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激光熔丝增材制造丝材过渡状态的电磁振动监测方法

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机械工程学报 2018年第2期54卷 34-40页

作者：黄安国刘博郑增超郭嘉琪陈一元庞盛永华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室

提出一种在线监测激光熔丝增材制造中微细丝材(1~2 mm)过渡状态的电磁振动监测方法,建立监测系统的数学模型并研制原型装置。通过设计试验,采用磁性以及非磁性微细丝材对监测系统的振动发生、信号采集等功能进行测试与验证,发现可获得... 详细信息

提出一种在线监测激光熔丝增材制造中微细丝材(1~2 mm)过渡状态的电磁振动监测方法,建立监测系统的数学模型并研制原型装置。通过设计试验,采用磁性以及非磁性微细丝材对监测系统的振动发生、信号采集等功能进行测试与验证,发现可获得强度显著大于环境噪声的稳定振动信号,证实了监测方法的可行性。基于该装置,开展了激光熔丝增材制造工艺中丝材过渡状态的监测试验研究。结果表明:滴状过渡时,成形中,基板接收到的振动信号低于环境噪声强度(约为-70 d B);而液桥过渡时,可获得清晰的振动信号(强度-67^-62 d B),高于环境噪声强度。综上,采用所研制的原型装置可清晰分辨滴状过渡与液桥过渡这两种典型的丝材过渡状态,能对激光熔丝增材制造工艺的丝材过渡状态进行有效监测。

关键词：激光熔丝增材制造电磁振动监测方法振动信号丝材过渡状态

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激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

焊接 2022年第8期 25-32页

作者：张国滨彭锐茜哈尔滨工业大学哈尔滨150001

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高... 详细信息

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。

关键词：激光熔丝增材制造实时监测系统控制系统沉积层高度熔池

激光熔丝增材制造试件的残余应力分布及其疲劳寿命研究

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热加工工艺 2023年

作者：陈建钧庞栋天周伟民周建上海产业技术研究院华东理工大学机械与动力工程学院

在激光熔丝增材制造(LFAM)过程中，局部集中的热输入和较大的温度梯度往往会造成较大的残余应力，最终严重影响成形件的疲劳性能。利用有限元软件ABAQUS对316L不锈钢单道多层LFAM过程进行了模拟，并将计算得到的残余应力分布与X射线衍... 详细信息

在激光熔丝增材制造(LFAM)过程中，局部集中的热输入和较大的温度梯度往往会造成较大的残余应力，最终严重影响成形件的疲劳性能。利用有限元软件ABAQUS对316L不锈钢单道多层LFAM过程进行了模拟，并将计算得到的残余应力分布与X射线衍射仪的测量结果进行了比较。最后利用有限元软件FE-SAFE计算了LFAM试件在不同载荷条件下的疲劳寿命。结果表明，残余应力模拟结果与实验结果吻合良好，模拟值和测量值之间的误差在可接受范围内。对于水平残余应力，试样上层主要受残余拉应力，下层主要受残余压应力，对于竖直残余应力，最大拉应力和压应力分布在试样边缘，试样中心部位的残余应力较小且分布较为均匀。去掉基板后，试样的残余应力变小，且分布更加均匀。增材制造过程中产生的残余应力极大削弱了其疲劳性能。

关键词：激光熔丝增材制造残余应力疲劳性能 316L不锈钢

超声微锻造辅助激光熔丝增材制造数值模拟研究

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东北大学学报（自然科学版） 2019年第11期40卷 1590-1594,1599页

作者：任朝晖刘振张小双张兴文东北大学机械工程与自动化学院

激光熔丝增材制造技术能大大提高制造效率,但制件存在复杂的残余应力,导致制件内部缺陷多.为了解决这些问题,将超声微锻造与滚压相结合对制件表面进行高频率击打,使金属表层产生塑性变形,将原有的拉应力转变成压应力.以TC4为研究对象,利... 详细信息

激光熔丝增材制造技术能大大提高制造效率,但制件存在复杂的残余应力,导致制件内部缺陷多.为了解决这些问题,将超声微锻造与滚压相结合对制件表面进行高频率击打,使金属表层产生塑性变形,将原有的拉应力转变成压应力.以TC4为研究对象,利用ANSYS对激光熔丝过程进行热-结构耦合数值模拟,并施加超声滚压微锻造,分析微锻造前后应力场的变化情况.研究结果表明:激光熔丝熔覆层应力分布更加均匀,拉应力减小,甚至转化为压应力,有效地抑制制件内部缺陷的形成.

