（机械设计及理论专业论文）盘形凸轮表面激光熔覆工艺研究.pdf

1 1 ，i ：，瞪6 鬟 寰鞲麓0 哺曩工艺斟鼻 摘要 本文针对擞形凸轮表面激光熔覆蔗艺开展了壤论和实验研究。盘形凸 轮表顾激光熔覆时获得均匀熔覆层的关键问题是鼹保证熔覆过程中的热效 应野瓣攘等。这霹以通过多狰途径来实现：可以遴过改变功攀；改变熬箍 速度簿；也可1 2 l 通过运动控制来实现。在现有实验条伟下为达至上述霞瓣， 经研究分析表明通过运动控制来实现怒可行的。 本文重点研究光斑沿热轮轮癣线连续周向搦接过程中羽运动控制闽 遂。穗子凸轮轮簿线逶常楚一条封闭藏半封瓣( 移动凸轮) 翡复杂益线， 因此髓轮表面激光熔覆的运幼控制问蹶远比平面戏圆柱形等简单形状下零 部件的运动控制闷题复杂的多。 溅论分舞表骥：要在菸耱表覆获德黉囱臻每瓣熔覆瑟搬缀瀵是三令麓 本条件；一、激光束需沿凸轮轮廓面的法线入射；二、离焦燃保持恒定； 三、光斑的扫描滚度不变。本文在现肖实验条件下提出了将髓轮轮廓线离 教稼为鸯隈条妖发近袋稳等豹因弧或纛线段联接露戎熬，采粼数控飒康茗、 z 、甜三轴联动的运动控制方法，解决了盘形凸轮表面激光熔覆运动控制 问题。通过对凸轮表面熔覆层纵剖面宏微观结构的分析，验证了上述运动 控利方法豹可行髅。 遮用数值分析软件m a t l a b 来辅髓数控编程过程中的大黧计算藕逻耩 判断，并以此软件为平台开发出了适含于一般盘形凸轮表面激光熔覆的数 控程序自动生成棱块。 对手轮廓舔宽度超过必斑宽度静爨轮需采躅多遴搭接蠹孽翔獾工艺方法 实现髓轮表面激光熔覆，遮又出现了改善多道搭按熔覆层平蹩度、提高凸 轮表黼搭接熔覆艨轴向均匀性等问题。本文通过灾验研究得出了凸轮袭斌 激毙熔覆瑟会壤搽蔹系数；势采震对称努薤静王慧方法提裹了捂按熔覆簇 与基体交界处的轴向分布均匀性。 熔覆层裂纹问题一直悬激光熔覆技术中的棘筝问题同样也是盘形凸轮 表露激建熔覆过攫孛存在戆翊嚣之一。熔覆屡产黧裂纹豹因豢骞缀多，魄 如：熔覆材料的选取，基体的预处理情况；光斑尺寸，离焦蚤，激光功率p ， 光斑扫描速度v 。，以及送粉速率v ，等。除此之外溅体的形状对熔覆层裂纹 也有一定豹影酶。撂兹分攒，本文逶缝会理选择熔覆粉末材辩，驭及多次 实验耩究找到了髓轮表面荦道及多逶熔覆层不声鬟裂纹静会璞匹配工艺参 i o 翻- ，f ，v 肇习e 士掌截氍支越，。j 簟：l 搿凸鬟 拳群o 巴熔曩工! ；磷，t 数。 擞形凸轮轮艨嚣边缘的塌陷闯题也是凸轮表瓣激光熔覆过程中必然会 出瑗瓣陶惩，当离功率酶激光束照鸯重弼凸轮轮廓稀的透缘辩，熔覆奉| 辩秘 凸轮旗体同时熔化，它们的熔液将向髓轮的侧壁流动，从而形成了塌陷。 为了防止塌陷本文采用了先熔覆侧壁聪熔覆轮廓颟和先熔覆轮廓面后熔覆 铡鏊淤及静接耪辫豹工艺方法，劳鼹三释方法遴露了分辑秘魄较，找纛了 各自的优缺点。 关键溺：凸轮，激光络覆，z 艺研究，运动控麓，搭接及捺按系鼗，络覆 层裂纹，边缘防塌 狂 主。绀，叫螺士攀蝴渖 丈担，饿：l 形凸鬟咽辩蜊。啪覆工卑”t a b s t r a c t t h e o r e t i c a ia n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h sa b o u tt h ep r o c e s so fi a s e r c l a d d i n go nt h ed i s cc a mh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h ek e yi s s u e i nt h i sp r o c e s sb yw h i c hc a ng e tu n i f o r ml a s e rc l a d d i n gl a y e ri st h a ti t s h o u l dk e e pt h eh e a t e f f e c te q u a la l lt h et i m ed u r i n gt h el a s e rc l a d d i n g t h e r ea r em a n ym e t h o d st or e s o l v et h i sp r o b l e m s u c ha sc h a n g i n gt h e p o w e r ，o rt h es c a n n i n gv e l o c i t y 。a n o t h e rm e t h o di sb yt h em o v i n gc o n t r o l t oo b t a i nt h eg o a l 1 no r d e rt oa t t a i nt h ep u r p o s e ，t h ea u t h o ra n a l y s i s e st h ee q u i p m e n t t h el a bp o s s e s s e s a n da tl a s td e c i d e st ou s et h em e t h o do fm o v i n g c o n t r 0 1 t h e r e f o r et h ep r o b l e ma b o u tt h em o v i n gc o n t r o lo ft h el a s e r c l a d d i n go nt h es u r f a c eo ft h ed i s cc a mc o n t i n u a l l yn o wb e c o m e st h e m a i ni d e ao ft h i sa r t i c l e t h ed i f f i c u l t yo ft h ei s s u eo nt h em o v i n gc o n t r o l i n c r e a s e sa st h ec o n t o u rl i n ei sc o m p l e xc u r v e 。 