1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
基于激光内送粉熔覆技术，采取在交叉重叠部位进行局部加速的策略，进行了十字形结构的越过式交叉成形工艺研究。首先，提出了交叉不等高沉积工艺，根据质量守恒定律计算进入熔池的粉末质量和熔覆层成形质量，联立等式后得到了先成形横向熔道对后成形纵向熔道高度的影响规律。然后，建立了速度不等高数学模型，结合交叉不等高沉积工艺，计算出令交叉部位叠加高度与未交叉部位熔道高度相等时的扫描速度。最后，根据自愈合效应和体积流动假设，提出了一种缩减加速段距离的工艺方法，解决了提速后熔道交叉结合部位出现凹陷的问题。结果表明：成形件十字交叉部位的高度尺寸误差在1.76%以内；总体显微硬度在257.5~296.8 HV之间，最终成形件表面平整光亮，无宏观裂纹或夹杂缺陷。
激光光学 光内送粉 激光熔覆 十字交叉结构件 交叉不等高沉积 越过式熔覆 光学学报
2022, 42(16): 1614002
1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
基于激光内送粉熔覆技术，进行了异形基面三元叶片的熔覆成形研究。根据三元叶片的大倾角、大扭曲等结构特征提出了流线分层法，解决了三元叶片成形过程中轨迹规划的问题。根据流线分层法得到了熔覆成形时光内送粉喷头的空间运动轨迹，并进行了三元叶片的熔覆成形。结果表明：三元叶片成形件的表面平整，表面平均粗糙度值在4.065 μm以内，有效缓解了台阶效应；三元叶片与异形基面实现了较好的冶金结合，成形件的平均厚度为5.97 mm，厚度的相对误差为－1.4%～1.03%，扭转角的相对误差为－4.67%，成形精度较高；随着成形件高度的增加，激光熔池处的热积累明显，显微硬度略微降低，显微组织略微增大，成形件显微硬度在348.3～360.4 HV之间，金相组织整体致密均匀，无明显的孔洞或裂纹缺陷。
激光技术 光内送粉 流线分层 三元叶片
1 苏州工业职业技术学院, 江苏 苏州 215104
2 苏州大学, 江苏 苏州 215021
3 中国飞机强度研究所, 陕西 西安 710065
在课题组实验室自主研发的凸轮式多碰试验机上, 对0Gr18Ni9Ti镍基涂层材料进行低应力多碰冲击试验, 对不同冲击频率下材料的累积塑性变形、显微组织进行对比分析。试验结果表明: 冲击频率越大, 累积塑性变形量越大, 相同层深处显微组织结构细化越明显; 但随冲击频率按比例增大, 塑性形变却越来越缓慢, 当冲击频率增大到一定值时, 将不再发生塑性变形, 显微组织结构的变化也越来越小。冲击频率是研究0Gr18Ni9Ti镍基涂层材料低应力多碰累积塑性变形机理的重要因素。
冲击频率 0Gr18Ni9Ti镍基涂层 累积塑性变形 金相组织 impact frequency 0Gr18Ni9Ti nickel-based coating cumulative plastic deformation metallurgical structure
激光金属沉积成形传统上多采用恒定的工艺参数进行堆积,易导致热累积现象。为减弱热累积对钛合金成形氧化的影响,提出一种实时改变层间激光功率的熔池温度闭环控制系统。针对TC4钛合金块体沉积,设计了PI控制器,以激光功率作为输入量来控制熔池实际温度。结果表明：PI控制器可使熔池实际温度达到期望值；块体成形件表面呈光亮的银白色,未出现氧化现象；与恒定激光功率下的成形件相比,温度闭环控制的沉积块体柱状晶尺寸小且宽度较为均匀,顶部的显微硬度未出现升高现象。该系统为熔池温度控制提供了新方法,并为实现开放环境下钛合金的连续沉积成形提供了技术支持。
金属沉积 PI控制器 TC4钛合金 闭环控制 metal deposition PI controller TC4 titanium alloy closed-loop control
1 苏州大学机电工程学院激光制造技术研究所, 江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
3 苏州大学工程训练中心, 江苏 苏州 215131
