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基于激光熔覆的三维金属零件激光直接制造技术研究

李鹏  
【摘要】:基于激光熔覆的三维金属零件直接制造技术,也称为激光直接制造技术(Direct Laser Fabrication, DLF),是一种不需借助任何模具和刀具,只要将CAD/CAM 数据输入数控系统,借助自动送粉激光熔覆工艺,即可直接从CAD文件制造出致密金属零件的先进制造技术。 本文开发了HUST-RP 激光直接制造工艺控制软件,并将其成功应用于由CO2 激光器、CNC 控制单元、3 轴加工机床、自动送粉器、同轴送粉喷嘴及粉末回收装置等设备构成的开环控制激光熔覆直接制造系统中。通过组件划分、“路径插件”和“G代码配置文件”等设计方案,HUST-RP具有良好的功能扩展性,能够用于DLF等多种激光快速成形技术的工艺控制。 在上述软硬件系统基础上,本文进行了大量的DLF 工艺试验。研究结果表明,采取合理的系统配置、优化的软件控制及最佳的工艺参数范围等综合控制措施,即使不采用任何闭环控制手段,DLF 工艺仍然可以获得高质量的成形效果。因此,在开环控制条件下进行基于激光熔覆的三维金属零件高质量快速制造是完全可行的。 通过研究激光功率、扫描速度、搭接率、送粉量、z 轴增量值等参数对DLF 工艺所制备的Ni 合金零件质量的影响,系统探讨了开环控制条件下DLF 工艺参数的优化过程。试验结果表明,激光能量密度是控制DLF工艺成形质量的关键性因素。存在一个合适的能量密度范围,在此范围内Ni合金零件能够以均匀的高度稳定成形。能量密度过高或过低都会使零件中心与边缘的高度差异随着沉积层数的增加而越来越明显,最终导致DLF工艺成形失败。提出了熔覆层重熔深度与其高度之比可以用来作为衡量能量密度是否合适的判据,并由此获得以均匀高度进行Ni合金零件稳定成形的工艺参数范围为:激光功率600~800W; 扫描速度3~8mm s-1; 送粉量3.0~8.8g min-1。 通过DLF 工艺,分别采用五种不同截面填充模式制造不锈钢拉伸试样并进行拉伸性能测试,系统研究了截面填充模式对DLF技术制造效率、成形精度及机械性能的影响。研究结果表明,就成形效率而言,光栅式填充模式与轮廓偏置式填充模式并无优劣之分,但是对于零件成形精度的影响则差别很大。由于光栅式填充模式能够有效引入“随机路径”机制,因此能够更好的控制零件成形精度。拉伸试验结果证明,即使存在夹杂等较多冶金缺陷的情况下,DLF 工艺所制备的拉伸试样仍然可以获得与传统锻造工艺制备的试样相当甚至更优的机械性能。如果这些冶金缺陷能够消除,则零件


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