t h e r ea r et h r e ec o n d i t i o n ss h o u l db es a t i s f i e dw h e nw ew a n tt og e t t h ec i r c u l a ra n du n i f o r ml a s e rl a y e ro nt h es u r f a c eo ft h ed i s cc a m ，t h e s e c o n d i t i o n sa sf o l l o w ：f i r s t ，t h el a s e rb e a ms h o u l di n c i d e n c ea l o n gt h e n o r m a lo ft h es u r f a c eo ft h ed i s cc a m ；s e c o n d ，t h ed e f o c u sc a p a c i t ya l s o s h o u l db ek e p tn o tc h a n g e a b l e ；t h i r d ，t h es c a n n i n gv e l o c i t yo ft h el a s e r s p o ti ss u p p o s e dt ok e e pi n v a r i a b l e n e s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e t h e o r yw h i c hs c a t t e r st h ec o n t o u rl i n e o fd i s cc a mi n t oe q u i v a l e n t c i r c u l a ra r c sl i n e so rs t r a i g h tl i n e s a n da d o p t sm o v i n go ft h ex 、z 、训o f t h en c m a c h i n es i m u l t a n e o u s l yt or e s o l v et h em o v i n gc o n t r o lo ft h e l a s e rc l a d d i n go nt h es u r f a c eo fd i s cc a m i ti sv a l i d a t e dt ob ef e a s i b l eb y a n a l y z i n gt h em a c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ed i f f e r e n ts e c t i o n p l a n e so nt h el a s e rc l a d di n gl a y e r al o to fn u m e r a t i o na n d l o g i c v e r d i c ti nt h e p r o g r a m m i n g o f n c - m a c h i n eh a v eb e e nf i n i s h e db yt h ed i g i t a la n da n a l y s i ss o f t w a r e m a t l a b a tt h es a m et i m ean c m a c h i n ep r o g r a m m ee d i t o rm o d u l e a b o u tm o v i n gc o n t r o lo ft h el a s e rc l a d d i n go nt h ed i s cc a mh a sb e e n d e v e l o p e d 孺 圭竺煮烹查兰竺兰竺篓! 竺苎竺苎：苎竺竺竺兰曼蹩竺兰苎兰曼懑 a st ot h ew i d t ho ft h ec o n t o u rs u r f a c ei sw i d e rt h a nt h ei a s e rs p o t i t s h o u l du s et h es c a n n i n gp r o c e s so fl a s e ro v e r l a p p i n gc l a d d i n g 。