（机械电子工程专业论文）用于激光再制造的二轴送粉头的设计.pdf

摘要 为了难满足激光快速制造的要求，综合机械设计的相关理论和计算机数字控 制技术，设计并试制了三维同轴送粉工作头。由于原数控系统是非开放性的，不 宜直接在原有系统上进行二次开发，考虑到现有条件，采用单片机控制二步进电 机以实现送粉头能绕z 轴转动和绕水平轴转动，加上原有数控系统的在z 轴方向 上的运动配合使送粉工作头具有三维空间工作能力，它克服了普通送粉头工作空 间的限制，同时还具有粉末流束焦点可调功能。此工作头用于激光快速制造能制 造出轴瓦类、螺杆类、电力行业所需发动机叶片等零件。用于激光涂敷可以完成 形状较复杂零件的表面修复等。此三维送粉头实现的转角大，具有全方向性。z 轴转角：oo 一3 6 0o ；水平轴转角：- 9 0o 一+ 9 0o 。聚焦方式：透镜反射聚焦；送 粉方式：载气式非载气式。 在激光熔覆中激光束与材料交互作用的理论部分分析了激光熔覆过程中的 能量、激光热处理过程中热吸收系数理论预测、粉末颗粒温升的数学模型、动点 热源持续加热温度场模型、潜热对激光涂覆过程中温度场的影响。 运用试制的三维送粉头做激光再制造轴瓦类零件实验，实验结果验证了三维 送粉工作头的设计功能，通过实验结果分析了以硬化层分布均匀性最佳为依据的 p v 匹配。工业应用实验进行了导套激光三维再制造，分析激光熔覆与合金化 层的缺陷产生及防止。为工业推广应用提供了有力的依据。为进一步发展激光再 制造技术奠定了良好的基础。 激光再制造是一门高精尖的技术，本文仅对其中三维同轴送粉工作头进行了 仞步研究，但还有许多问题需要解决，如适合激光再制造的新型送粉器的研制， 激光再制造过程中的多轴联动，智能监控系统等。这些技术结合三维同轴送粉技 术就可以实现较好的激光再制造，为企业赢得效益，推动社会经济发展。 关键词：激光熔覆，激光再制造，三维同轴送粉工作头，步进电机，单片机， 工艺参数，温度场，数学模型 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fl a s e rr a p i dm a n u f a c t u r i n g ，an e w3 d c o a x i a lf e e d i n gh e a dw a sd e s i g n e d w ec o n t r o lt w os t e p p i n gm o t o r sf i x e do nt h e3 d f e e d i n gh e a dw i t ht h es y s t e mw h i c hi sm a d eu po fm i c r o p r o c e s s o ru n i t s t h ef e e d i n g h e a dc a r lr o t a t ea r o u n da x i a lza n da x i a lxo ryw i t ht h eh e l po fs i e m e n sn cs y s t e m w h i c hc a no v e r c o m et h el i m i t a t i o n so ff e e d i n gh e a d sw o r k i n gs p a c e ，w ec a r lm a k e a x l es l e e v ea n ds oo n i te a nb eu s e dt or e p a i ri r r e g u l a r s h a p ep r o d u c t si n l a s e r c l a d d i n g ，s u c ha sm e t a l l i cs h e a t h u s i n g3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d ，l a r g ea r e al a s e r r e f a b r i c a t i o nw a sc a r r i e do u ti nm e t a l l i cs h e a t h i tc a nr e p a i ro b s o l e t ea n dw o r np a r t s r a p i d l ys ot h a ts a v e st h ec o s ta n dt i m ef o rt h ec o m p a n i e s l a s e rr e f a b r i c a t i o na d a p t e d t ot h er e q u i r e m e n to fm o d e mp r o d u c t i o n i nl a s e rr e f a b r i c a t i o n ，3 dc o a x i a lf e e d i n g h e a di st h em o s ti m p o r t a n ta n dk e yp a r tw h i c ha f f e c t e do nt h eq u a l i t yo fc l a d d i n g h o w e v e r , t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho f3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a