关键词：激光熔丝增材制造超声微锻造热-结构耦合残余应力 TC4钛合金

激光熔丝增材制造GH3039镍基高温合金块体沉积层组织与性能

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激光熔丝增材制造GH3039镍基高温合金块体沉积层组织与性能

作者：徐帆颖南昌大学

学位级别：硕士

增材制造(AM)是通过材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,它可以制造出形状复杂的零部件,进而实现快速、自由成型,能够完成传统制造方法无法完成的结构复杂的零部件,简化加工工序,提高生产效率,缩短生产周期。但我国对制备大型零部件... 详细信息

增材制造(AM)是通过材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,它可以制造出形状复杂的零部件,进而实现快速、自由成型,能够完成传统制造方法无法完成的结构复杂的零部件,简化加工工序,提高生产效率,缩短生产周期。但我国对制备大型零部件的增材制造技术存在较大的空缺,对激光熔丝增材制造制备的金属制件微观组织演变和机理研究尚处于起步阶段,因此开展激光熔丝增材制造的基础研究在实现我国大型航空航天工程、海洋工程等关键零部件的制造具有重要意义。本文采用激光熔丝增材制造技术,制备了镍基高温合金GH3039块体沉积层。通过光学显微镜(Optical Microscope,OM)和扫描电子显微镜(Scanning Eletron Microscopy,SEM)研究了增材制造制备的GH3039合金的三个不同方位(横截面、侧截面与水平剖面)的宏观形貌与微观组织,包括块体沉积层的外形尺寸、宏观缺陷、不同区域的晶粒形态、晶粒分布和尺寸,探究了不同区域的微观缺陷类型及分布,最后针对沉积层横截面整体以及典型区域的显微组织,采用纳米压痕仪进行了硬度测试。结果表明,块体沉积层存在“坍塌”和“粘丝”两种现象,块体沉积层“坍塌”发生在沉积层边缘,而“粘丝”则分布不规律。沉积层的“坍塌”是由于沉积层边缘的熔池形态不稳定,易受到气流、振动的影响而发生流动,液态熔池的流动最终导致沉积层发生“坍塌”。此外,成型过程中由于熔池与熔池之间的搭接率为非理想值,后续成型过程中搭接率的变化使激光焦点与丝材出口端位置发生偏离,这也是导致沉积层出现“坍塌”和“粘丝”现象的原因。块体沉积层中主要存在两种类型的晶粒,柱状枝晶和等轴晶。在沉积层底部主要分布着柱状枝晶,中部为柱状枝晶与等轴晶,顶部主要分布着等轴晶。在沉积层底部、中部与顶部不同区域的单个熔池内也呈现出一样的规律。通过对不同区域的晶粒尺寸统计可以发现,柱状枝晶的平均宽度在底部最大,为18.6μm;在顶部最小,为9.6 μm。而等轴晶的平均晶粒尺寸在底部最小,顶部最大,分别为14.5 μm与17.2 μm。这主要与不同区域的散热条件及温度梯度相关。缺陷类型主要有沉积层层间搭接间隙、微观裂纹及孔洞。沉积层层间搭接间隙宽度在沉积层底部、中部与顶部三个区域不同,在底部搭接间隙宽度最大,达到176 μm,而中部和顶部相对较小,分别为60 μm和76μm,这主要是沉积层层间冶金结合不足,成型过程中冷却速度过快与沉积过程中急速冷却过程产生的热应力及内部存在较大残余拉应力导致的。沉积层顶部硬度值较高,而沉积层中部与底部不同区域、不同形态晶粒硬度值相差不大。但沉积层内部硬度值整体分布并不均匀,这主要与沉积层内部存在的微观组织不均匀、析出相与缺陷等密切相关。本文从宏观和微观尺度上研究了块体沉积层组织、缺陷与显微硬度,为激光熔丝增材制造奠定了一定的工艺基础,对后期的工艺设计及优化具有重要的指导意义,也为我国增材制造制备高性能大型金属零部件提供了一定的基础研究理论。

