環(huán)形激光光內(nèi)送粉熔池特征與熔層性能.pdf

1、激光熔覆成形技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和冶金過(guò)程。熔覆件的質(zhì)量受各種工藝參數(shù)的影響，主要包括激光束模型、激光功率、掃描速度和送粉速度等。工藝參數(shù)對(duì)熔覆件成形的影響可通過(guò)成形過(guò)程中熔池的形貌來(lái)反映，因此，對(duì)熔池行為的研究已成為激光熔覆成形研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 目前，激光熔覆成形采用的光束多為圓形光，送粉方式為光外單側(cè)送粉或多粉管同軸送粉。它們的缺陷在于激光與粉末的耦合性差，粉末利用率低，熔覆成形件表面精度不高。為了解決這一現(xiàn)象

2、，提出了一種“光束中空，粉管居中，光內(nèi)送粉”的成形方式?；谠摮尚畏绞?，本文建立了環(huán)形激光能量分布模型，并分析了其與圓形激光能量分布之間的差異；研究熔覆過(guò)程中熔池的形貌與各工藝參數(shù)之間的關(guān)系并通過(guò)CCD觀測(cè)熔池特征變化指導(dǎo)熔覆成形；最后對(duì)熔覆層的性能進(jìn)行了分析。 建立了激光掃描線寬方向上的二維能量分布數(shù)學(xué)模型，模擬出環(huán)形激光束與圓形激光束的能量分布：環(huán)形光能量呈“馬鞍形”分布，傳統(tǒng)的圓形光的能量為高斯分布。從理論上證明了環(huán)形光的

3、能量分布在掃描線寬方向上的分布較圓形光更均勻，環(huán)形光是用于激光熔覆的較佳光源。研究了激光熔池的物理過(guò)程，表明熔池中存在表面張力和浮力，對(duì)流主要是由表面張力和溫度梯度引起。通過(guò)對(duì)熔池對(duì)流特征的研究發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)與熔池的形狀之間存在著必然的聯(lián)系?！蹦M對(duì)比了環(huán)形光與圓形光下的激光熔池對(duì)流機(jī)制，得出環(huán)形光熔池的兩對(duì)四環(huán)對(duì)流模型。 采用高速CCD攝像機(jī)拍攝了激光熔覆過(guò)程中的熔池圖像。由于激光熔覆過(guò)程中存在粉末飛濺、弧光和煙塵等噪聲干擾，在

4、提取圖像有效信息時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行處理。采用形態(tài)學(xué)濾波和邊緣提取的方法，在Matlab環(huán)境下編程，處理效果良好。用高速CCD拍攝不同工藝參數(shù)下激光單道熔覆的熔池圖像，圖像結(jié)果表明：在其他參數(shù)不變的情況下，增大激光功率或增加送粉速度，熔寬、熔深均有變大趨勢(shì)；而加快掃描速度，熔寬、熔深均變小。根據(jù)熔池特征參數(shù)隨激光功率變化的規(guī)律，利用高速CCD實(shí)時(shí)觀察錐形空心回轉(zhuǎn)薄壁件的成形過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明：成形穩(wěn)定期，熔池的面積在0.25mm2-0.7mm2之間

5、變化，激光功率維持在1kw左右，成形件最大高度達(dá)到55mm。 對(duì)熔覆層與基體的結(jié)合面的形貌觀察發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的圓形光熔覆層與基體的結(jié)合面形貌呈“半月”型下凸?fàn)睿h(huán)形激光熔覆層縱截面兩側(cè)附近的結(jié)合面均呈向下微凸?fàn)?。這說(shuō)明結(jié)合面的形狀特征由激光能量分布特性所決定。對(duì)不同占空比的環(huán)形光熔覆層進(jìn)行了顯微檢測(cè)與分析，結(jié)果表明：隨著占空比增大，熔覆層組織由枝晶向胞晶組織轉(zhuǎn)交，晶粒逐漸粗大，而晶粒橫向分布趨于均勻，且結(jié)合層變薄，稀釋率減小。綜合