基于光内送粉激光熔覆扭曲薄壁件的成形研究

发布时间：2017-05-14 15:26

  本文关键词：基于光内送粉激光熔覆扭曲薄壁件的成形研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光熔覆成形技术LCRM（Laser Cladding Rapid Manufacturing）是20世纪90年代中后期发展起来的一种先进制造技术，它综合了激光熔覆技术与快速成形技术的优点，在汽车、钢铁、航空、航天、电子等方面都有广泛应用。目前此项技术中成形所采用送粉方式多为光外侧向同轴送粉，该种方式激光束与粉末耦合性差，成形件表面较粗糙，金属粉末利用率低。本实验室提出一种新的光内送粉激光熔覆成形技术，具有光粉耦合好，粉末利用率高，熔道平整等优点。本文重点对光内送粉激光熔覆熔池温度场以及熔覆成形扭曲薄壁高层零件进行研究。 设计了一种新型光内泄压送粉喷嘴。在原有环形光光内送粉激光熔覆成形光头的基础上，对送粉喷嘴进行了改进，设计了一种泄压送粉喷嘴，送粉效果显示泄压后的粉末束在保护气体的约束下汇聚的更细，直线段距离更长，可进一步提高粉末利用率，同时有助于薄壁件的熔覆成形。 分析了光内送粉单道激光熔覆的温度场。理论分析了环形光辐照下扫描线宽方向吸收能量的“马鞍形”分布，建立了环形光光内送粉单道激光熔覆的有限元模型，得到了单道熔覆过程中熔池的温度场分布呈彗星状，高温区域形状似“马鞍形”；提出了通过观察熔池横断面温度分布等值线图来判断熔覆层成形质量和其与基体的结合情况，且单道实验验证了其准确性；另外熔池中心的定点在环形光扫过时经历了两次升温和降温的过程，熔池近边缘和熔池中心的点在光斑扫过的时候温差不大，说明了环形光光内送粉激光熔覆的优越性。 系统研究了激光功率、送粉速率、扫描速度和离焦量等因素对激光熔覆成形单道熔覆层表面形貌以及熔覆层高度和宽度的影响。研究得出了一些重要结论，为采用该工艺成形薄壁扭曲零件以及今后环形光光内送粉激光熔覆成形技术的应用提供重要参考和依据。 试验堆积成形了扭曲薄壁件。在单道实验的基础上确定了扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形的初始参数和试验方案；建立了扭曲薄壁件激光熔覆成形的有限元模型，分析了扭曲薄壁件熔覆成形过程中温度场的演变过程和定点温度的热循环，并且通过仿真实时控制模型中输入激光功率的大小，模拟得到了保持熔池温度稳定时激光功率的变化值；通过层高控制和参照数值计算得到的功率变化值调节激光器功率，成功熔覆成形了扭曲薄壁件，性能分析表明：成形件表面光滑，没有粘粉，尺寸与设计数值基本相同，，组织细小致密，与基体形成冶金结合，且成形件硬度较高。
【关键词】：激光熔覆 快速成形 光内送粉 扭曲薄壁件 温度场
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 前言11
• 1.2 激光熔覆成形技术简介11-12
• 1.2.1 LCRM 的技术原理11
• 1.2.2 LCRM 技术的主要特点11-12
• 1.3 激光熔覆成形国内外研究现状12-15
• 1.3.1 激光熔覆成形国外研究现状12-13
• 1.3.2 激光熔覆成形国内研究现状13-14
• 1.3.3 扭曲薄壁件激光熔覆成形国内外研究现状14-15
• 1.4 光内送粉激光熔覆成形发展现状15-17
• 1.4.1 圆形光外送粉的不足15-16
• 1.4.2 光内送粉激光熔覆的原理及优点16-17
• 1.4.3 光内送粉激光熔覆尚未研究的问题17
• 1.5 本课题的主要研究内容17-19
• 第二章 光内送粉激光熔覆成形光头与送粉喷嘴改进19-28
• 2.1 光内送粉激光熔覆成形系统组成19-22
• 2.2 光内送粉激光熔覆成形光头22-24
• 2.2.1 环形光光内送粉光头结构原理22
• 2.2.2 环形光光内送粉光头优点22-23
• 2.2.3 现有光内送粉光头送粉喷嘴的不足23-24
• 2.3 光内送粉激光熔覆成形泄压喷嘴24-27
• 2.3.1 光内送粉光头泄压喷嘴结构原理24-26