dd o n ta p p e a r a c c o r d i n gt o b a s a lt h e o r yo fl a s e rp r o c e s s i n g ，a n a l y z i n go ft h el a s e re n e r g y c o n d i t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e rb e a ma n dt h em a t e r i a l sd u r i n gl a s e rc l a d d i n g ， t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no fl a s e rb e a me n e r g ya b s o r p t i o nc o e f f i c i e n td u r i n gh e a t i n g ， t e m p e r a t u r er i s em o d e lo fl a s e rc l a d d i n gm a t e r i a lp o w d e r , e f f e c t so fl a t e n th e a to n t e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rc l a d d i n gp r o c e s sw e r ec a r r i e d i na d d i t i o n ，as e r i e so fp r o c e s s i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u ti nu s i n g3 dc o a x i a l f e e d i n gh e a d l a r g ea r e al a s e rr e f a b r i c a t i o nw a sc a r r i e do u ti nm e t a l l i cs h e a t hu s i n g 3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d t h ec h a r a c t e r i s t i co ff u l l d i r e c t i o na n da d j u s t a b l ef o c u sw a s i n s p e c t e di nt e s t a c c o r d i n gt ot e s t ，i ti s s h o w nt h a tf e e d i n gh e a dp o s s e s s e dt h e c h a r a c t e r i s t i co ff u l l d i r e c t i o na n da d j u s t a b l ef o c u so fp o w d e rs t r e a ms ot h a ta d a p tt o d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t i to f f e r e df o r c e f u le v i d e n c ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h e r e s e a r c hc a nl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fl a s e rr e f a b r i c a t i o n l a s e rr e f a b r i c a t i o ni sak i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g y t h i sp a p e ro n l yc a r r i e do n t h ee l e m e n t a r yr e s e a r c ha b o u t3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d m a n yp r o b l e m sd i d n tb e s o l v e d ，i n c l u d i n gd e v e l o p m e n to fn e wf e e d i n gd e v i c ea n ds y s t e m so fd e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n g t h e yc a nc o m b i n e3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d t o c a r r yt h r o u g hl a s e r r e f a b r i c a t i o nb e t t e r i te a r ls a v et h ec o s tf o r c o m p a n i e sa n da c c e l e r a t e s o c i a l d e v e l o p m e n t k e y w o r d ：l a s e rc l a d d i n g ，l a s e rr e f a b r i c a t i o n ，3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d ，s t e p p i n g m o t o r ，m c u ，t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a lm o d e l i v 独创性声明 ? 