关键词：镍基高温合金激光熔丝增材制造沉积层微观组织缺陷显微硬度

激光熔丝增材制造A517Q合金钢组织与性能调控

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激光熔丝增材制造A517Q合金钢组织与性能调控

作者：任和哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

激光熔丝增材制造技术(Wire and laser additive manufacturing,WLAM)以其制造灵活、效率高和成本低等优点,在航天航空、船舰以及医疗器械等方面有着广泛的应用。但其在成形过程中成形件出现的组织粗大、孔洞、原材料熔化不完全以及球... 详细信息

激光熔丝增材制造技术(Wire and laser additive manufacturing,WLAM)以其制造灵活、效率高和成本低等优点,在航天航空、船舰以及医疗器械等方面有着广泛的应用。但其在成形过程中成形件出现的组织粗大、孔洞、原材料熔化不完全以及球化等现象,导致其性能上存在沉积层不同位置显微硬度波动幅度大、各向异性大及残余应力大等不足,上述这些局限性不利于成形件的工程应用。本文以A517Q合金钢丝材为原材料,利用激光熔丝增材制造技术,制备单道单层和单道多层沉积层,系统地研究了激光工艺参数对单道单层沉积层组织和性能的影响规律,以此为基础,探索了回火热处理、超声振动以及超声+回火处理对单道多层沉积层的组织和性能的影响,并对处理前后的沉积层组织和性能,进行表征和分析。相关研究结果如下:沉积层的几何特征和组织形貌与激光工艺参数有着直接的关系:随着激光功率的增加沉积层的熔宽逐渐增加,熔高逐渐下降,宽高比先升高后降低,显微硬度先减小后增大;随着送丝速度的增加,沉积层的熔宽和熔高都随之增加,但宽高比、显微硬度、稀释率都降低;随着沉积速度的增加,沉积层的熔宽和熔高都降低,显微硬度上升;综合比较了不同激光工艺参数制备沉积层的宏观形貌、显微组织以及力学性能。在上述工作的基础上,优化出了单道多层沉积层的制备工艺:激光功率3400W,送丝速度20mm/s,沉积速度4mm/s。超声振动处理的单道多层沉积层,显微组织由多边形铁素体、粒状贝氏体以及马氏体构成;经超声振动处理的单道多层沉积层晶粒尺寸得到明显细化,合金元素富集现象减弱。显微硬度由无超声振动处理态的284HV0.2提高到447HV0.2,提高了36.4%;此外,超声振动处理的沉积层屈服强度由522.7MPa提高到675.3MPa,提高了22.7%,抗拉强度由未经超声振动处理态的647.7MPa提高到873.7MPa,提高了26%。在不同回火温度和保温时间的作用下,单道多层沉积层显微组织主要由回火马氏体、回火索氏体和多边形铁素体等;显微硬度由沉积态280HV0.2降低到240HV0.2,降低了14.2%,经回火处理的沉积层显微硬度整体波动幅度小,实现了沉积层性能的均匀化,屈服强度和抗拉强度相对于沉积态有小幅度降低。超声+回火复合处理单道多层沉积层,其显微组织主要由回火索氏体和多边形铁素体组成,晶粒尺寸相对于沉积态和超声态均有明显细化,孔洞、夹杂等缺陷也得到明显消除。复合态单道多层沉积层的显微硬度相较于超声态从480HV0.2下降到260HV0.2,降低了45%,而且该状态下沉积层整体显微硬度变化幅度较小,屈服强度由522.7MPa提高到662.7MPa,提高了21.1%。抗拉强度从647.7MPa提高到758.7MPa,提高了14.6%。

关键词：激光熔丝增材制造回火处理超声振动 A517Q合金钢组织性能

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激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