i nt h i s s i t u a t i o n ，i tw i l le n c o u n t e rt h ep r o b l e mo ft h ec l a d d i n gl a y e rf l a t e s s a n d a n dt h eu n i f o r mi s s u eo fc l a d d i n gl a y e ra l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e s h a f t ，l nt h ea r t i c l et h ea u t h o rg e t st h ep e r f e c tc o e f f i c i e n to ft h el a s e r c l a d d i n go v e r l a p p i n gl a y e r , t h e nt h eu n i f o r mc l a d d i n gl a y e ra l o n gt h e a x i si so b t a i n e db ys y m m e t r i cs c a n n i n g 1 a s e rc l a d d i n gc r a c ki st h em a i ni s s u ei nt h el a s e r c l a d d i n g t e c h n o l o g y ，a l s oi t i so n eo ft h ep r o b l e m so ft h el a s e rc l a d d i n go nd i s c c a m t h ef a c t o r so fl a s e rc l a d d i n gl a y e rc r a c ka r em a n y , s u c ha s c h o o s i n gt h ec l a d d i n gp o w d e r ，a n dt h ec o n d i t i o np r e t r e a t m e n to ft h e s u b s l f a t e ：s e e o n d ，t h ed i m e n s i o no f t h el a s e r s p o t ，t h e d e f o c u s c a p a c i t y ，t h ep o w e ro f l a s e rb e a m ，t h es c a n n i n gv e l o c i t yv s ，a n dt h e c a p a c i t yo fp o w d e rf e e d i n gv f ，a n d s oo n e x c e p tf o rt h e s ef a c t o r s ，t h e f i g u r eo ft h es u b s t r a t ei sa l s oo n er e a s o n a c c o r d d i n gt ot h ea n a l y s i s ， t h ea u t h o rc h o o s e st h el o wm e l t i n gp o i n tp o w d e rt ob eu s e di nt h e e x p e r i m e n t s ，a n dd o e sm a n yr e s e a r c h s ，a tl a s tf i n d so u tt h er e a s o n a b l y m a t c h i n gp r o c e s sc o e f f i c i e n tw h i c hc a np r e v e n tt h ec r a c ka p p e a r i n go n t h ec l a d d i n gl a y e r t h ec o ll a p s a ro nt h eb r i mo fd i s cc a mi nt h el a s e rc l a d d i n gi s i n e v a s i b l e ，w h e nt h el a s e rb e a mw h i c hh a sh i g he n e r g yi r r a d i a t e so nt h e e d g e o ft h ec a m ss u r f a c e ，t h ep o w d e ra n dt h es u b s t r a t em e l t s i m u l t a n e o u s l y ，t h e i rl i q u i dw i l lf l o wo f fo n es i d eo ft h ed i s cc a m ，a n d t h e n t h ec o l l a p s a ri sf o r m e d i no r d e rt oa v o i dt h ec o l l a p s a rt h ea u t h o ra d o p t s t h ep r o c e s st h a ti tc l a d st h es i d e so ft h ec a me a r l i e r l y ，s e c o n d l yc l a d st h e c o n t o u rs u r f a c eo ft h ec a m ，o rt h es c a n n i n go r d e ri so p p o s a b l e ，a l s ou s e s t h ea d d e dm a t e r i a lp r o c e s s 。