激光三维成形光内送粉变粉斑试验及交叉熔道堆积研究

论文摘要

激光熔覆快速成形技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术,成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。目前此技术中激光聚焦光斑普遍采用实心光斑,送粉方式多为光外同轴送粉。光外同轴送粉方式存在许多不足之处,多数情况下粉斑大于光斑,光粉耦合效果差,造成成形件表面粗糙和粉末利用率低等不良影响。此技术主要应用于零件的直接成形,成形件内部结构较简单,例如回转体和薄壁件等。本文采用一种新的中空环形光光内同轴送粉工艺,重点针对粉斑尺寸对熔覆成形的影响以及内部含交叉结构的复杂零件堆积进行了试验研究。针对现有激光光束传输过程中对中检测方法的不足,设计了一种光束对中检测装置,此装置不仅适用于强光束,同时适用于弱光束。基于C#语言,采用图像处理技术,得到粉束流的边界离散点,再利用最小二乘法进行粉束流边界直线拟合,得到了粉斑直径与喷粉嘴出口距离的函数式。采用光内同轴送粉喷嘴,进行了变粉斑单道扫描熔覆试验,结果表明:粉斑直径介于环形光斑内外圆之间时,更有利于获得平整的熔覆层。为了研究工艺参数对熔覆层质量的影响,对激光功率、离焦量、扫描速度和送粉速度等工艺参数进行正交试验,并运用最优方案进行扫描方向性试验,验证了光内同轴送粉方式在任何扫描方向上都可以得到质量较好的熔覆层。针对交叉熔道产生的重叠问题,提出了其中一熔道预留间隙的解决方案,并通过试验验证了此方案的可行性。设计了一个以中国银行行标为模型的成形件,提出了三个解决方案,通过试验确定了预留间隙为最优方案,并通过试验对预留间隙和扫描路径进行优化,最终得到交叉熔道表面平整、无明显隆起现象和缺口的成形件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 激光熔覆快速成形
• 1.2.1 激光熔覆快速成形技术
• 1.2.2 简单金属零件成形研究现状
• 1.2.3 含交叉结构的金属零件成形研究现状
• 1.3 光粉耦合技术
• 1.3.1 实心光
• 1.3.2 中空环形光
• 1.3.3 激光束对中检测
• 1.3.4 实心圆光斑与粉斑的耦合形式
• 1.3.5 中空环形光斑与粉斑的耦合形式
• 1.4 本课题的研究内容
• 第二章 激光熔覆快速成形系统
• 2.1 激光熔覆快速成形系统
• 2.1.1 试验系统组成
• 2.1.2 试验材料
• 2.2 光束传输对中检测装置设计
• 2.2.1 光束传输对中检测装置的结构
• 2.2.2 光束传输对中检测装置的特征
• 2.2.3 光束传输对中检测方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 变粉斑单道熔覆及熔道形貌对比试验研究
• 3.1 喷嘴出口附近粉末直径测量方法
• 3.2 图像采集
• 3.3 基于C#的粉束流分析软件设计
• 3.3.1 控制界面设计
• 3.3.2 取边界点主程序
• 3.3.3 直线拟合
• 3.4 变粉斑试验
• 3.4.1 粉斑与光斑的位置关系
• 3.4.2 中空环形光离焦形式
• 3.4.3 光斑尺寸测量
• 3.4.4 变粉斑单道熔覆试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 基本熔道与交叉熔道堆积初步试验研究
• 4.1 基本熔道研究
• 4.1.1 主要工艺参数正交试验
• 4.1.2 扫描方向性试验
• 4.1.3 搭接理论
• 4.1.4 沿扫描方向能量分布
• 4.2 交叉熔道堆积初步试验研究
• 4.2.1 交叉熔覆层的关键问题
• 4.2.2 解决方案
• 4.3 本章小结
• 第五章 交叉熔道堆积成形试验研究
• 5.1 一般成形堆积主要影响因素
• 5.1.1 层高控制
• 5.1.2 激光能量控制
• 5.2 试验设计
• 5.3 成形试验
• 5.3.1 成形方案设计
• 5.3.2 方案筛选
• 5.3.3 方案优化
• 5.4 分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 致谢