机械制造文摘（焊接分册） 2023年第1期 21-28页

作者：张国滨彭锐茜哈尔滨工业大学哈尔滨150001

关键词：激光熔丝增材制造实时监测系统控制系统沉积层高度熔池

TC4-DT激光熔丝增材制造微观组织与力学性能研究

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钢铁钒钛 2021年第6期42卷 97-101页

作者：张大越刘旭明张建李彬周赵阳王军生鞍钢集团北京研究院有限公司北京102200

激光熔丝增材制造技术在航空航天、海工船舶等领域应用前景广阔。针对TC4-DT材料,在初步优化的工艺参数下,通过激光熔丝增材制造技术制备金属试样,并对试样进行固溶-强化热处理,研究激光熔丝沉积态及热处理态的微观组织、缺陷及室温拉... 详细信息

激光熔丝增材制造技术在航空航天、海工船舶等领域应用前景广阔。针对TC4-DT材料,在初步优化的工艺参数下,通过激光熔丝增材制造技术制备金属试样,并对试样进行固溶-强化热处理,研究激光熔丝沉积态及热处理态的微观组织、缺陷及室温拉伸力学性能。研究发现,激光熔丝TC4-DT成形态组织为粗大的柱状晶及针状αʹ马氏体,热处理后转变为等轴晶与柱状晶的双相组织,马氏体分解为针状α+β双相组织,固溶-强化热处理后拉伸力学性能与锻件水平相当。

关键词： TC4-DT 激光熔丝增材制造 αʹ马氏体固溶强化热处理

铝合金激光熔丝增材制造熔池动力学及驼峰形成机理研究

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铝合金激光熔丝增材制造熔池动力学及驼峰形成机理研究

作者：郑杰温州大学

学位级别：硕士

激光熔丝增材制造具有高效、清洁、低成本等优点,在汽车、航空航天等制造领域得到了广泛的应用。在激光熔丝增材制造过程中,通常采用高扫描速度和高送丝速度来实现高沉积效率。然而,随着扫描速度和送丝速度的增加,易出现驼峰缺陷,而驼... 详细信息

激光熔丝增材制造具有高效、清洁、低成本等优点,在汽车、航空航天等制造领域得到了广泛的应用。在激光熔丝增材制造过程中,通常采用高扫描速度和高送丝速度来实现高沉积效率。然而,随着扫描速度和送丝速度的增加,易出现驼峰缺陷,而驼峰缺陷的出现会严重降低成形质量与性能。为此,本文采用数值模拟与实验研究相结合的方式,开展激光熔丝增材制造过程驼峰形成机理的研究。本文完成的工作如下:(1)选择铝合金5A06作为基板和丝材的材料,开展激光熔丝增材制造实验,研究不同工艺参数对沉积层成形形貌的影响。研究结果表明:当激光功率越大,扫描速度越快,送丝速度越快,送丝角度接近60°时,驼峰越容易形成。(2)基于驼峰形成的工艺参数范围,建立了铝合金激光熔丝增材制造熔池数学模型,获得了有无驼峰形成时的温度场与熔池流动行为。通过对比发现,在有驼峰形成时熔池的温度较高且后向液态金属流动更剧烈;而无驼峰形成时,熔池中的温度变化范围较小,且熔融金属的流动行为较平缓。(3)在有驼峰形成的数学模型基础上,分析了不同工艺参数、热物性参数及表面张力、反冲压力等物理因素对驼峰形成过程的影响。研究发现细长型的熔池形成、熔滴的高冲击力、熔池中激烈的熔融金属流动行为均是驼峰缺陷形成的影响因素。基于上述研究成果,探明了驼峰的形成机理。在高扫描速度条件下,基板上形成的熔池又窄又长,熔池中的大部分熔融金属向熔池尾部方向流动形成波峰,同时在金属蒸汽的反冲压力和高速下落的熔滴作用下,熔池表面受到极大的冲击力发生变形,熔池中的熔融金属开始剧烈地向熔池后方流动,波峰填充逐步长大。由于激光的快速移动,波谷处的薄液态金属通道在表面张力的作用下快速凝固,之前形成的波峰由于受不到前方熔池的热量影响,以从下往上的方式逐渐凝固,从而形成驼峰缺陷。

关键词：激光熔丝增材制造熔池动态行为数值模拟驼峰缺陷形成机理