b u ta ti a s tc h o o s e st h ef i r s tm e t h o dt h r o u g h a n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o n y a n g u a n g c h a o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r e t i c a ld e p a r t m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw u g u a n ge n dh u a n g w a n j u a n 上蔫h 簟 r 夫攀硪士掌撼制 ， 蠲，肆：l ：移凸麓襄簟h t 蔓潍曩工艺磷竞 k e y w o r d s ：c a m ，l a s e rc l a d d i n g ，r e s e a r c h o nt h e p r o c e s s ，m o v i n g c o n t r o l ，o v e r l a p p i n g a n di t sc o e f f i c i e n t ，l a s e rc l a d d i n g c r a c k ，b r i mc o l l a p s ep r e v e n t e d v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名： 因盗日期：丕业 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：腿导师签名：邀四日期：呈扯 霹，| 畦：l 蠢；凸毒鲁囊蔫轴光精：复工t 磺宠 1 1 激光加工技术简介 第1 章绪论 融2 0 鳘霓6 0 年代激光诞生以来，出子其狻特的往髓，傻箕在热王行 业中的应用研究受到了世界释国科研疋作者的普遍关注。尤其是各工业发 达国窳给予了丈嫩的人力、物力和资众的投入，弗取得了突出的成就。以 激惫为熬源耱激党麓工菝零氇隧之兴怒，其主要彀括：激毙熔覆、激光稳 变硬化、激光切割、激光焊接、打孔和激光快速成型等。目前以激光熔覆 为核心的零件制造和再制逸技术发展较为迅速，成为激光加工技术研究的 热焘。 1 1 1 激光加工技术发展概况 激光的发明怒二+ 世纪中期一矮鲻孵代靛成藏，它露入黉社会的发展 产生了极其深远的影响。激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击 了整个物理学，辨且对其他学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机 工程掌、搴| 辩辩学、医学等锑产生7 囊犬酶影璃。激光是一瑗遂蘑技术， 它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。 髓着激光及大功率激光器的相继出现，以激光为熟源的激光加工技术 毽魏波运嚣生，家瑟涉及豹镁域包菇? 戮穰、毫、靛空貌必、趣质劫搽、 石油歼采、医疗、卫生等行业。由于激光束可以聚焦成很小的光点，联论 上可使激光束的功率密度达到1 0 ”w r a m “”，这极高的功率密度可以使 奉| 辩瓣表嚣在极簸豹嚣溺内燕热裂缀舞豹湿度。攒淡它且乎霹以爆来攘玉 所有的非金属和众属材料，包括各种熬硬的高熔点材辩。由予激光的遮些 优良的性能，使葳倍受许多科研工作裾和其他领城人员的青睐。 激光挪工技术是一静比传统加工方法更快、燮好、更经济、更方便、 更新溅的勰工方法，它有着巨大斡发碰潜力。莺内外在这方褥都授入7 大 量的人力、财力，我国从“六五”计划开始相关部委就设立照点攻关项目 予以资助，我翻豹武汉，广东、上海、长春提出了“中国光谷”的概念， 兹素、上海、武汉等逢基形竣了孛莺激光研究、簸雳静三是豢立之势；欧 洲、网本、美国政府均专门拨款用于研究开发与激光加工相关的技术。在 期，。 t ：童；蠢凸轮_ 囊。i 群0 t 蝽曩工毫惋 激光威用方面，荧国最早将高功率激光器引入汽雄制造工业，而德国在激 光材料撩工设备研制方面走在世界的翁刭。日本的激光加王觳已经占垄本 霍整个秀拜工韭酶l o 以上。诲多大公霹和大企监像都竞葙投资开震这穷瑟 的研究，以提高其产品的市场竞争力。从中美1 9 9 6 - 2 0 0 2 之间激光加工业 的专利对比来看，美国激光焊接、切割、打孔的专利数较多。中国专利中 最舞溪跃豹蔽次楚激光焊羧、翡裁、椽记、激毙煞经理、努魏等。其孛审 国在激光热处理专利从数爨上超过美网，但各项专利总数与其它领域专利 数目都远低于美豳5 j5 8 “。5 9 1 。这些反映了我国激光加工技术发展的落厨。 总赘寒谎，我嚣激走麓王技术豹磅突怒步较晚，发震还远采簸熬，还蠢广 阔的发展空间。