流动行为。 从三维模型中发现，熔池表面的温度梯度存在差异，且冷却速度在熔池内各区域 也不相同，从而导致熔覆层不同区域凝固组织的变化。 在应用方面，d c a t w o o d 19 】【2 0 】、m g r e m a u d 2 1 1 等人采用高速摄像技术研究 了粉末运动、激光束和基材的实际作用过程，d m h u 等采用红外成形技术从熔池 的正上方对同步送粉激光熔池进行实时观测【2 2 1 ，通过对熔池图像的处理获得了熔 池的温度分布。 在国内，西北工业大学陈静等人通过建立近距离连续拍摄系统实现了对激光 快速成形过程中熔池行为的实时观察，如图1 5 所示，并采用图像分割算法获得熔 池侧视形态，结合熔覆试样的定量金相法获得熔池的前视形态，对熔池进行定量 表征【2 3 1 。 6 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能第一章绪论 1 一背光源2 激光束3 粉末束流伸池5 一工件 6 一工作台7 一滤光片8 近摄附加镜头9 一尼康f 3 相机 图1 5 近距离连续拍摄系统 天津工业大学杨洗陈等对激光熔池的物理输送过程进行了研究【2 4 j 。通过建立 激光熔池中输运过程的三维数值计算机模型，开发新的有限差分方法和计算机程 序，对三维流场温度场进行了计算机模拟。 清华大学杨立新、彭晓峰等对激光加工熔池熔化和凝固过程做了数值分析1 2 5 j 。 以a i s l 3 0 4 不锈钢材料激光加工过程为例，详细分析比较了热传导、m a m n g o m 和 浮力三种不同的换热机理对熔池形状和熔池内流动的影响。 天津工业大学激光技术研究所的雷剑波、陈娟等人通过研制了一套c c d 检测 温度场系统，采用b f l 4 0 0 黑体炉对系统进行了标定，图1 - 6 所示1 2 6 】，通过软件分 析不同功率下的c 0 2 激光熔池得到熔池的温度分布。 7 第章绪论环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 冒胃 ，7 j 图1 _ 6 黑件妒标定照片 清华大学王海兴、陈熙对移动激光束短时间加热工件时所形成的熔池中的对 流与传热进行了数值模拟i 矧。对于不同时刻与不同激光束移动速度下的熔池行为 进行了比较。 华中科技大学曾大文等建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程 三维非稳态数学模型。采用自适应网络技术求解动量方程，计算出不同时刻激光 熔池温度分布和速度分柳f 埘。 1 4 本课题的研究内容及意义 本课题研究的意义主要在：环形光光内送粉具有诸多优势，对其熔池的研究 能更好地了解这种工艺的特点、机制和效果。以往主要是对激光熔覆的工艺参数 进行大量的研究，而对其熔池的研究还无人问漳。将高速c c d 图像传感器和图像 处理技术引入激光熔覆制造系统，以增强更加精确的“看”的功能，使激光熔覆 过程的自动化和智能化更加完善，并且通过高速c c d 对熔池的观测，可减少人力、 物力，提高制造效率，同时实时监测并分析熔池行为，为进一步优化工艺参数， 提高熔覆质量和熔覆生产率奠定基础。此外，光束模式是影响熔覆件质量的一个 重要因素。从微观角度入手，研究不同占空比的环形光下熔覆件的组织形貌，对 于掌握环形光占空比对熔覆件质量影响规律具有重要意义。 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能第一章绪论 针对目前国内在激光熔覆过程中熔池研究存在的一些问题，结合现有的实验 条件，本文从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 对圆形光和环形光的能量分布进行分析和比较，探讨环形光较之圆形光 的优势，并对环形光下熔池的对流机制进行研究分析。 ( 2 ) 对熔池图像采用形态学滤波和边缘提取的方法进行处理。采用高速 c c d 摄像机拍摄不同工艺参数下激光单道熔覆的熔池图像，探讨激光功率、 扫描速度、送粉速度等工艺参数对熔池几何尺寸的影响，得出熔池形貌随工艺参 数变化的规律。 ( 3 ) 利用高速c c d 对锥形空心回转薄壁件激光快速成形过程进行实时监测， 研究通过对熔池特征参数的提取，实现实时控制激光功率的方法。 ( 4 ) 对环形光作用下熔覆层的特征，包括熔覆层与基体的结合形貌、多层熔 覆层组织、环形光不同占空比下的熔覆层组织以及硬度进行分析和研究。 课题来源： 江苏省自然科学基金“激光熔覆快速制造光内送粉技术研究”( 项目基金号： b k 2 0 0 6 0 5 2 ) 9 第二章环形激光能量分布与熔池的理论研环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 第二章环形激光能量分布与熔池的理论研究 2 1 引言 激光加工领域，如激光熔覆、激光合金化、激光焊接和激光熔凝处理是近年 来蓬勃发展的新技术。国内不仅在组织性能方面开展了大量研究，而且在生产中 获得一些重要应用。这些工艺的共同特点在于高功率激光与金属交互作用产生熔 池，工艺质量的好坏与熔池内动力学过程密切相关。激光熔化是个复杂的物理过 程，熔池内既有动力学问题又有运动学问题，但由于激光熔池过程复杂，尺寸又 小，开展这方面的研究困难较大，长期以来，人们对激光熔池内物理过程了解甚 少，影响了激光先进技术的推广和应用。因此，从理论上和实验上了解激光熔池 内物理过程不仅具有重要的科学意义，而且具有重要的经济价值。 不同于传统的圆形激光束，课题组所进行的熔覆实验均采用环形激光束。本章 的重点在于建立环形激光束的能量分布模型，对比传统圆形光束及环形光束与材 料作用所形成的熔池对流机制以及两种光束作用下形成的熔覆层效果。 2 2 粉末入光姿态分析 2 2 1 圆形光外同轴送粉粉末入光姿态 目前，国内外激光快速成形采用的送粉技术大部分为多粉管同轴光外送粉【2 9 1 。 这种送粉方式存在很多缺陷，以图2 1 ( a ) 所示四路粉管喷嘴为例，对粉末进入 激光的姿态进行分析。图2 2 ( b ) 为粉末输送示意图，由于粉管倾斜放置，在粉 管内粉末的运动方向为倾斜方向。出粉管后由于受到重力作用，在进入激光之前， 粉末的运动轨迹为斜抛运动，粉末与激光的最后束变汇聚到一点上。当出现离 焦时，其汇聚点立刻消失，光粉耦合的稳定性非常低。 。 1 0 环形撒光光内送粉熔池特征与熔层性能 第二章环形激光能置分布与摇他的目论研究 ( a ) 四路糟管喷嘴 圈2 - 1 光外送糟耪管喷嘴 ( b ) 粉末输送示意图 圈2 - 2 光外送糟粉末呈发散状 2 2 2 环形光内同轴送粉粉末入光姿态 采用新型的单粉路光内同轴送粉喷头，利用同轴分割、扩束和聚焦的方 式获得中空的圆环锥形环形光。区别于多路光外同轴送粉，光内同轴送粉系统 的设计原理为：光束中空，粉管居中，光内送粉。如图2 - 3 所示，粉管竖直放置 于环形激光中空区的中心位置，保护气气孔以粉管为中心环绕一嘲，咽此粉末的 运动方向、粉末受到的重力方向以及保护气的方向均一致为竖直方向。相比光外 送粉，这种结构的送粉方式对于粉末的汇聚性以及光粉耦舍效果有明显的提高。 船二帝环形激光能量分布与熔池的理论研 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 h 嚣l 黼 气管 僦忾 粉管 耪束 图2 - 3 光内送糟内部结构示意图 对比图2 - 2 、2 _ 4 可以发现，采用光外送粉方式粉末在下落的过程中有明显 的发散现象，光斑和粉斑不能完全耦合，在熔覆成形时不仅造成粉末的浪费也大 大降低了熔覆件的表面精度i 而采用光内同轴送粉的方式，粉末几乎无发散现象 光和粉的耦合稳定性比光外多路同轴送粉要好的多( 如图2 - 5 ) ，且成形零件 的精度也将得到较大的提高。 