9 7 3 8 1 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证二b 而使用过的材判。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：朱银锋 签字目期：2 0 0 5 年元月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云整王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：朱银锋 导师签名：王云山 签字f 1 期：2 0 0 5 年元月1 同 签字日期：2 0 0 5 年元月ln 学位论文的主要创新点 一、用由单片机组成的控制系统控制步进电机的运动，精度能满足加工要求，并 且能保证加工质量。 二、同轴送粉头结构设计合理，质量比以前减小三分之一，提高了送粉头运动的 灵敏性。 三、研制出具有两轴联动的三维送粉工作头，整体结构设计合理，转动部分采用 高精度向心推力轴承，精度高、灵活性好、工作可靠。 四、与数控机床配合可实现三维曲面激光熔敷和激光淬火加工编程。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 激光再制造技术的发展 1 1 1 激光再制造技术概述 激光再制造技术通常是指用激光熔覆技术进行表面改性。激光熔覆技 术在2 0 世纪后期逐步发展起来，国际上对此有着大量报道，其应用前景十分广 阔，国内近两年也有了许多成功经验。激光熔覆是一种新的表面改性技术，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 一起快速熔凝，在基材表面形成与基材相互融合的且具有完全不同成分与性能 的合金覆层。基材的熔化层很薄，对覆层的成分影响极小。因而它综合了光、 机、电技术，涉及材料学、物理学、数控技术、机械设计与机械制造等多f 7 - 科，是未来工业发展的一个重要方向。 与传统修复方式相比这种技术有着如下几种独特优势。 ( 1 ) 热影响区小，不破坏基体的力学性能。 ( 2 ) 变形小，一般可忽略不计。 ( 3 ) 可实现选择性精确加工，用极小的成本在零件的不同部位实现不同的力 学性能。 ( 4 ) 熔覆材料品种多，包括镍基、钴基、铁基甚至陶瓷、非金属材料。 ( 5 ) 对基体材料的要求低，几乎绝大多数的材料上都可应用此项技术。 ( 6 ) 可实现较大面积和较深厚度的修复。 ( 7 ) 熔覆层与基材问实现的是冶金结合，结合强度高。 在实际应用中，决定激光熔覆是否成功的因素十分复杂，一般包括是否选 择了合理的工艺配置、熔覆材料的选择、需修复零件的使用工况条件、损坏机 理等等；这些问题解决起来非常困难，从而制约了该项技术在工业上的应用。 近两年，在广大工程技术人员的努力下，国内在把实验室技术转化为实用技术 方面取得了重大突破，在石化行业的烟气轮机类、电力行业的汽轮机、电机转 子、压缩机类、冶金机械等行业的轴类件、齿轮、阀杆、泵类件等等零件的修 复上获得了成功，为服务对象赢得了可观的直接或间接的经济效益。 第1 章绪论 自从这门新兴的表面改性技术出现以来，其发展是迅速的。到现在为止， 合金材料和炭化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已经获得某些实际应用： 而陶瓷类材料的激光熔覆因裂纹和剥落等问题尚待深入研究。直到六十年代末 七十年代初，高功率激光器研制成功并投入商业应用。由于激光所具有的优异 特性，很快引起了研究人员的注意。激光熔覆的试验研究始于本世纪7 0 年代， 美国d s g n a n m u t h u 于1 9 7 6 年获得了激光熔覆一层金属于另一层金属基体的熔 覆方法专利 5 1 。 1 1 2 激光熔覆技术特点 激光熔覆技术发展至今，熔覆材料已从丝状、膏状的金属，发展到现在的 粉状的金属、陶瓷等。材料添加方式也由原来的预置式发展到同步送料式。同 步送料也多种多样，例如送丝、送膏、送粉等。同步送粉法也发展为侧向送粉 法和同轴送粉法，同时还有载气式送粉和自重式送粉之分。同步送粉法可使粉 末在落入基体表面前即可充分熔化并保持熔融状态，既保证了与基体的冶金结 合，又保证了基体适量熔化，因此，同步送粉法是当前发展的主流。 在同步送粉法中，同轴送粉的熔覆方法具有全方向性的优点，而且粉术利 用率高，因此越来越受到了研究人员的重视。设计出能供工业修复应用的用于 激光再制造的三维同轴送粉工作头不仅具有重要的学术价值而且具有深远的经 济意义。 良好的熔覆层应有良好的冶金结合，即最小的稀释率和变形程度，因而要 求： ( 1 ) 熔覆层与基体材料的熔点相近，以保证两者间的稀释最小： ( 2 ) 避免脆性相的形成，确保界面结合强度： ( 3 ) 材料具有一定塑性来补偿热应变，防止形成裂纹。 