光内送粉多道搭接多层堆积实体成形及温度场模拟研究

【摘要】大面积激光熔覆和实体成形一般需采用多道搭接多层叠加堆积技术，多道多层堆积熔覆层质量与光斑能量分布及送粉形式有很密切的关系。本课题组提出了中空激光光内送粉新技术，本文针对光内送粉对多道多层堆积的影响进行研究。采用单一因素变量法，以临界搭接率进行多道搭接熔覆实验，系统分析各工艺参数对多道搭接熔覆层表面平整度的影响，对多道搭接工艺参数进行优化如下：激光功率为400～600W，扫描速度为5～8mm/s，送粉速率为4～8g/min。在保证表面平整度的前提下，对多道搭接熔覆层各区域的显微组织及显微硬度进行分析，结论表明：单道熔化区组织为树枝晶，单道熔覆层组织呈枝晶状和块状，且晶粒比单道熔化区细，二次熔化区为粗大的胞状晶，搭接区域组织为细小的颗粒状及极少数枝状晶；搭接区硬度较高，二次熔化区硬度较低，硬度分布呈现一定的规律性。采用ANSYS生死单元技术，对多道搭接熔覆的温度场分布进行了详细分析，并对单层多道搭接熔覆层各取样点的温度、温度梯度及温度变化速率的变化规律进行分析总结，结论表明：熔池温度峰值区域由“马鞍形”或“月牙形”变为“偏半月牙形”，同一道熔覆层上端部节点温度比中间节点温度高出100℃左右，呈现“端部效应”；节点处Y方向上温度梯度都大于X、Z方向，因此Y方向更易产生裂纹，且在熔覆层与基体结合处附近区域，熔覆层枝状晶沿Y方向生长；各多道搭接层之间的温度场分布变化大致相同。以实体成形较为成熟且加工原理与LCRM较为类似的SLS成形方式为参照，并结合拟成形实体的形状、尺寸特征，对其设计了三种扫描路径。通过KUKA机器人对三种扫描路径进行程序编制，并采用多道搭接优化工艺参数进行实体成形实验，在成形过程中对功率及层高进行控制，保证成形过程的稳定进行。最后对三种扫描路径所对应的成形件进行尺寸精度、表面平整度的测量，得出最优的扫描路径，并对效果最佳的成形件进行显微硬度的测量。结果表明：双向异侧扫描成形件效果最优；在高度方向上，硬度虽然有所波动，但总体上分布均匀，且成形件顶部熔覆层相当于淬火处理，细化晶粒，硬度值得到较大的提高；而某一高度上硬度分布具有单层多道搭接熔覆层硬度分布的特点。
【作者】田美玲；
【导师】石世宏；
【作者基本信息】苏州大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】激光熔覆；光内送粉；多道搭接；温度场；实体成形；

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