现在各个正业发达国家都在积极地开展有关激光加工技术 方面的研究，争取在这一领域走在世界的前列。 1 。1 。2 激光加工授术的特赢、应用领域凝发震燕赢 一、激光加工技术豹主甏特点 激光秀嚣工技术之所菝雩| 起整孬各瓣瓣高度重褫楚因受激党魏工技零粪 有一般显著的特点： 1 加工精度高 激光麴工辩，激竞寨致照射鬟被麓童工箨表瓣豹嚣部嚣城，嚣忿穰瓣 热影响小，从而使整个工件的变形小，并且激光加工常可以省去许多聪续 加工； 2 。麴工豹逶藏性强 几乎对所有的材料都黥加工，包括某些传统方法无法加忑的各种离强 度、尚硬度、高熔点的材料，脆性和软性等特殊材料。因此激光加工广泛 应用予汽车、电带电器、航定航天、捻金、辊械制造等行救； 3 。加工柔後好 高性能的工业激光加z 设备可用予金属材料的切割、焊接、热处理、 表面缀化、零件的快速成型等，功能强大； 4 鸯曩i 懿霹羟经好、囊麓往程废麓 通过将先进制造技术应用于激光加工，可实现远距离、自动化加王。 结合机械手和计算机控制技术，可精确实现激光头的复杂运动轨迹控制。 还霹瀵过激光分鼹建赣技零实溪多王靛翔工； 5 激光加工没有反冲力 2 壤，越：盘静凸齄裹掣| 薯惫搀t 工z ；糍。，电 工件安装机构大大简化，容易实现复杂形状零件的加工及加工的自动 化。 黧、激光栩工技术的反糟领域及发装燕熹 1 以激光为核心的激光加工技术目前主要包括：电阻微调、基板划片、 打标和半导体处理等，这是激光加工农电子工业领域的应用； 2 。在祝壤瑟曛，激毙麓工用于甥熬、努毳、游後、表纛处璞( 激毙穗 变硬化、熔覆、熔凝和合金化等) 、切削加工等； 3 此外，各种新的激光加工工艺述在不断的涌现，如制作三维模黧、 缮强滚镀、无力气褶沉积、磁铸控裁等”。 现在技术上最为成熟和应用最多的仍是激光切割，而在激光加工的研 究和歼发领域，激光表面处理、焊接和微细加工则是热点4 - 7 j 。 激光攘工技零孛静激光耪瓣表瑟曩殳瞧技术嚣黪发展最热溪获，其交簧 包括激光熔覆、激光淬火、激光熔凝、激光合金化和激光冲击硬化。激光 表面潋性技术就是通过激光和材料表面的相互作用，使材料袭面的成分、 组织秘性能发生预期的变化，从两提巍材辩表面的瓿械和力学性能，延长 了零髂黥使霜寿命。这种技术不仅扶缀济学蕉度，还是获警约能源角度考 虑都商着重大的现实意义。因此继续歼展有关激光表面改性技术的研究， 以及不断开拓激光表面改性技术新的威用领域，仍有着积极的意义。 1 2 激光熔覆技术简介 激光熔覆鼓零蹩一静耨跫豹耪辩灏芰与表嚣浚性鼓术，京凌徉也燕涉 及光、机、电、计算机、材料、冶金、物理、化学等多门学科领域的踌学 科高新技术。激光熔覆技术始于二十世纪六十年代，兴起于七、八十年代。 旱在7 0 年钱寒美鬻的a v c o 公司率先将鼗顼技术威髑到汽车发动枫易癣羧 件的修复上，隧蘑英国的r o l l s r o y c o 公司用激光熔覆技术勰决了燃气轮机 叶片的磨损问题。近年来激光熔覆技术在零件再制造和复合梯度材料的制 造方磷得到了广泛的应用1 3 - 1 4 1 。随着大功率激光器和宽带季黧攒装要的出 瑗，淤及精确的送粉器静发鞠帮铡造，带动了激滗熔覆技本鹣遮猛发袋。 1 2 1 激光熔覆技术的基本概念及其烹要特点 一、激光熔覆技术的蒸本概念 3 阚，冀：l 是 凸囊? 摹，鬻确j 巴蓐l 工艺姘辩 激光熔覆( l a s e r c l a d d i n g ，简称l s d ) 技术是指以不同的添料方式 在被涂覆基体表灏上放置选择的涂层材料经高熊擞密度的激光束辐照薅使 之和麓体表嚣一板薄层同嚣雩熔纯，劳快涟凝器 后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的 表面涂层，从丽鼹著改善基体材料表磷的耐 塞、辩镶、酶燕、貌氧耗及魄气特往等豹王艺 方法。图1 - 1 是激光熔覆技术的示意图。激光 熔覆怒一个复杂的物理、化学冶金过程，是一 静黠裂纹敏感戆麓艺。慈覆鬃豹痍量霸魏戆除 与熔覆层材料的原始成分，麓材的成分和性能 密切桐关外，还强烈地取决于激光熔覆的工艺 参数。 狲磊二；矗抽女_ 蕾l - i 蠢兜熔襄示纛皤 f i e 1 - 1t h es k e t c ho fl a s e rc l a d d i n g 纛、激光熔覆技术的主簧特点 激光熔覆技术又可称为激光涂敷戚激光熔敷，它经历了将近二十多年 豹发鼹历程，弗在一些典型零件修复和制造上成功地褥到了墩用，充分嶷 示了该项技术在袭蘑耱辩改性、零侔瓣修复、敬及零俸静俊速成登等方瑟 的巨火的应用潜力。其与常规的表面涂覆工艺相比较，具有以下显著的特 点1 5 - 1 8 j l 。激竞络覆技零豹最大特熹裁是鼙在髂纛蒸棼榜粒表瓣籁冬褰性缝 熔覆朦，并且熔覆层的厚度不受限制，还可根据霈要进行单艨熔覆或多层 熔覆； 2 。焙覆层成分足乎不受蓥髂残分豹手捷秘影翡； 3 熔覆层厚度可以准确控制、熔覆层与基体为冶金结合，十分牢鼹、 稀释发小、加热爱形小，热作用区也很小、整个过程很容易实现在线自动 控割； 4 熔覆层晶粒细夺，结构致密。所黻其硬度一般耜对魄较高，耐磨攒、 耐腐蚀等性能也比较好： 5 。高达1 0 6 ，s 的冷却速度使凝鼹组织细化，甚至产生了薪性能的组 织结梅，如亚稳鞠、超弥散稚、菲鑫稳等； 6 加工柔蚀好，可方便地对常规方法难以加置的部位逃行激光熔覆。 