1 1 3 常用熔覆材料 目前激光熔覆常采用的材料主要是在热喷焊或热喷涂类材料的基础上的改 进型，包括自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、陶瓷材料等。 这类材料通常是以粉末或丝的形式使用，根据不同的需要分别具有耐磨、 耐温、耐不同环境的腐蚀等性能。 1 自熔性台金 自熔性合金根据成分不同可分为镍基、钴基和铁基三大类，其主要特点是 第1 章绪论 材料中添加有硼和硅，因而具有自我造渣的性能，即所谓的自熔性。目前激光 熔覆使用最多的就是这一类。 这种材料的硬度则与合金中的含硼量和含碳量有关，随硼、碳含量的增加 而提高。由于合金中含有较高的铬、镍、钴、铂等元素，所以这类合金还可以 有较优异的耐温、耐腐蚀以及抗氧化性能。 自熔性合金对基材有较大的适应性，几乎可以用于任何基材，包括各类碳 钢、合金钢、不锈钢和铸铁类材料，但对于硫含量较大的钢及铸铁要慎用，这 是因为硫的存在会在交界面处形成一种低熔点的、脆性的镍硫化物，使覆层易 于剥落。 2 碳化物复合粉末 碳化物复合粉末系由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所形成的粉末 体系，可分为( c o 、n i ) w c 和( n i c r 、n i c r a i ) c r ，c ，等系列。这类粉末作 为硬质耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性，它们有的适应低温，有的 适应于高温工作环境，有的还可以与自熔性合金粉末一起使用。 该类材料因裂纹倾向较大一般作为局部小面积的熔覆，对基材的要求较为 苛刻，大面积的使用还有待于进一步攻关。 3 氧化物陶瓷粉末 氧化物陶瓷粉末具有较优良的抗高温氧化和耐热、耐磨、耐腐蚀等性能， 它主要分为氧化铝和氧化铬两个系列。其中氧化铬系列陶瓷粉末比氧化铝系列 陶瓷粉末具有更低的热导率和更好的抗热震性能，因而主要被用作热障层材料。 陶瓷系列材料的激光熔覆技术的研究目前倍受重视，可以预见这是激光熔 覆技术的一个重要发展方向。 1 1 4 激光熔覆工艺及其应用 1 激光器的选择 激光熔覆的激光光源一般选用二氧化碳激光器或y a g 激光器，目前使用较 多且效果较理想的是二氧化碳激光器，这种激光器功率大，能量分布均匀，特 别适用于大面积熔覆。 2 激光熔覆的工艺流程 激光熔覆按熔覆材料的供给方式大致可分为两大类，即预置式激光熔覆和 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 光束扫描熔化，熔覆材料以粉、丝和板的形式加入，其中以粉末的形式最为常 菊1 章绪论 用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完 成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送 料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理一预置熔覆材料 一预热一激光熔化一后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理一送料激光熔化 一后热处理。 上述的激光熔覆工艺流程中，预热和后热并不是必须的，预热和后热可视 基材和熔覆材料的特性等情况决定取舍。目前在实际应用中往往不能采用，目 的是尽可能不破坏基体原始力学性能，减少热变形。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材 料的供料方法、预热和后热处理。 1 1 ，5 激光表面改性技术的应用 ( 1 ) 航空工业中的应用。航空发动机叶片的接触磨损问题一直是使用和维 修中的一大难题，而通过激光熔覆技术可以获得优质的涂层，有效的缓解和克 服了这一问题。相比较热喷涂方法，具有热影响变形小，质量稳定，效率高等 特点。 ( 2 ) 汽车工业中的应用。汽车发动机的缸套是易磨损部件，使用激光淬火 可以有效地解决缸套磨损问题，延长其使用寿命。另外如发动机凸轮轴的激光 淬火、曲轴的激光淬火也提高了其使用寿命。国内天津工业大学已成功将其应 用于轿车的4 7 9q 型凸轮轴淬火和火车缸套类零件淬火。 ( 3 ) 模具工业中的应用。模具的制造成本很高。对于模具的损坏，以前多 是通过堆焊的方法来实现的，随着激光熔覆技术的发展，使得激光再制造模具 成为可能。并且修复效率高，节约了成本，赢得了时间。如天津工业大学为扎 努西压缩机公司成功修复了模具，为企业赢得了效益。 ( 4 ) 石油工业中的应用。在石油工业中，采油设备连续运转，一些关键零 部件如细长轴等磨损严重，一根进口泵轴高达十几万美元，进口此类小批量轴 类零件需较长的时问，采用一般的方法修复效果并不理想，当使用激光熔覆技 术只需很少的投入就可以使这根轴焕然一新，而且修复之后投入使用效果良好， 这样一来大大地降低了石油开采成本，为企业赢得了效益。天津工业大学为渤 海油田进行的泵轴修复，取得了显著的效果。 ( 5 ) 冶金工业中的应用。轧辊是冶金工业的常用零件之一，轧辊的激光再 第l 章绪论 制造技术大大延长了轧辊的报废时间，而且熔覆轧辊的性能更为优良，提高产 品质量，节约生产成本。 ( 6 ) 制铝工业中的应用。在制铝业中，某些频繁受冲击的阀座极易磨损， 由于这种阀座成本高、形状特殊，采用常规的修复方法很难修复，采用激光修 复效果良好。天津工业大学为中国铝业郑卅分公司成功进行了阀座的修复。 1 2 三维激光再制造技术 1 2 1 激光再制造技术概述 2 0 世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的 无偿利用造成全球的生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中 生产制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。为解决这一时 代课题，再制造工程应运而生。再制造工程技术属绿色先进制造技术，是对先 进制造技术的补充和发展。报废产品的再制造是其产品全寿命周期管理的延伸 和创新，是实现可持续发展的重要技术途径，再制造技术可带来新的经济增长 点。 再制造技术( r e f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y ) 与以往修复技术不同，再制造技术 是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先进数控和计算机技 术、c a d c a m 技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体，不仅能使损 坏的零件恢复原有尺寸，而且性能达到或超过原基材零件水平。由此形成了一 门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术。 1 22 激光再制造技术构成 激光再制造技术是再制造技术的一个重要分支，它源于激光熔覆。激光熔 覆原本是一种表面强化技术，它不涉及零件精确控制成形问题，而是依靠后续 的机加工来保证尺寸精度。以激光熔覆为修复技术平台，加上现代先进制造、 快速原形等技术理念，则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料， 在具有零件原型的c a d c a m 软件支持下，c n c ( 计算机数控) 控制激光头， 送粉工作头和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末同步输送，形成一支金属 笔，在修复部位逐层熔覆，最后生成与原型零件相近似或相同的完好零件。同 时利用i r 比色测温传感器对加工过程进行监控，控制成型的精度。系统结构如 图1 1 所示。 第1 章绪论 图1 1 激光再制造系统的构成 从光束与送粉工作头相互运动关系来看，可将激光再制造分为一维、二维 及三维再制造，如图1 2 所示。 ( a )( b ) ( c ) 图1 2 一维( a ) 、二维( b ) 、三维( c ) 激光再制造运动图 一维的激光再制造系统可以实现单一方向的修复，一般采用侧向送粉方式， 利用轴向旋转或者单方向重复往返来实现对零件的大面积再制造。为了能实现 二维平面的全方向再制造，同轴送粉的技术就应运而生了。如零件在某一平面 上具有不规则裂纹，利用数控和同轴送粉系统就可以实现再制造。但是对于一 些贵重的大型零部件，损坏的部位可能是空间曲线形状，而且装夹比较困难， 二维激光再制造系统就无能为力了。因此我们要重点研制三维激光再制造系统， 这也是目前激光加工领域研究的热点之一，具有重大的经济意义和学术价值。 第1 章绪论 1 2 3 三维激光再制造技术 要实现精确的激光再制造，有几个部分是不可缺少的。 1 三维同轴送粉工作头激光再制造的修复范围已经不再局限于轴类、轮 盘类零件。对于复杂空间形状的零件，如箱体，使用一维修复系统就显得无能 为力了。对于二维的修复系统，在水平平面上可以达到较好的效果，而复杂的 空间曲面上也很难达到好的效果。所以开发出适合三维再制造使用的送粉工作 头是必不可少的。国内除天津工业大学正在从事此方面研究外，如台湾的成功 大学，英国的利物浦大学和国内的清华大学等另外一些研究机构也着手研究同 轴送粉技术，三维同轴送粉工作头是本文主要研究的内容| 5 。 2 送粉器激光再制造系统中另一个重要的组成部分就是送粉器，在不同 的修复状态下也同样要求送粉器能根据要求来调节粉量，既能实现载气送粉也 能实现非载气重力送粉。因为这样在二维平面工作或者一维修复时可以提高粉 末利用率，粉末损失小，而转到三维立体工作面工作时切换到载气时可以准确 的把粉末输送到工作部位。另外送粉器的波动率也是一个重要影响因素，实现 精确的再制造也需要高的送粉精度。采用计算机数字控制技术，这一难题已经 基本得到解决，实验效果达到了预期的目的。 3 监测控制系统激光再制造过程中重点要考虑的就是加工的精度，凭借 以往激光加工中的经验进行观察调整的方法显然不行。因此智能化控制加工过 程十分必要。对激光再制造进行在线监控一般可以通过监测熔池温度、熔覆层 厚度或者熔池的形状变化来控制工艺参数，从而来实现精确再制造。实现这一 要求相对要困难一些，原因是原有数控系统是非开放性的，很难直接在原有数 控系统的基础上进行二次开发，较好的解决办法是在开发监控系统时和用于控 制激光熔覆的数控系统集成在同一个数控系统里面，这样就构成了闭环控制。 