单元设计--激光熔覆成型（LCF）技术检测控制及质量评定

1、浙江工贸职业技术学院单元教学设计2016 2017 学年 第 二 学期课程名称： 3D打印工艺实践 授课班级： 任课教师： 金露凡 所在院（系）： 材料工程系 单元序号及单元标题： 激光熔覆检测控制及质量评定授课班级光机电应用技术上课时间2课时上课地点多媒体教室教学目的了解掌握激光熔覆成型过程中影响成型质量的因素学会激光熔覆成型过程中的各种监测方法和控制方法能够对熔覆成型质量结果进行评定教学目标能力（技能）目标知识目标成型过程中的各种监测方法和控制方法对成型质量进行评定影响成型质量的各种因数重点难点及解决方法重点：对成型质量进行评定难点：成型过程中的各种监测方法和控制方法解决方法：结合视频实例

2、进行讲解。参考资料1. 吴怀宇著.3D打印三维智能数字化创造. 北京：电子工业出版社 ， 2014.012. 杨继全等编著.三维打印设计与制造. 北京：科学出版社 ， 2013.113. 魏青松编. 粉末激光熔化增材制造技术. 武汉：华中科技大学出版社，2013.064. 美胡迪.利普森等编著. 3D打印技术. 北京：中信出版社 ， 2013.045. 史玉升著. 粉末材料选择性激光快速成形技术及应用. 北京：科学出版社，2012.096. 史玉升等编著. 激光制造技术. 北京：机械工业出版社， 2011.127. 周建忠等编著.激光快速制造与应用. 北京：化学工业出版社 ， 2009.02单

3、元教学设计基本框架第一部分：组织教学和阐述本部分知识的总体概况 （时间：2分钟）1、回顾激光熔覆成型（LCF）技术的基本原理、特点、系统及各个组成部分和应用2、总述本次课学习 激光熔覆成型（LCF）技术的所用材料体系、材料选用和材料预处理方法和过程。第二部分：学习新内容【步骤一】说明主要教学内容、目的 （时间：3分钟）教学内容：激光熔覆成型（LCF）技术的所用材料体系、材料选用和材料预处理方法和过程。教学目的：了解激光熔覆成型（LCF）技术材料体系；掌握激光熔覆成型（LCF）技术材料选用规则；了解激光熔覆成型（LCF）技术材料前处理及预处理过程；【步骤二】 新知识的引入 （时间：40分钟）激光

4、熔覆快速成形过程中材料的逐层堆积实际上是激光束、粉末材料与基材相互作用的结果，成形过程的持续稳定进行受到很多因素的影响,包括激光参数：激光功率、光束模式、光斑直径、光波波长；熔覆材料与基体材料的材料特性；加工工艺参数：光束扫描速度、同步送粉速率、多道搭接时的搭接率、激光头到熔覆体顶层的距离（决定离焦量大小）、单层堆积高度Z 等；环境条件，包括保护气体、基体预热、冷却条件等；零件尺寸和形状造成的成形条件（如传热条件）在不同部位的改变；叠层制造引起的温度和应力的累积。然而，在实际的成形过程中，非人为干扰的因素变化可能引起成形过程的波动，这一点几乎是不可避免的，所以从某种意义上来说，激光熔覆快速成形

5、过程具有一定的不可预知性。因此，如果对激光熔覆快速成形的过程进行检测，并进一步进行智能控制，将外界干扰控制在一定的范围内，则对最后的成形结果具有非常大的意义。对激光熔覆快速成形过程的实时监测闭环控制的研究方法主要有以下1. 熔覆层厚度的实时检测。2. 沉积高度的闭环控制。3. 熔池温度的实时监测与控制。4. 粉末输送的监控。(1)熔覆层厚度的实时监测闭环控制系统金属粉末激光成形过程中，熔覆高度是由多个激光参数共同决定的，激光工艺参数对熔覆高度的影响呈非线性变化，且各参数之间具有复杂的耦合关系，难以建立统一的数学公式。参数的不稳度往往造成实际成形熔覆高度与预先设定的分层厚度不一致，这种状况如果得