圈2 4 光内进糟糟末竖直下落圈2 - 5 光粉耦合裁果 环形撇光光内送精烯池特征与熔层性能第= 帝 形撒光能量分$ 与蝽的g 论研究 2 3 环形光能量分布理论研究 2 , 3 1 激光模式 通过实验发现选择不同的激光模式对熔覆层的几何形貌影响很大，在激光熔 覆实验中应根据实际需要选择适当的激光模式。本实验使用的g s - t f l 一 0 k w 型高 功率横流c 0 2 激光器光束模式有基模和多阶模两种模式。本激光器安装有基模 和多阶模自动变换装置，可以根据需要进行切换。激光模式的观测通常有： 烧斑法、红外摄像法、紫外荧光暗影法、反射采样法、小孔扫描法等。本文 采用第一种方法，即烧斑法进行测量。用有机玻璃、湿纸、木板、薄铁片等 材料短时间烧取光斑痕迹，判断模式。这种方法简单易行，能向人们提供激 光模式的大致轮廓。图2 - 6 为有机玻璃烧蚀所测的模式图。 0 ) 基模 圈2 - 6 不同模式光斑照射有机玻璃 ( b ) 多模 激光模式对熔覆层几何形貌的影响可以借助光束的能量分布来理解。在激光热处 理过程中，光斑直径d 内所占的功率应为总功率的9 0 左右，基模激光束和多模 激光束在光斑直径d 内的能量分布有根大的不同，导致基模和多模光束在光斑直 径内的能量密度分布差别也较大。基模激光束的中心位置的能量密度远高于边缘 处的功率密度，光强分布呈高斯分布；而多模激光束中心部位的功率密度则稍高 于边缘处功率密度。分布较均匀。故基模的激光熔覆层熔合区深度远大于多模激 光熔覆层熔合区深度：而多模由于光强分布较均更适合制造精度较高的零件。这 第二章环形激光能最分布与熔池的理论研环形激光光内送糟熔池特征与熔层性能 是由于光斑中心和边缘的能量差相对较小，使得处于光斑照射范围内的金属粉末 受热比较均匀，光斑边缘处的粉末相对基模更易熔化，有利于成形精度较高的金 属件。图2 7 为基模和多阶模的激光束通过光内同轴送粉装置时不同的离焦状态 下，所获得的激光分布圈，其中最小的光斑为恰好在光束焦点上所获得的图形， 本实验选用多模模式。 田2 - 7 离焦状舂激光分布图 2 3 2 圆形光与环形光的能量分布模型建立 激光光束除了有模式的选择外，还可以改变光斑的形状，光斑形状对激光能 量分柿有重大影响”o - 3 2 。目前，国内外激光熔覆多采用圆形多模激光。在这种激 光束作用下，熔池表面的温度场分布特征为：熔池中心附近温度最高，远离中心， 熔池温度逐渐降低，熔体不能均匀受热 度的作用，熔池内存在强烈的对流运动 熔池内部温度梯度较大，在表面张力梯 擐终导致熔凝表面呈凸起形状，即中间 比较高，两边相对较低，形如“山峰”状。 为解决这一现象。本课题组利用先扩束，再汇聚的方法将1 0 k w 激光器产生 的圆形激光束转换成能量分布更均匀的“中空”环形光束涠2 - 8 为激光功率5 0 0 w 离焦1 0 m m 所获得的环形光。 环形激光光内送耢熔池特征与熔层性能 第一章环形强光能量分布与熔池理论研究 圈2 - 8 高焦状态下的环形光斑 由于光斑形状不同，激光的能量分布将有所区别。图2 - 9 为x - y 坐标系中的 圆形和环形光斑示意图。设y 轴正方向为激光束的扫描方向，将x 轴区间 - r ，r 】 之间任一点h ( x ，0 ) 处的功率记为p ( x ) ，激光束扫描时在h 点上作用的总时间为t ( x ) ， 一次扫描过程中h 点吸收的光能为w ( x ) 。 t 、 人万j 。