1 3 本课题研究的内容和意义 实现激光再制造其中关键要解决的就是三维激光同轴送粉工作头的研制。 它是激光再制造的关键执行部件。由于激光再制造和激光直接烧结快速原型等 技术的发展，使得这项研究成为了热点。 国内外学者已经相继开发出多种同轴送粉工作头，如英国利物浦大学的研 究人员和美国一些国家实验室、德国宇航研究院和一些研究机构、台湾和韩国 的些大学都开展了此项研究。有些还取得了一定的成果，研制出了具有实用 第l 章绪论 价值的二维同轴送粉工作头，并且进行了一些应用试验。如德困：航研究院利 用二维同轴送粉工作头对叶片和蜗杆进行的快速制造取得了良好的效果。国内 进行此项研究的单位也不少，如天津工业大学、清华大学和西北工业大学等【5 】。 但是目前研制出来的同轴送粉工作头都是只能进行二维平面加工，对于空 间三维加工就无能为力了。针对这种情况，天津工业大学激光技术研究所提出 了三维同轴送粉工作头的构想，并得到了天津市科委的基金资助。在过去的两 年中，天津工业大学激光技术研究所一直致力于激光再制造技术的研究工作， 已经成功实现了基于二维平面的大面积再制造，并创造了一定的经济效益。同 时也看到了二维激光再制造存在的不足和进行三维同轴送粉工作头研制的必要 性吲。 本课题是建立在原有基础研究之上，以现有的激光再制造相关理论为基础， 对激光熔覆过程中的能量进行了理论分析；对激光热处理过程中热吸收系数进 行预测：分析了动点热源持续加热温度场模型；分析了三维激光熔敷粉末颗粒 温升的数学模型：分析了潜热对激光涂敷过程中温度场的影响。 在原有手动式三维同轴送粉工作头相关理论的指导下，结合机械设计的基 本原理，同时考虑激光加工的特殊性，设计出用于激光再制造的三维同轴激光 送粉工作头和三维送粉头控制器。同轴送粉工作头粉末汇聚焦点可调，以适应 不同的加工要求。三维转动机构的设计首先考虑了工作过程中的安全性和可靠 性，在工作过程中既要保证设备与工作人员的安全，又要保证三维送粉工作头 在工作过程中的可靠性。在现有条件下，设计时也考虑了成本问题，既在成本 可以被接受的情况下尽量使设计完美。又由于用于激光再制造的三维送粉工作 头结构特殊，在设计时考虑了三维送粉头相关组件的加工和装配工艺性能。控 制系统的设计采用了可编程步进电机控制器控制二台步进电机的动作，在原有 西门子8 0 2 d 数控系统的配合下，使三维送粉工作头可以实现三维运动。 通过加工实验来检测工艺参数对覆层质量的影响，绘制工艺参数影响曲线 供使用人员参考。另一方面可以为实现数控系统多轴联动控制，完成精密再制 造提供依据。 本项目来自天津工业大学激光技术研究所杨洗陈教授主持的天津市科委的 重点科研攻关项目：激光再制造及工业应用( 编号：0 3 3 1 8 8 0 1 1 ) 。 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 第2 章激光熔覆中激光束与材料交互作用的理论 2 1 引言 激光熔覆的过程是激光束与合金粉末和基体材料相互作用的过程。激光能量 被粉末和基体材料吸收而转变成热能，使粉末和基体表面熔化而形成熔覆层。激 光熔覆所用的激光功率密度高达1 04 w o r e2 以上，在此强激光辐照区内，激光与 材料相互作用，发生着粉末的熔化、流动、混合、液态金属与固念颗粒间的相互 作用、合金元素扩散及熔池凝固等一系列的物理化学变化，直接影响着熔覆层的 组成结构和性能，见图2 1 。图2 1 是激光熔覆空间曲面时，同轴送粉头工作状 态示意图。例如激光熔覆较大尺寸轴瓦时同轴送粉头工作状态示意图如图2 1 所 示。送粉头中心轴线和z 轴存在夹角的原因是加工过程中激光束要和被加工表面 垂直。另外，为获得理想的熔覆层，以下三个因素是必须考虑的：一是涂层材料 与基体间的冶金反应，而形成牢固的结合层。二是涂层与基体的热胀匹配，尤其 是涂层必须有一定的延展性，以承受一定的热应力。最后，为达到低的涂层稀释 率，涂层材料和基体材料的熔点之差越小越好。 从提高铝合金表面性能的工程需要出发，适宜的合金粉末是铁基、铜基和镍 基等金属基材料。铁基涂层具有高的机械强度和硬度，而铜基具有良好的减摩性 能，镍基抗高温性能好。 。j 紫茹护 v 一1。、# 7 。1 ”。i 遂粉癌0 。兰捌一 + 褥一 荔爹 图2i 三维激光熔覆时粉末粒子在光束中的运动示意图 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 2 2 激光熔覆过程中的能量分析【1 3 在连续激光熔覆过程中，激光接近于稳态，激光输入能量与合金粉末、基体 吸收能量、熔池向环境散失能量处于平衡。在无保护气流的熔覆过程中，可忽略 对流导致的能量损失。能量平衡方程可表示为： ( 1 r ) e 2 e 。+ e ，+ e ， ( 2 1 ) 其中：e 表示单位面积上的激光辐照能量，即比能量： d e = ( j r a m2 ) ( 2 2 ) 删 p 为激光功率( w ) ， d 为光斑直径( m m ) ， v 为扫描速度( m m s ) ， r 为激光能量的损失率； e ，、e 。分别表示单位面积上粉末和基材吸收的能量； e 。表示单位面积向环境的辐射能量。 合金粉末在激光的辐照下，要经历以下几个过程：( 1 ) 固相加热过程；( 2 ) 熔 点温度下的熔化过程；( 3 ) 液相加热过程。在激光熔覆中，加热温度超过熔点但 低于汽化点，所以不存在金属的蒸发过程。 