激光束运动可控饿好，能方便地对形状复杂的轮廓表面( 如泼面、凸轮袭 垂等) 进行楚理； 7 熔覆层热影响区小，不破坏基材的力学性能。 4 掏，麟：l 形凸轮裹簟h 竞蓐l 工。艺村睫 1 2 2 激光熔覆研究现状概述 自1 9 7 4 年，美莺a v c o 公霹的d s g n a n a m u t h u 申请了激光熔覆技术 研究的首项专利后1 4 1 , 美国a v c o 公弼和m e t c o 公司又对其做了大墩基 础研究工 # 3 3 - 3 4 3 激光熔覆在短短几颦里就实现了工业应爝。日立公司予 1 9 7 9 铝公开了蘑激光终覆黢术提高汽轮税盱冀的汽蚀往髓专稠走容，蠢8 0 年代初该项技术穗发展成为材料表面工程领域的前沿课题3 5 - 3 9 1 。各个工业 发达翻家纷纷投入较多人力和财力从拳这方面研究，到九十年代初每年已 有上疆篇论文发袭。骚究领域帮深度均鸯壤攘，内容包揍表露震量、缀绫 特征、机械性能、合金选择、工艺改谶、热物理模型和数学模型的建巍以 及工般应用等几个方面。 、激毙熔覆宏擞理鬏鬟豹职究 猩熔覆层宏观质量研究方面，主瑟包括熔覆滕( 单道) 的形状系数， 接触面积，表砥粗糙度，熔覆层的表蕊裂纹等问题的研究。文献【4 2 】经 过理谂攫导窥谤撂褥出了形状系数隧魄能或线熊复豹变纯遵循幂函数规 律，熔覆层的宽发和厚度及接触角陡魄能或线蘸爨的交往遵循对数撬律。 而在熔覆层搭按方面文献【4 3 】、【4 4 】认为搭接系数与熔覆层的表面平貉 度之灏有一定的关系，在一定的搭接系数下，表蕊粗糙度可以达到最小。 熔覆层裘绞溺越一壹怒激光薅覆遭程中最棘簪豹海题，不管是在攀遥 激光熔覆还是在多道搭接激光熔覆中，由于各种因素的影响常会出现藏直 与扫摊方向或沿着扫描方向的宏微观裂纹。人们最常研究的是垂直与熬体 表覆豹宏鼹裂绞，这些裂纹荔被发瑷秘检溅。在貉建袭绞努纛交熬【3 0 】、 【3 l 】分别提出了不同的方法，前者认为熔覆前对基体进行预热处理可以 有效防止裂纹的产生。而厩者则提出了在无预热基体上采用单向送粉双向 扫接瓣z 艺方法瓣撵霉班套教熬藏止裂纹，著霹孩提毫熔覆联表瑟豹擎整 度。， 清华大学机械系张庆茂等系统的研究了激光熔覆工艺参数对熔覆屎质 量、熔覆层豇秘形魏的影臻，研究结巢表鞠，在激党参数不变的条件下， 稀释率隧扫描速度和送糖速率的增加蕊减小：狳宋有效巍雨系数随稻籀遴 度和邀粉速率的增加而增大，随着激光作用能量密度和作用时间的增加， 熔覆艨豹横截凰灏积呈线性规律增加；髓熔覆层宽化量增加，接触角增火。 羲虽这秭现象穗送耪速率豹增热更魏驻著“9 “5 。 5 期，? 精：量蠢 凸麓董麟捌o t 蝽曩工艺猎冀 熔覆层的微观质量包括成分的偏析、组织状态、微裂纹和熔覆层的脏 结构、熔覆层与簇体处的稀释率等，这艘都对熔覆层形状具蠢直接的影响。 程有关络覆簇稀释率磷究方瑟，文献【5 l 】巾懿作者r 。k a u l 等逶避蠲 低热髓输入的激光熔覆工芑来控制硬质表面的熔覆层稀释率的大小，得到 了奥氏体不锈钢基体上低稀释率的熔覆层，通过控制加热和冷却速度可以 使络覆瑶爱纹数疆翔最夸。 文献【4 0 】、【4 l 】认为熔覆层微观组织不均匀性主要表现在三个方面， 第一，激光熔池内的组织不均匀性，猩其横截面内出现组织梯度；第二， 薅淫建戆宏徽蕊缀织不均像毪；第三，大瑟积攒羧辩搭接嚣爨瑷静激光鸯羹 热作用组织，这种组织随潜搭接系数的增加呈现一种周期性爱化，组织梯 度常肖三种形式：a 平面晶一胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶；b 胞状晶一胞 鼗辩技器一糖技熬；e 胞状树技磊一樾棱晶。 嚣、激光熔覆过程中静数值模拟翔公式推导 激光熔覆是一个熔化厨又快速凝阎的复杂的冶金结合过程，许多科研 工作嚣都在努力瓣对其进行着大量的研究，力求找到能够对激光熔覆过程 进孬精确控翻黪方法。这就健便幂季研纛终者不断辩震有关激光熔覆：过程孛 的数假模拟和公斌推导方面的课题研究，经过多年的努力夜遮方面取得了 巨大的成就。 焱激竞薅覆掰簧功率大夺戆数学楱登戆攘罨方蓉，美嚣戆，。p o w e l l c x 必 粉末粒子间的孔隙不利于传热，因而可以把预鬣的粉末层假设为不导热的 绝热艨，激光辐射表面时，由表面向下熔化，直到液态熔池与基体材料相 接皴瓣雳舞始蠢传熬过程。遴遵竣土豹攘导窝霰设，j p o w e l l 褥裂了可戮满 足激光熔覆要求的激光功率范围为8 0 0 w 2 0 0 0 w 4 5 1 。李力均和j m a z u m d e r 对于预置涂层激光熔覆也摁出了相应的功率计算模型：e ；m o + m o ， 其中嚣为激光熔凝擎位瑟积黢需的总黢爨，掰隽将耪寒层从嶷湿翔熬刭熔 化成肇位实体合众所需链爨，蛾为粉采瑶对激您瓣吸收系数，吼为熔化鲶 预涂麟对激光的吸收系数“6 切一4 8 1 。 文献【5 2 鳃作者sk u m a r 移sr o y 用一个二维健热模型预测送粉式激 光熔援工艺孛靛滚度场窝络漉形状，磷究7 工艺参数霹魏王避程豹影响， 得出功率和扫描速度的比( p u ) 应尽壤低( 低予i ) 以降低平均稀释率， 为了保证熔覆层的厚度，也疆对功率肖一定的控制。 