激光再制造中激光束與損傷基體耦合機制及實驗研究

1、激光再制造中激光束與零件缺陷耦合機制及實驗研究機械工程學(xué)院方艷導(dǎo)師： 教授、王云山 教授2014.09.06課題研究意義激光再制造屬于個性化定制修復(fù)，它基于數(shù)字模型，采用分層制造、逐層疊加的方式生成三維實體，能夠恢復(fù)零件尺寸、性能，甚至有所提高。 圖1. 激光再制造系統(tǒng) 課題研究意義 激光再制造對象是廢舊零件，再制造損傷部位的個性化強、損傷形式不確定、磨損區(qū)域形狀不規(guī)則，這些不穩(wěn)定因素將導(dǎo)致再制造過程也發(fā)生改變，最終導(dǎo)致再制造質(zhì)量發(fā)生改變。 因此，需要深入研究激光與損傷基體的作用機理，以使激光再制造建立在科學(xué)性、可重復(fù)的基礎(chǔ)上。 圖2.損傷進口污水增壓泵蓋 圖3. 激光束與損傷基體的相互作用

2、課題研究意義 因此，本文在損傷邊界識別的基礎(chǔ)上，建立了激光熔池模型，并利用激光熔池形貌檢測系統(tǒng)進行激光束與損傷基體作用的檢測實驗。 獲取零件的點云數(shù)據(jù) 缺陷識別 制定、優(yōu)化再制造工藝 零件表面清洗 硬度檢測 確定零件材料 損傷部位再制造 尺寸檢測 硬度、精度檢測 表面探傷 開始圖4 . 損傷零件再制造流程圖缺陷識別 本文針對局部深層損傷區(qū)域定位問題提出了基于三角網(wǎng)格的特征面積累加的法矢法，該類損傷指的是損傷深度較深，需要多層堆積修復(fù)的損傷。 該算法在點的特征面積準(zhǔn)則下，通過計算法矢夾角來識別初始缺陷邊界特征點，避免了求頂點曲率的復(fù)雜計算過程，并且有效減少了邊界中的噪聲點。 圖5. 損傷進口吊裝

3、設(shè)備 缺陷識別 對于尖銳邊界來說，直接通過比較鄰近點的法矢夾角確定尖銳邊界位置；對于光滑邊界來說，曲面與曲面之間平滑過渡，鄰近點的法矢夾角小，導(dǎo)致無法直接通過比較法矢夾角實現(xiàn)邊界定位，但是曲面過渡區(qū)曲率大，所以過渡區(qū)的點云密度高，三角面片的面積也較小。利用該特點對面積進行累加，達到閾值后，進行法矢比較。圖6 . 零件邊界 圖7. 法矢累加法局部損傷缺陷的邊界識別流程圖8. 局部深層損傷邊界識別流程 激光熔池模型 在假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用熱傳導(dǎo)基本理論、傅氏積分變換可求解出瞬時點熱源溫度場，進而推出環(huán)熱源、面熱源溫度場模型。通過在溫度場模型中假設(shè)激光熔池邊緣處溫度為工件的熔點溫度，即可建立激光熔池模

4、型。簡化模型（6個假設(shè)）熱傳導(dǎo)微分方程瞬時點熱源溫度場瞬時面熱源溫度場連續(xù)加熱高斯熱源溫度場假設(shè)激光熔池邊緣處溫度為工件的熔點溫度T0激光熔池模型圖9. 激光熔池模型 激光熔池模型 激光熔池模型確定了熔池尺寸與激光參數(shù)（包括功率、作用半徑、光斑形狀）、激光入射角度、工件材料參數(shù)（材料對激光的吸收率、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱）等參數(shù)之間的相互作用關(guān)系。熔池尺寸(待求量)激光熔池邊緣處溫度為工件的熔點溫度材料對激光的吸收率激光功率密度熱物性參數(shù)（為了簡化模型，設(shè)其為恒量）激光束作用半徑激光熔池模型(吸收率)材料對于激光的吸收率的影響因素很多(溫度、表面狀況等)，本文深入研究了損傷區(qū)域形貌對吸收率的影響

5、。損傷部位形貌復(fù)雜，很難確定損傷區(qū)域凹凸不平表面每個點的入射角及其對激光的反射吸收次數(shù)，因此，本文對損傷區(qū)域進行等效處理 。圖10. 一次吸收 圖11.三次吸收 圖12. 損傷區(qū)域的等效處理激光熔池模型吸收率為：吸收率為：吸收率為：（1） （2） （3） 激光熔池模型（4） （5） （6） 吸收率為：吸收率為：復(fù)雜光路傳輸，不再考慮激光熔池形貌檢測系統(tǒng) 實驗過程中保持CCD與工件法線夾角60度不變，鏡頭前端到熔池的距離265mm不變。 激光熔池形貌檢測系統(tǒng)圖像采集圖像處理 CCD相機 圖像采集卡視頻信號數(shù)字信號消除噪聲圖像灰度化圖像縮放裁剪閾值分割 提取像素點灰度值 計算溫度 確定零件熔點溫度

