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2020年《中国激光》第4期封面文章:自由曲面的激光均匀熔覆

已有 311 次阅读 2020-4-21 15:04 |系统分类:论文交流

自由曲面的激光均匀熔覆

封面文章|苏昊,石拓,石世宏,傅戈雁. 自由曲面等搭接率算法及激光熔覆工艺实现[J]. 中国激光, 2020, 47(4): 0402008

激光熔覆技术利用高能激光束使金属材料熔化,并与基材冶金结合形成耐腐蚀、耐磨损、硬度高且力学性能优良的熔覆层,可修复零件破损面并延长零件使用寿命,广泛用于零件表面强化。

对于等截面零件一般采用平行切片法生成熔覆扫描路径;然而,对于空间自由曲面的激光熔覆,由于三维曲面的不可展特点与梯度变化,平行切片法将导致熔覆层各熔道间距不等。疏密不均的熔道会造成熔覆层隆起或凹陷,厚薄不均,严重影响熔覆表面质量。

针对上述问题,苏州大学激光制造技术研究所石拓副研究员团队基于点云提出了一种等搭接率熔覆路径规划算法,在自由曲面上获得了平整均匀的熔道,并保证了加工过程中熔覆喷头始终垂直于加工表面,实现了自由曲面的激光均匀熔覆。

为了验证该算法的合理性,课题组对半球封头进行了激光熔覆强化。以半球的球心为原点,在相邻熔道上任取两点P1、P2。图1(a)表示沿x方向采用等距切片法后,P1,P2两点的距离;图1(b)表示采用本文算法后的两点间距。由图可知,采用等距切片法进行熔覆时,相邻熔道的间距有较大的差异;而采用本文算法后,相邻熔道的间距相等。

图1 两种方法间距比较。(a) 等距切片法相邻熔道间距;(b) 本算法相邻熔道间距

熔覆过程中计算每一加工点的法向矢量,并变换机器人姿态以保持熔覆喷头始终垂直加工表面,熔覆过程及熔覆层表面如图2所示。

图2 激光熔覆过程及熔覆层实物图

选取100个不同位置测量熔覆层厚度,如图3所示。平均熔覆厚度为0.434 mm,标准差为0.032 mm。熔覆层波纹度较小,熔覆层整体熔覆厚度均匀,无明显道间隆起或凹陷等缺陷,表面形貌较好。

图3 熔覆层厚度

熔覆层熔道的间距如图4所示,熔道间距在(1.6 ± 0.2) mm之间波动,范围较小,表明本方法很好地保证了熔道间距相等,即实现了熔道等搭接率。

图4 相邻熔道间距

实验数据表明,等间距轨迹规划法结合熔覆喷头姿态的调整,可实现自由曲面的激光均匀熔覆,可用以完成各种空间曲面零件的激光熔覆强化。

 

延伸阅读:

[1] 李英男,李铸国,王晓翔,徐翔.道岔尖轨表面的激光熔覆铁基耐磨涂层及其性能[J].中国激光,2020,47(4):0402009.

[2] 赵凯,梁旭东,王炜,杨萍,郝云波,朱忠良.基于NSGA-Ⅱ算法的同轴送粉激光熔覆工艺多目标优化[J].中国激光,2020,47(1):0102004.

[3] 邱莹,张凤英,胡腾腾,王坤,王刚.激光功率对TC4表面熔覆Ti40阻燃钛合金组织及硬度的影响[J].中国激光,2019,46(11):1102011.

[4] 李东升,石拓,石世宏,蒋伟伟,李刚,苏昊,王暑光.异形基面平顶薄壁结构激光熔覆成形工艺研究[J].中国激光,2019,46(11):1102002.

[5] 李俐群,申发明,周远东,陶汪,王威,王树良.超高速激光熔覆与常规激光熔覆431不锈钢涂层微观组织和耐蚀性的对比[J].中国激光,2019,46(10):1002010.

[6] 张金智,张安峰,王宏,张晓星,王豫跃.微锻造激光熔覆沉积高性能TC4组织与各向异性[J].中国激光,2019,46(4):0402009.

[7] 周建忠,何文渊,徐家乐,谭文胜,孟宪凯,黄舒,聂学武.激光熔覆Al2O3/Fe901复合涂层的强化机制及耐磨性[J].光学学报,2019,39(5):0514001.

[8] 任仲贺,武美萍,唐又红,韩基泰,龚玉玲.基于热力耦合的激光熔覆数值模拟与实验研究[J].激光与光电子学进展,2019,56(5):051404.

[9] 江国业,李敏,徐平,庞铭.激光熔覆钴基合金非对称宏观形貌形成机理及微观特性研究[J].激光与光电子学进展,2019,56(8):081401.




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