玻璃模具激光熔覆的温度场数值模拟及工艺实验研究

发布时间：2020-10-09 06:25

　　随着玻璃制品的广泛应用,市场对玻璃制品的质量要求也越来越高。而玻璃模具是玻璃制品成形过程中必不可少的设备,玻璃模具质量直接决定了玻璃制品的生产质量与产量。玻璃模具在长期生产玻璃制品过程中,模具表面会出现磨损、断裂等缺陷,而通过模具表面改性技术可以提高玻璃模具的使用寿命。传统的模具表面改性技术已无法满足现代企业生产需求,而激光熔覆技术作为先进的表面改性技术,以其节材、环保、高效及优质等特点,广泛应用于航空航天、机械制造等领域。因此本文将激光熔覆技术与玻璃模具表面改性需求相结合,完成对玻璃模具表面强化的工艺实验研究。本文的研究对象是球墨铸铁为材料的小型瓶模,利用激光熔覆技术在其材料表面上进行了镍基合金涂层强化的工艺实验研究,主要内容包括:①研究了激光熔覆过程中的熔池成形物理模型,包括激光与材料的相互作用、熔覆层形成过程和熔池内部对流;基于传热学的理论,分析了激光熔覆过程中材料对激光能量的吸收规律,为温度场数值模拟研究提供了理论基础。②采用ANSYS软件模拟了激光熔覆过程,考虑激光热源模型、边界条件、相变潜热,并利用“生死单元技术”模拟了熔覆层单元的生长过程。结果分析表明激光熔覆过程是一个骤热骤冷过程,激光功率和扫描速度需要合理配合才能形成有效的熔覆层,否则会导致熔池难以形成和熔覆层表面烧伤等问题,为优化工艺参数提供依据,减小了工艺实验的工作量。③对同步送粉式激光熔覆加工系统设备及设备控制方法进行了详细分析。利用该平台,以激光功率2000W、扫描速度5mm/s的工艺参数,设计单道熔覆实验程序,完成了在球墨铸铁表面激光熔覆单道镍基合金熔覆层的工艺实验。实验结果表明:该激光熔覆加工系统和实验设计可以完成单道熔覆实验,为后续工艺研究提供了方法及实验样本。④设计了激光熔覆工艺参数对熔覆层质量影响的实验,分析了激光功率和扫描速度对熔覆层宏观形貌影响规律,并基于稀释率、微观组织缺陷和硬度,优化激光功率和扫描速度加工工艺参数范围。实验结果表明:在优化的激光功率和扫描速度的配合参数范围下,得到了稀释率范围14%～28%、微观组织缺陷较少、布氏硬度约为原基材1.5倍的镍基合金熔覆层。⑤利用激光熔覆加工系统平台和优化范围内激光功率2000W、扫描速度4mm/s的工艺参数,以玻璃酒瓶模具为例,进行了激光熔覆工艺应用。应用实验结果表明:利用该激光熔覆加工系统平台和优化的工艺参数可以进行玻璃模具表面强化应用。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ171.68
【部分图文】：

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和玻璃制品的在工业生产中广泛使用，市场对玻璃制品的质量要求也越来越高。而玻逡逑璃模具是玻璃制品大批量生产中必要的设备，其质量直接影响着企业生产的玻璃制品逡逑质量与产量，如图１．１所示为玻璃酒瓶和玻璃碗模具。逡逑Ａ邋：丨：卿逡逑⑷玻璃酒瓶模具逦（ｂ）玻璃碗模具逡逑图１．１玻璃模具逡逑（ａ）合缝线开裂逦（ｂ）合缝线磨损逡逑图１．２玻璃模具合缝线区域缺陷逡逑在玻璃制品成形过程中，玻璃模具需要频繁地接触１１００°ｃ以上的熔融玻璃，长逡逑时间处在高温状态下工作。因此，对玻璃模具耐高温、抗氧化能力要求较高。不仅如逡逑Ｉ逡逑

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１．３．１激光熔覆技术简介逡逑激光熔覆技术是一种利用激光束将合金粉末或丝材与基体表面薄层熔凝并逡逑形成冶金结合熔覆层的表面改性技术，也是一种增材制造技术。其成型原理如图１．３逡逑所示，首先绘制需要得到的模型轨迹，以此设定激光束运动轨迹；通过激光束照射在逡逑添加于基材表面的熔覆材料，使之与基体表面同时熔化形成金属熔液；当激光束按照逡逑预先设计的扫描轨迹移开后，金属熔液快速冷却凝固，并形成稀释率低且与基体呈冶逡逑金结合熔覆层；随着激光束不断移动，熔覆层不断生成，最终形成预先设计的模型。逡逑激＃束逡逑气体粉末￥逦丨、＇邋；逦逡逑／邋＇逦前道培薄＾逡逑／－＾逦ｙ逡逑逦工件台逦［／逡逑图１．３激光熔覆技术原理示意图逡逑激光熔覆技术将熔覆层合金所具有耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等转移逡逑到廉价的基材表面达到基材表面改性、修复和再制造等目的。不仅能够提高原基材表逡逑面性能、节省研发新基材成本，而且节约了大量贵重金属。与等离子堆焊相比，激光逡逑熔覆能够获得稀释率较小且与基体冶金结合较好的熔覆层、粉末利用率高、自动化程逡逑度高等优点，在模具、机电、汽车、船舶及航天航空等行业得到了广泛应用。逡逑３逡逑

【参考文献】