2 2 1 预置粉末 设预置粉末厚度为h ，密度p ，则粉末质量m ，2 p ，v ，其中激光光斑处 理过程中预置粉末的体积v 。= d v h 。则粉末熔化所需能量为： e ，= 五1 歹 脚，c ，( l ，一t o ) + l m m l ，+ 珑，c 肚( 瓦一，) 】 e ，= h p p c ( l ，一瓦) + 三。+ c m ( 瓦一乙) 2 h p 。 s = c 。( 已瓦) + 三，+ c 础( t l ) ( 2 3 ) 式中：c 。、c 。、l 。分别是熔覆材料的固相比热、液相比热、熔化潜热； t o 是粉末粒子初始温度值、乙是粉末粒子在熔化状态的温度值、瓦是熔池的温 度值：v 为扫描速度；s 是与粉末种类及在激光熔池中的加热状态有关的常数。 设熔池向周围介质的辐射系数为0 ，则熔池的辐射能为： 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 。一a ( r l - l ) 竺坠二堡 。 m p ( 2 4 ) 将( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入( 2 1 ) 得： e ( 卜r ) 一盯( tl t 。) p = h e p 。+ e ， ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可见，决定熔覆极限的基本因素是辐照比能量。要使一定厚度的粉 末熔覆在基材上，所采用的比能量必须大于或等于( 2 5 ) 式所对应的值。 由于比能量是由激光功率、光斑尺寸和扫描速度所决定的，故这三个参数在 确定熔覆厚度时具有等价性，但是该等价性原则不能移植到组织变化上。 2 2 2 同步送粉 设送粉量为m 。，则粉末熔化所需能量为： e ，= 古【m & ( l t o ) + l + c 皿( r l 一驯 ：堕5 d v 激光熔覆过程能量平衡方程为： ( 1 - r ) = 告科型也 ( 2 6 ) e c ( 1 - r ) 刮寸t 睡去甜e ， ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，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激光功率来实现增大比能量的要 求。 在一定送粉量下，影响合金粉末加热程度的工艺参数主要是激光功率。扫描 速度v 的影响可通过如下分析得出：设送粉量为l r l ，( g s ) ，扫描速度v ( m m s ) ， 则熔覆长度为l ( m m ) 距离时，所需的时间是l v ( 秒) ，在这l v 秒时问内，喷入 熔池的粉末总量为m ，l v ( g ) 。假设熔池全部由合金粉术熔覆而成，由能量平衡 原理，可得： ( 卜r ) p - 兰= c p m ，兰，+ q 。+ q ， 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 丁：! ! 二型二堡二叟!f 2 8 1 c p m 。 q ，一向基材沉积热量 q ，一向环境辐射热量 可见从理论上分析粉末颗粒的加热程度与扫描速度无关，只与激光的吸收率 及送粉量和合金热物理性能有关。这意味着在激光熔覆过程中，改变激光扫描速 度，而其他条件不便，不影响熔覆效果。 2 3 激光热处理过程中热吸收系数理论预测叫 2 3 1 引言 当激光照射到材料表面时，激光束将被分为两束光：一束将被材料表面吸收， 另一束将被反射。在激光热处理过程中，对处理结果产生影响的是材料对激光能 量的吸收的多少。为了描述材料对激光能量的吸收能力，能量吸收系数被定义如 下： p = 睾 ( 2 9 ) e 1 e 。是入射激光束的能量，巴是材料吸收的激光能量。通过( 2 9 ) 式可以看出， 只要测出入射激光束的能量和材料吸收的能量，就可以获得热吸收系数。有以下 的几种实验方法被用于测量激光与物质热相互作用的能量吸收系数： ( 1 ) 通过测量工件表面温度的方法来测量。这是一种最容易实现的一种方法， 工件的温度由热电偶测得，热吸收系数将通过对热传导方程的解获得。这种方法 的局限性在于如果热处理温度过高，热电偶将被熔化掉，故该方法不能用于熔化 热处理的测量。同时热电偶的位嚣及工件和环境的热交换等等限制了这种方法的 精度。 f 2 ) n 量反射激光能量。这种方法由两步实现：首先是用功率计测出激光的 输出功率；然后把激光束投射到4 5 。的斜面上，反射光的能量就可以测出。 这样，我们就可以测定材料的反射系数： r ：生 ( 2 1 0 ) e 。 、 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 e ，为激光的反射能量，e 为激光的入射能量。热吸收系数为： a = l r ( 2 1 1 ) 这种实验装置是很难实现的，因为工件表面的不平整会引起激光在材料表面 的散射，因此就很难获得精确的测量结果。 ( 3 ) 热量计的测量【l ”。热量计由两个井来构成：一个是实验井，一个是参考 井。其中试件在接受激光的辐射后被快速送到井中，材料对激光能量的吸收通过 比较完全相同的试件在实验井和参考井中的热辐射获得。尽管这种方法是一种精 度很高的方法，但是为准备完全相同的试件和获得热量计的热平衡将花去很长的 准备时间，同时必须有特定的激光输入装置，设备投资昂贵。 