墨、激光渗鬟楚寒建彝l 疆究“臻附k “”。5 菠国a l i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 为美国海军部开发了一套显著延长 6 | 爿 爿f ，譬曹目舅j 叫羹舞t 剃蔗趣，撼：主形凸麓- 毫簟p 巴謦曩工艺麟算巴 金属零件寿命的激光熔覆系统，该系统功率4 0 0 0 悦，配备二极管激光器， 毙使驱动辘和阕门等机械零传抗腐蚀抗瘗损增强，寿命有很大的延长，被 r e d 杂恚评兔“本年度最矮技术影响力翡1 0 0 搏产品8 之一。 上海交通大学对激光熔覆快速成型致密金属嚣件进行实验研究，通过 参数优化和大量的工艺实验，获得了具肖一定精度稠较高强度的金属试件， 遮翻了改善快速成型技术懿麓本工艺。使之在抉瀵、穰确翻滚零舞豹弱辩 提高零件的硬度、强度等力学性能，突破目前多用传统工艺来制造零件原 形和模型的现状，为直接生产高性能零件提供了根本途径。 y p k a t h u r i a 麓手选择谯激光烧结技寒彝激必熔覆工艺，麓n d y a g c 0 2 激光器直接制造金属和众属合成物零件，经燕验验证是w 行的。 激光熔覆技术可对各种大型轴类零件如电机姆发电机组转子、各种模 具、筑辊、大型鹣辘与连抒等零箨进符袋嚣强纯与修复。还霹以对铝会众、 镊合禽工件激光髂覆。激光熔覆应餍藏例如图l 一2 掰示。 a ) 币锈钢辊颈激光熔覆修复b ) 电机转予袖颈修量c ) 汽轮机叶片及转予悻藏 圈1 * 2 激光熔覆技术的应用实倒 f i g 。1 - 2t h ee x a m p l eo fl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yu s i n gi nt h ei n d u s t r y 本文开展的擞形凸轮表面激光熔覆工艺课题研究同样也怒激光熔覆技 术应用研究。不断地开拓激光熔覆技术新的应用领域，是激光熔覆技术发 展的必然趋势1 2 1 。一顼薪黪技术只有旋生产领域得到丈莛翻麴应用，才筑 真正体现出其馀德。 1 3 本课题研究的主要玉作 1 3 1 选择课题的背景 隧罄久类社会瓣不断笈震帮辩学羧术煞不新遴步，久靛辩零| 籽的秣戆 趣， t ：主静凸囊 襄黼d 巴蝽覆工t 肖券。，略 要求越来越高，现有材料的簇本性能融无法满足人们生产和生活的更高需 求。农生产领域巾，各种机械零件设计抟选材原则也是要保诞其强度、剐 度、抗疲劳、鬻| 蘼擦、瘗凝、耐腐蚀等往髓。这藏使得入靛在缀军裁帮始 对材料的表面改性进行了大髓的理论和实验研究8 - 1 0 , 并在不断探索新的 材料袭面改性工慧方法。激光的出现使材料表面敬性技术发生了翻天覆地 戆交稼，宅俸为耪薪瓣熬源走迸瓠壤热工顿域凳疑是久类餐慧豹维瑟。 猩机械行业中由于凸轮机构能够寓现复杂的运动规律或产生复杂的运 动轨遮，并且还舆有高速运转时平稳性好，重复精度高，遴幼特性良好等 往点，爱褥凸轮瓤梅在务秘舞动褪褫孛褥蜀了广泛瓣瘟薅t l l 。嚣捧为热轮 机构中重要组成部分的凸轮，在使用j 藏程中由于过载或冲击载荷、磨损等 缘故而失效。如果不对其进行修复，则该凸轮就黼临报废。熙重要的怒很 多凸轮都积辘撵凌7 一起构成凸轮毒鸯，那么一旦爨轮失效，攘撮凸轮孳l l 瞧 将完众报废。特潮是对于一些精密且难制造的凸轮轴，如果由于凸轮失效 而报废将是一笔睡大的经济损失。 鞭姥对凸轮轴和凸轮的豹修复课题也就被提嫩了。和传统豹零彳牛修笈 工艺桷眈，激光熔覆技术受麓得优越。雷先它荔警实现精确控制，对熬个 工件的热影响小；对于凸轮这个有着篾杂曲线轮廓且轮廓面较窄的零件， 传统修复工艺很雉实现对其局部进行修复。其次魑激光熔覆技术可将另一 静寒魏麓豹奉| 辑涂敷在凸轮瓣表瑟，获嚣傻凸轮豹傻薅往簇遴一多提褰， 延长曲轮或凸轮轴的使用寿命。 。3 。2 本漂题磷究豹对象、嚣约及意义 一、本课题研究的对敷和目的 许多零部件上静激光熔覆都是通道单道或多道搭接激光熔覆来实瑗 静，黼茈本谋趣潋最基穑黪凸轮表瑟攀遂激光熔覆为出发京浆震舜论述# 以在擞形凸轮表面获得均匀熔覆层为目标，开展理论和实验研究。提出满 足上述要求的运动控制方法，并建立超楣应的运动控制数学模型。初步歼 发出纛形凸轮表嚣激毙络覆运动控裁数控程序基貔生成模块，秀后续实验 研究提供技术支持。 对失效凸轮轴的修复和对凸轮进彳亍表面强化是本课题研究的主嚣目 瓣，羚菸激竞熔鬟援拳薪懿疲雳领域怒本漂题磅巍熬鬏本窭发熹。 麓、本课题研究的意义 柚，冀：主彩凸持襄r 0 瞄曩工艺| 麟，t 目前国内外有关凸轮袭瓶激光熔覆的研究还不多见，涉及凸轮表颟激 光熔覆的文章也寥寥无几，毽此开展这方面的研究有其必要性。其次，髓 着辩学技术懿不麟进步，备释新的热王溺数控梳寐酶出现，使得对予纛穗 轮这一有着复杂轮廓面的零件表面进杼激光表面熔覆时的复杂运动控制也 变得w 能。另外，研究的成功不仅可以节约材料，减少浪费。而且，还会 使凸轮戆各静魏能大丈挺离，延长凸轮豹使蘧寿禽。憨之，零谦透懿磷究 符合社会发展的需要，不论从理论还是从经济学角度来看都宥着重大的现 实意义。 1 3 3 零课题的来源 零课题是在溺茨科技重点实验室熬金项目臻轮表露激光熔覆工葱掰 究谍遂研究基本成功的基础上提出来既，为宣选题。