6、不到及时的调整，就会由于参数之间的耦合作用而产生恶劣的连锁反应：成形是在激光负离焦状态下进行的，当实际成形高度小于分层厚度时，累积加工数层之后，造成负离焦量减少，随之带来的是光斑面积的减小和激光功率密度的增强，对熔覆的外观尺寸以及内部组织性能都有一定的影响；反之，当加工的熔覆高度大于分层厚度时，在多层成形之后就会造成激光能量不足而导致粉末无法充分重熔凝固、粉末难以实现冶金结合，也会对成形零件的内部组织性能造成影响。激光快速成形是叠层制造的过程，因而单层熔覆厚度是一个非常重要的参量，实现这一参量的精确控制对于提高 z 轴方向的成形精度以及降低成形件表面粗糙度有着重要的意义。然而，熔覆层较薄，要实

7、时精确的检测出来难度很大。美国 Sandia国家实验室的 Gniffith，利用激光三角测量原理对熔池附近已熔覆点和未熔覆点的高度差进行实时检测，得到单层熔覆厚度，通过层厚信息反馈控制激光功率或扫描速度实现了单层熔覆厚度保持恒定并与设定值相等。这套装置检测精度较高，但结构相对复杂，同时对成形件的几何形状及光束扫描方式的选择有较大的限制。(2)堆积高度的实时监测闭环控制系统美国密西根大学 J.Mazumder利用熔池的自发光、小目标的特性发展了沉积最大高度制系统其监测装置结构简单、易于实现。即将来自熔池的特定波段的光投射到有小孔的挡光板上，当成形件高度达到预定的高度时，熔池发出的光将通过小孔投射

8、到置于挡光板后方的光敏晶体管上产生电信号，在后续的沉积过程中，在已达到预定高度的区域停止沉积、使该处不再提高、直到成形件各部分高度均匀一致。(3) 熔池温度的实时监测与控制：非接触式红外测温技术实践及资料证明，溶池温度是影响成形零件质量的一个重要因素。温度决定了融池的大小，温度过低，熔池捕获的粉末很少,而且金属粉末不能充分熔化,造成成形熔极层宽度和高度的不均匀，未充分熔化的粉末粘接性差，与已熔化粉末结合在一起以球状方式聚集，严重的影响了零件内部组织性能；温度过高，熔池尺寸变大，同样也影响熔搜轨迹的均匀性，且过高的温度有可能损害到零件已成形部分，因此对加工过程中的溶池温度进行监测及闭环控制是改善

9、成形零件质量及精度的一个重要方法。激光功率、扫描速度和送粉速率都影响到溶池的温度，激光功率偏大，扫描速度偏低，送粉速率偏小，则熔池的温度具有偏高趋势。目前,许多研究者利用非接触红外测温技术对熔池温度进行实时测量,指出,双色红外测温仪以其较强的适应性和抗干扰能力,在激光快速成形的恶劣条件下,测量结果具有较高的准确性。在开环控制条件下，对熔池温度进行实时监测，发现熔覆过程中，不仅每一层激光熔覆时的熔池温度不稳定，而且随着熔覆层数的增加，总体上表现出温度累积效应，对成形质量有较大影响。为此，建立了熔池温度的闭环控制系统，通过实时调整激光器的输出功率实现了对熔池温度的控制。在整个成形过程中熔池温度基本

10、保持不变。采用该控制系统能够有效抑制因温度累积效应所造成的薄板试样在高度方向上上粗下细的现象,获得了在整个高度方向上均匀一致的几何尺寸。（4）粉末输送的监控：粉末流量控制装置送粉方式也是一个影响熔覆层质量的因素，送粉方式有两种，侧向送粉和同轴送粉。采用侧向送粉时，基体运动方向的改变导致局部熔覆条件的完全不同。例如,当粉末从基体运动的一侧送出时，熔覆粉末在熔化的轨迹和基体形成的拐角处临时残留。而同轴送粉方式由于粉末与激光束同轴传送,在与激光束垂直的平面上,基体的所有运行方向是相同的。因此在复杂零件加工时，同轴送粉明显要好于侧向送粉。激光快速成形熔覆层质量(如表面粗糙度)很大程度上取决于送粉过程是