旷7 咱 ( _ ) 坐标系中的翻形光斑 ( b ) 坐标系中的环形光斑 图2 - 9 两种光斑示意图 图中h ( x ，0 ) 处的弦长记为函数s ( x ) ，扫描速度v 为常量，则 i ( x ) = 粤 对于圆形光斑( 光斑半径为r ) ： s ( x ) ：i a b i ：2 i 可，( - r x s r ) ( 2 1 ) 第二章环形激光能量分布与熔池的理论研环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 对于环形光斑( 光斑外径为r ，内径为r ) ， 瞅，= 隹笛一踊， 二麓) ( 2 当激光模式为基模时，光强分布形如高斯分布，在z = 0 处其光强分布可简写 为 批。) = k * e x p 一学 协3 ， 其中k 为常数，式( 2 3 ) 用极坐标表示，得到式( 2 - 4 ) 。 p ( r m ，0 ) 小e x p ( 一饕 ( 2 - 4 ) 丫 l 恤z厂 j x 历 ，巳 心 ，hk l 一 】， 图2 1 0 扫描过程中几何关系图 如图2 1 0 ，对于基体上任一点h ( x ，0 ) ，扫描路径为：从光斑上的a 点经过 h 点开始，直至b 点经过h 点结束。将a b 分成无穷多的小段，从a 点扫描至c 点处时，r 。对应一个变化量r m 。 ia cl 州a t ( 2 5 ) 1 ia hi = 寺s ( x ) ( 2 - 6 ) 1 6 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 第二章环形激光能量分布与熔池的理论研究 根据三角几何关系， f 叫一i a f i a qi a o l 将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 中，得 r m s ( x ) v a t2 r 即 d r m s ( x ) v d t2 r 护焉v s ( x ) 出研 ， ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 由于光斑关于y 轴对称，故只考虑x 轴正半轴上区间 o ，r 内的w ( x ) 即可，x 轴负半轴情况与正半轴上相同。 对于环形光束： 当0sx r 时， w ( x ) = 2f 1p ( r m ，0 ) d r ( 2 9 ) 将式( 2 - 4 ) 和式( 2 8 ) 代入( 2 9 ) 式，得 w = 2 r 卜p ( 案) 焉虬 协 式( 2 1 0 ) 积分得， w = 丽c 当r x r 时， 盹卅营 r w ( x ) = 2 f ：f p ( r m ，0 ) d t e x p ( 2 ) ( 2 1 1 ) 将式( 2 4 ) 和式( 2 8 ) 代入( 2 1 1 ) 式，得 w = 2 啦e 卅剡器虬 协 式( 2 1 2 ) 积分得， 1 7 第二章环形激光能量分布与熔池的理论研 环形激光光内送粉熔池特征与熔层性能 对于圆形光束： w 。x ，：赫：兰二二三；釜! 一e x p 。一2 ， w ( x ) = 2f 1 p ( r m ，o 冲 积分区域从x 到r ，将式( 2 - 4 ) 和式( 2 8 ) 代入( 2 9 ) 式，得到 w c x ，：鑫t 兰二 茎：；三量2 一e x p c 一2 ，2 v 2 r x x 。 k x 当激光模式为多模时，光强分布比较均匀，可近似认为光强为常数g 。故有， w ( x ) = g q x ) = g 宰孚 ( 2 - 1 3 ) 对于环形光束： 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 3 ) 中得 w ( x ) = 2 g 瓜r 忑 可( - r x 一r 或r x r ) 2 g ( l 爵一胃) ( 一r x r ) v 对于圆形光束： 将式( 2 1 ) 代入