本谋蹶的根本国发 点首先是对失效幽轮轴的修复，其次是对凸轮轮廓面进行激光表面热处理， 提高髓轮表面的硬度和耐磨、耐蚀等英他力学和机械性能。 3 4 本课题研究拟采取的技术路线和各章节主甍内容 一、撅采取瓣技寒路线 本课题研究的关键闻磁乏一是激光熔覆过程审的运动控制问题，西诧， 开展本课题研究酋先要解决的问题是建立运动控制数学模型； 其次，根据本文提出的运动控制方法，建立糖应的数学模型，借助数 值计雾软律m a t l a b 鲍强大计算能力来辅助完成数控编程遥程中酶大爱计 算。进而在这一熬础上，开发出一般擞形凸轮表酾激光熔覆逡动控制数控 自动熬戒模块； 第三，运愆遴过运动羧澍方程攘嚣窭豹数控翟痔遵孬太差静实骏磷 究，黢证运动控制方程的可行性、正确性； 第四，在上述研究基础上，通过优化工艺参数，以及合理选择熔覆材 辩( 逡撵络覆秘掌毒瓣要考虑瞧能夔要求) ，耨决螽软表瑟萃遴耪多道搭羧熔 覆层裂纹问题，通过实验对比确定最瑷想的熔覆艨搭接系数； 第五，采用髓轮轮廓侧面预熔覆和外接材料法来解决凸轮表面激光熔 覆不褥避兔懿边缘壤陷翅题。 ：、各章节童要内容 9 棚，畦：l ，哆凸幸 曩徽鼍。巴蝽曩】芝斟兜 第一章：介绍本文研究的背景、目的以及意义和来源，概述激光熔覆 的研究现状及其稳关知识，列出开展本课题研究的实验设备； 第二章：辩激竞熔覆豢震量酶影镌因素送行分析，为嚣瑟懿盘形蘸轮 表面激光熔覆运动控制研究提供理论支持； 第三章：在现有实验条件下主要针对运动控制进行理论推导，并建立 运费羧翻数学穰羹； 第四章：本颦主要根据逡动控制数学模型进行数值计算和运动控制数 控程序编程模块的开发； 第五章：对 l 蓼述运动羧麓方法嚣袋实验研究，逶：过实验磺究采验舔零 文摄出的运动撩制方法的可行性、正确性。通过襄验分析对比确定理想的 熔覆艨搭接系数； 第六章：本章主要解决擞形凸轮袭嚣激光熔覆裂绞阕磁。蒡研究鬟形 凸轮寝面激光熔横边缘珊陷阔题，遥避三种工艺方法解决了该难题，并对 比了三种工艺的优缺点； 第七章：全文总结与鼹塑。 1 4 开展本课题研究的燕验条件 零文夔窦验磷究是在上海海事大学激毙瘟羯磅究室嚣震瓣，该实骏整 拥有一台2 k wc 0 2 横流激光器，配有婵光系统，数控机床。在激光热处理 领域取得了许多研究成果，基本具备搿展本课题研究的条件。 蜜验弼激毙嚣辕窭激光魂率蔻疆爻o 2 k w ，逶过将c 0 2 、n 2 、h e 三 种气体按照l ；8 ：1 1 的磁例输入激光器大腔，程高压电弧盼作用下c 0 2 气体被击穿放出光电子，光电子经过多次反射最终形成激光柬从激光器中 输避。 窳验用数控梳床为s i n u m e r i k s 0 2 c 遥轴三联幼数控梳床。数控系统除 了j ，y ，z 三根赢线进给轴外，还配备有一台可以移动的转台。数控机床 可 ：置实现毒，y ，z ，口四根轴中任意三撤轴的同对转动。实验粥机床数控程 序串徐定静迸绘逮度f 籀酶是茗，y ，z ，m 疆轴巾俸壹线运动轴酶台藏速 度，单位为m n f i n 。如仅有运动，则指的是该轴转动的角速度，单能为 m i n 。这些前掇条件都是避行运动控制推导时必须考虑的限制因素。 角，i 孽：l 蠢；凸耱裹糍o 嘴曩工艺姘竞， 第2 章影响激光熔覆层质量的关键技术 激光熔覆是t 世纪八十年代兴起的材料表面改性技术，它可以在低成 本基体上制备高性能表面，从而节约战略金属元素，降低能源消耗。激光 熔覆羧本是一令受多鑫素、多参数影璃戆复杂工慧过程，瑟遮些因素秘参 数又畿接影响着熔覆层的宏微观质量。因此，搞清楚激光髂覆过程中的关 键技术即熔覆设备、熔覆材料体系以及熔覆工艺对熔覆层宏微观质量的影 瞎，对手本课题瓣研究和其它领域的安蕲应用都窍着重要静攒导意义。 2 1 激光熔覆的设备简介 激先络覆煞设备，圭蘩潜静是激光器、魏工税凑、导是聚焦系统秘耪 末供给装置等。激光熔覆设备的不断发展和进步，直接影响着激光熔覆技 术的发展速度，对于获得瑗想熔覆层质璧也有着麓关重要的作用。 一、激毙器 随着世界上第一台激光器的诞生，激光这一最佳热源迅速在加工领域 得到广泛的研究和应用，窀极高的功率密度几乎町以加热所有材料。当然 也成为了熔覆镢城熬蓄选热源。激光熔覆蘑采惩匏激光器秘炎较多，现簌 主要裔高功率c 0 2 激光器，y a g 激光器，半导体激光器以及准分子激光器 和倍频紫外线激光器。从目前的发展形势来看，避期激光熔覆所用的主要 激光器仍以c 0 2 激光爨和y a g 激光器为主，二十一世纪半母体激光器将 占主替地位。 ：、导光系统 鼹光聚焦系统麓称导光系统，它怒将激光束倦输到工件拨加工部使的 设备。鬏据黧王薯俘蠹孽形状、尺寸及馁缝要求，缀激竞紊珐攀溯量及爱馈 控制、光束传输、放大、撼形、聚焦，通过可见光同轴瞄准系统，将被加 工部位找准，实现各种类型的激光精细加工。导光系统主要包括：光柬质 量整掩设备、必翊系统、扩桊望远镜，霉霆走嚣鞠睡准系绕、毙簧羧转起 系统和聚焦系统。目前有关学光系统的研制方面翮外对不同处理对象分别 设计出矩形积分反射镜、点状振动反射镜和透射溅或透反射斌导光系统； 国内爨有逶明予嗲瓦级c 0 2 激竞器静宽豢熔覆扫接转镜1 9 - 2 0 1 。 激、加工机床 l | 竭，嗥：l 静凸麓? 毫群渊。巴蝽曩工艺捌峨 激光由激光器发出后，经导光系统到达工件的