11、否稳定,此外,送粉率的精确控制也是制造梯度材料零件的基础。DongmingHu等13利用如图6所示的粉末流量检测装置对送粉率进行实时监测,其工作原理是:发自二极管激光器的激光束穿过玻璃管内的粉末流后被一个光电二极管接收,由于粉末对激光束的漫射、吸收和反射,当粉末流量发生波动时,光敏二极管上接收到的激光束能量将改变,从而使输出电压改变。通过掌握输出电压和送粉率之间的关系就可以间接实现送粉率的实时监测,进而实现对送粉流量的闭环控制。美国Sandia国家实验室、J. Mazumder等5,9,14的送粉设备中都发展了类似的装置,使零件的成形质量得到很大提高。在实现送粉率实时监测与闭环控制的基础上,对

12、制备梯度材料的多路送粉闭环控制系统进行了研究，最终实现了梯度材料零件的制备。【步骤三】新知识的引入 （时间：40分钟） 激光熔覆成型质量评定激光熔覆作为改善材料表面性能的一项关键技术，目前其发展日趋成熟。 不过现在针对激光熔覆的研究绝大多数是站在研发者的角度着重于试验过程， 而从应用者角度对材料的表面质量进行综合评价与质量分级的研究很少， 对于激光熔覆后形成的熔覆层的表面质量评价更少了。 熔覆层质量的综合评价几乎没有相关文献， 激光熔覆涂层质量大都凭借质检人员的经验以及单项的指标数据进行判断， 一则是评价不科学系统和普遍应用性不是特别强，二则很难形成可靠的评价标准与对产品进行质量分级。激光熔覆

13、后获得的涂层表面较为粗糙， 不适合用粗糙度来表述其质量，因此引入平整度 S概念，即熔覆层表面凸起与下凹之间的差值，针对气孔、形貌烧蚀、未熔大颗粒等涂层缺陷，一方面由于这几类缺陷是激光熔覆中较为严重的缺陷形式， 另一方面由于这几类缺陷没有较好的量化标准。 所以在这几类缺陷出现的涂层中大部分视为不合格品， 只有缺陷极少且不影响涂层使用性能的情况下，才可视为合格品。 另外，这里需要特别解释的是未熔颗粒，由于金属材料的熔点极高，所以在激光熔覆形成的涂层中， 在一些情况下会出现金属粉末未熔大颗粒，虽然试验中使用的是微粉，粉末尺寸很小，但是一些未熔大颗粒依然会影响组织特性，是不允许的 。指标二，尺寸指标尺

14、寸指标是指厚壁的均匀度，壁厚均匀是高质量激光熔覆成型件的另一大表现它分为第一，高度尺寸，及每一层的高度应在设计范围内，尤其在如右图所示的ABCDEFGH这几个不同的位置上，它的熔覆高度应保持相等第二，平面尺寸，及每一道的宽度应保持一致，同样在ABCDEFGH这种不同的位置，如拐弯处、直线处以及拐角处，它的熔覆的宽度应该保持相等激光熔覆成型质量评定方法。评价熔覆层开裂敏感性的评价方法一般采用单位长度裂纹数量的多少或裂纹长度来表示，即裂纹率。第三部分：总结、布置作业、说清楚作业的要求 （时间：5分钟）总结：本次课主要讲解了激光熔覆成型过程中影响熔覆成型质量的几个因数，包括激光参数：激光功率、光束模式、光斑直径、光波波长；熔覆材料与基体材料的材料特性；加工工艺参数：光束扫描速度、同步送粉速率、多道搭接时的搭接率、激光头到熔覆体顶层的距离（决定离焦量大小）、单层堆积高度Z 等；环境条件，包括保护气体、基体预热、冷却条件等；零件尺寸和形状造成的