从上面的讨论可以看出：所有的实验装置存在要么设备昂贵，要么是测试条 件受限( 熔化和硬化) 。所以希望能有种简单，可行，又满足实际需要的测试方法。 2 3 2 对激光热吸收系数的预测理论 当激光照射到工件表面时，试件中的热平街由三部分构成：工件吸收的激光 能量级，从熔池边界传递到非熔化区的能量q ，以及产生熔池所需能量绯。 由于激光束和工件的相对运动，能量很快被传递到工件内部。当工件处于匀速运 动，激光光斑的能量分布不随时间变化时，用于产生熔池的能量q ，依赖于从激 光获得的能量和传递到工件内部能量的平衡。有以下关系式： q = q + 绋 ( 2 1 2 ) 骁可以由以下关系式来近似 既= 4 最f ， ( 2 1 3 ) a ( ) 是工件的热吸收系数，只( w ) 是入射激光的功率、t 。( s ) 是工件上给定 点的热相互作用时问。 q 是从熔化区域传递到硬化区域的热，可以通过计算热影响区域体积内的 热量来描述： q2 ol 。r ( 工，弘：，r ，矽k ( 2 1 4 ) ( m3 ) 表示熔池外的热影响区域的体积，t ( x ，y ，z 。f 。) 表示相应在f = ，时 刻的温度场。 产生熔池所需能量绋可以通过熔化潜热l ，材料密度，和体积巧计算出： q f2 l p v , ( 2 1 5 ) 对于稳态来浇，当熔化的固体和固化的发生在同一时刻时，从液固相变所吸 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 收的热能和从固液相变所放出的热量尽管在不同的区域，但将达到平衡。 q l = q ( = p c pi ，t ( x ，y ，z ，f ：) d ( 2 1 6 ) n 由于以上原因，潜热对温度场和流体场的影响可以忽略不计。 相关的进一步研究表明1 1 4 1 ，材料对激光能量吸收系数在激光热处理过程中 扮演非常重要的角色。如果能预知热吸收系数，那么我们就可以利用它来合理选 择实验参数，达到节约实验费用的目的。为了精确的测量出材料对激光的热吸收 系数，最重要的是测出所有的能量( 入射光能量，反射光能量和吸收能量) 。在实 际测量中是很难做到的，因为不可能去收集所有的能量。因此，数值模拟用于激 光与物质的热吸收系数预测是很有益处的。 2 4 粉末颗粒温升的数学模型 2 4 1 引言 粉末在穿过激光束时，吸收了部分激光能量，从而使自身的温度升高。对于 激光熔覆来讲应该考虑进入熔池自由表面( 熔池的气一液界面) 时粉末粒子的温 度。因为粉末粒子温度不同除了对其落到基体和熔覆层的状态有影响外，还对熔 池的、平衡产生影响。 图2 2 粉末温升模型坐标系 f i g22 m o d e lc o o r d i n a t e ss y s t e mf o rt e m p e r a t u r er i s e 实际上，在不考虑等离子体影响的情况下，粒子直接吸收激光辐射能，并放 出辐射能。在空气中粉末颗粒也会由于空气对流散失能量，粒子之间也会相互加 、磅 。娑。一 r 警 ，一 m r 7 g s 搿 t ， d d 一 篙rl， 。 第2 章激光熔敷中激光束与材料交互作用的理论 热。一方面这些能量在总能量中的比例很小，另外也为了计算方便，在模型中假 设： ( 1 ) 粉末颗粒在气一粉射流中的体积分数很低，可以忽略激光的反射、折射和 粒子之间的相互加热，忽略其问的对流换热： ( 2 ) 粉末颗粒体积恒定，是半径为1 2 。的球体。由于粉末颗粒足够小，在能 量计算时可将其看成一个点，粒子的热导率为无限大，即认为粉末颗粒的温度是 均匀一致的，在迎光面和背光面没有差异； ( 3 ) 粉末颗粒只在迎光面吸收能量，但对外辐射则在整个球体表面发生，且 吸收率及发射率为一常数； ( 4 ) 粉末不吸收来自基体的反光； ( 5 ) 不考虑粉术颗粒的物性参数随温度的变化； ( 6 ) 激光束光强为均匀分布。 根据假设，在时间段( t ，t + a t ) 内，一颗位置在( x ( t ) ，y ( t ) ，z ( t ) ) 的粉末粒 子其吸收的能量为 d q = 口，一p ( x ( t ) ，z ( t ) ) d t ( 2 1 7 ) 其中口，为粉末对激光的吸收系数，p ( x ( t ) ，z ( t ) ) 为激光功率分布，0 为粉末颗 粒半径，在激光束光强为均匀分布的情况下，如果令 ，( t ) 2f p ( x ( f ) ，z ( r ) ) 卉 则 q 2 t 2 ，衫，( f ) ( 2 1 8 ) 根据假设( 6 ) p ( x ，z ) = 只( x r , 2 ) 其中鼻为均匀分布的激光输出功率，为激光束半径。所以有 f ) 2 出 ( 2 1 9 ) 则( 2 1 8 ) 式变为 咖旷雩墨m ( 2 2 0 ) 同理，粉末粒子在该时间段内的散热量为 e = 4 刀；c a ( t 4 一巧) a t ( 2 2 1 ) 其中，盯为斯蒂芬一玻耳兹曼常数，s 为全发射系数，瓦为环境温度，t 为粉末 第2 章激光熔敷中激光束与材科交互作用的理论 颗粒温度。令 q 。= q - e 并且令 q 。- 4 ：n - r ，3 b 。( 瓦一瓦) 盱q 。+ 导咖 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 其中，c ，z ，乇分别为粉末粒子的比热、熔化潜热及熔点温度，p ，为粒子的 物质密度。根据能量平衡得到粉末颗粒的温度为1 t