为提高激光熔化沉积(LMD)技术对空心零部件的成形能力,优化成形质量,提出连续多姿态LMD成形方法。将原始空心球体3D模型分段进行路径规划,建立了相应的熔池数学模型,进行了空心球体的LMD实验,并系统分析了成形质量。结果表明:连续多姿态LMD成形方法可有效实现空心球体的成形,且随着沉积角α的增大,成形件尺寸的精度呈先升高后降低的趋势,侧方位封闭式沉积成形精度较差;成形件显微组织致密、晶粒细小,随着沉积角α的增大,晶粒尺寸呈先细化后粗化的趋势,而显微硬度则先升高后降低;台阶效应得到了有效缓解,各沉积角球面的平均粗糙度(Ra)低至6.55 μm,重熔处理后Ra达 1.1 μm。连续多姿态成形方法有效提高了LMD技术对复杂结构件及封闭件的成形能力,为拓展其应用领域提供了支持。
激光加工 激光熔化沉积 路径规划 连续多姿态 封闭式薄壁空心球体 成形质量 中国激光
2021, 48(22): 2202018
红外与激光工程
2021, 50(7): 20200365
1 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
基于光内送粉激光熔覆成形技术,进行了多元扭曲结构件的激光熔覆成形研究。基于结构件的扭曲特征,提出采用随形离散分层法对扭曲结构件作二次离散,解决了扭曲结构件中截面渐变结构的分层问题。依据获得的激光熔覆喷头空间运动轨迹信息,进行了多元扭曲结构件的成形。结果表明:成形的扭曲结构件表面基本平整,无宏观裂纹,表面粗糙度值在5.579 μm以内;成形件平均厚度为6.03 mm,成形精度较高,形状尺寸误差在-3.45%~3.09%之间;成形件的显微硬度在271.6~284.5 HV之间,显微组织致密均匀,无明显的气孔和裂纹缺陷。
激光技术 光内送粉 激光熔覆 多元扭曲结构件 随形离散分层 中国激光
2021, 48(10): 1002114
苏州大学机电工程学院激光制造技术研究所, 江苏 苏州 215021
在大功率激光熔覆成形中,熔覆层的沉积率是决定成形效率及质量等的重要因素。采用Box-Behnken(BBD)及正交法进行了激光熔覆单道沉积实验设计,研究了激光功率、送粉速率、扫描速度和离焦量对沉积率的关系。分别建立了响应面法(RSM)模型和经遗传算法优化的神经网络(GA-BP)模型,同时预测并优化了沉积工艺参数。经遗传神经网络模型优化后的工艺参数得到的最大沉积率为61.74 g/min,高于响应面法优化得到的53.55 g/min。结果表明:遗传神经网络模型的预测、泛化及优化能力要优于响应面法模型,使用遗传算法优化后的神经网络模型可为实现高沉积率激光熔覆成形提供更有效的预估方法。
激光加工 激光熔覆 沉积率优化 响应面 遗传算法 神经网络
针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。
激光技术 激光熔覆 钛合金 开放环境 局部保护气氛 响应面法 光内送粉 中国激光
2020, 47(11): 1102006
研究“三分光束”光内同轴送丝激光熔覆各工艺参数的工艺区间及参数与熔覆层几何形貌映射关系。首先，采用单因素实验方法研究激光功率、扫描速度、送丝速度、离焦量四个工艺参数的工艺区间；其次，以熔覆层的高度、宽度、横截面积作为熔覆层几何形貌的量化指标；最后，分别建立神经网络模型和二次回归模型实现熔覆工艺参数和熔覆层形貌量化指标之间映射关系的预测。基于单道单因素实验，当激光功率介于1 300~1 700 W，扫描速度介于3~7 mm/s，送丝速度介于9~15 mm/s，离焦量介于?2.5~?1.5 mm时能获得液桥过渡熔覆质量较好的单道。在对测试样本数据的预测中，在置信度85%情况下，BP神经网络模型对熔覆层高度、宽度、横截面积的预测精度分别为100%, 100%, 93.33%，均方根误差分别为0.21, 0.07, 0.24；二次回归模型的精度分别为100%, 66.67%, 73.33%，均方根误差分别为0.21, 0.13, 0.28。结论说明二次回归模型中变量的交叉项未能拟合送丝熔覆多变量耦合的非线性过程，而BP神经网络得到较好的预测结果。
激光熔覆 三分光束 光内同轴送丝 二次回归 BP神经网络 laser cladding three bean coaxial wire feeding quadratic regression BP neural network 红外与激光工程
2020, 49(3): 0305005