• 2.3.2 光内送粉光头泄压喷嘴安装调试26
• 2.3.3 光内送粉光头泄压喷嘴送粉效果26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 环形光光内送粉激光熔覆温度场分析28-40
• 3.1 前言28
• 3.2 环形光斑能量理论分析28-31
• 3.2.1 激光模式29-30
• 3.2.2 圆形光与环形光的能量分布分析30-31
• 3.3 环形光辐照下激光熔覆温度场仿真31-33
• 3.3.1 材料属性32
• 3.3.2 模型建立与网格划分32
• 3.3.3 边界条件的处理32-33
• 3.4 结果分析33-39
• 3.4.1 光内送粉激光熔覆温度场分析33-34
• 3.4.2 不同功率下光内送粉激光熔覆温度场34-36
• 3.4.3 光内送粉激光熔覆过程中定点温度变化规律36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 环形光光内送粉激光熔覆工艺研究40-50
• 4.1 前言40-41
• 4.2 工艺参数对单道熔覆层表面形貌的影响41-45
• 4.2.1 激光功率对熔覆层表面形貌的影响41-42
• 4.2.2 扫描速度对熔覆层表面形貌的影响42-43
• 4.2.3 送粉速率对熔覆层表面形貌的影响43-44
• 4.2.4 离焦量对熔覆层表面形貌的影响44-45
• 4.3 工艺参数对熔覆层高度和宽度的影响45-48
• 4.3.1 离焦量对熔覆层高度和宽度的影响45-46
• 4.3.2 激光功率对熔覆层高度和宽度的影响46-47
• 4.3.3 扫描速度对熔覆层高度和宽度的影响47-48
• 4.3.4 送粉速率对熔覆层高度和宽度的影响48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形研究50-79
• 5.1 前言50
• 5.2 扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形工艺基础研究50-55
• 5.2.1 试验方案50-52
• 5.2.2 扫描路径的选择52-53
• 5.2.3 工艺参数的确定53-55
• 5.3 扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形温度场数值模拟55-70
• 5.3.1 模型的建立56-60
• 5.3.2 有限元分析流程及功率控制原理60-63
• 5.3.3 功率控制下成形扭曲薄壁的温度场63-69
• 5.3.4 扭曲薄壁成形过程激光功率值的变化69-70
• 5.4 扭曲薄壁件光内送粉激光熔覆成形试验70-74
• 5.4.1 扭曲薄壁件成形过程中的层高控制70-72
• 5.4.2 熔池温度控制72-74
• 5.5 扭曲薄壁件性能分析74-77
• 5.5.1 成形件外观及尺寸74-75
• 5.5.2 微观组织分析75-76
• 5.5.3 显微硬度分析76-77
• 5.6 本章小结77-79
• 第六章 结论与展望79-81
• 6.1 全文总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-85
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文85-87
• 致谢87-88

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 曹非;基于光内同轴送粉激光熔覆变截面异形薄壁件堆积成形研究[D];苏州大学;2013年

2 李冀;环形光激光熔覆变截面薄壁件的成形与控制[D];苏州大学;2013年

3 张迎寅;光内粉丝同送熔覆工艺及成形研究[D];苏州大学;2013年

4 朱萍;同轴送丝激光熔覆工艺研究及薄壁墙成形堆积[D];苏州大学;2013年

  本文关键词：基于光内送粉激光熔覆扭曲薄壁件的成形研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：365566