6、的位置熔池形貌分析 計算機熔池?zé)彷椛鋱D13. 激光熔池形貌檢測軟件結(jié)構(gòu)不同工件傾斜角度下熔池檢測圖14. 不同傾斜角度下熔池的模擬尺寸不同工件傾斜角度下熔池檢測圖15. 激光豎直入射水平擺放工件的熔池尺寸圖16. 15度傾斜工件的熔池尺寸不同工件傾斜角度下熔池檢測圖17. 30度傾斜工件的熔池尺寸圖18. 45度傾斜工件的熔池尺寸不同激光功率下激光熔池檢測圖 19. 工件與水平面夾角30，不同激光功率熔池的模擬尺寸不同激光功率下激光熔池檢測圖20. 600W激光加工的實驗與模擬數(shù)據(jù)圖21. 700W激光加工的實驗與模擬數(shù)據(jù)不同激光功率下激光熔池檢測圖22.800W激光加工的實驗與模擬數(shù)據(jù)圖23

7、. 900W激光加工的實驗與模擬數(shù)據(jù)不同激光功率下激光熔池檢測圖24. 1000W激光加工的實驗與模擬數(shù)據(jù)激光熔池動態(tài)光譜檢測 由于熔池光譜數(shù)據(jù)與熔池的組織、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)有密切聯(lián)系，因此利用熔池的光譜數(shù)據(jù)可以定性分析熔池的變化規(guī)律，實現(xiàn)熔池的在線監(jiān)測，達到優(yōu)化工藝的目的。 圖25. 激光熔池光譜檢測系統(tǒng) 熔池光譜檢測系統(tǒng)圖27. 光纖傳輸單元圖28. 配套裝置圖26. 光柵光譜儀圖29. 光電倍增管檢測的熔池譜線800W,45鋼，靜態(tài)熔池藍色：500V, 1nm紅色：580V, 1nm黑色：600V,0.1nm熔池光譜檢測700W定點熔凝熔池的檢測 6s 13s21s 32s運動狀態(tài)激光熔凝熔池

8、檢測 800W900W950W1000W850W圖30. 不同激光功率下、掃描速度為1mm/s的熔凝熔池光譜曲線 運動狀態(tài)激光熔凝熔池檢測圖31. 950w激光功率、不同掃描速度下熔凝熔池光譜 5mm/s4mm/s2mm/s1mm/s V槽的激光再制造實驗實驗中所用零件的材料為45鋼，尺寸為60*100*10 mm，零件表面加工出多列V槽，如圖6-9所示。V槽的尺寸B*H如圖6-10所示，實驗所用V槽尺寸共有三類，其中B1=0.5*H1，B2=H2，B3=1.5*H3。圖32. V槽零件圖33. V槽尺寸 V槽的激光再制造實驗700W功率激光加工0.95mm*1.9mm的V槽熔池形貌圖像 0.

9、05s 0.28s 0.56s 0.84s 1.12s 1.24s 1.4s 1.68s 1.96s 2.24s 2.8s 3.36s V槽的激光再制造實驗圖34. 0.95mm*1.9mmV槽加工數(shù)據(jù)圖 V槽的激光再制造實驗 利用激光熔池模型對700W激光輻照在0.95mm*1.9 mm的V槽內(nèi)表面進行模擬，其結(jié)果如表6-2所示。將V槽內(nèi)表面加工的實驗數(shù)據(jù)與模型的模擬數(shù)據(jù)進行比較。圖35. 0.95mm*1.9mmV槽加工的實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù) V槽的激光再制造實驗700W激光功率加工1.5mm*1.5mm V槽的熔池形貌圖像 0.03s 0.31s 0.57s 0.85s 1.12s 1.4

10、s 1.68s 1.96s 2.24s 2.4s 2.8s 3.36s圖36. 1.5mm*1.5mm V槽的實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù) V槽的激光再制造實驗 700W激光功率加工1.65mm*1.1 mm V槽熔池形貌圖像 0.02s 0.32s 0.44 s 0.56s 0.85s 1.13s 1.4s 1.68s 1.96s 2.24s 2.8s 3.39s V槽的激光再制造實驗圖37. 1.65mm*1.1 mm V槽的實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù) V槽的激光再制造實驗 圖39. 1.5mm*1.5mm V槽的加工結(jié)果圖40. 1.65mm*1.1 mm V槽的加工結(jié)果1mm/s速度加工的V槽圖38.

11、0.95mm*1.9mm V槽的放大圖圖42. 1.5mm*1.5mm V槽的加工結(jié)果 (a) (b) 圖41. 0.95mm*1.9mm V槽的放大圖圖43. 1.65mm*1.1 mm V槽的加工結(jié)果2mm/s速度加工的V槽石油鉆鋌再制造 石油鉆井鉆鋌刀刃磨損使其失去工作能力，利用激光再制造的方法對其進行修復(fù)，恢復(fù)其尺寸和使用性能。石油鉆鋌刀刃是復(fù)雜空間曲面，利用機器人的高柔性、易于編程、工作空間大等優(yōu)點，對其進行再制造。石油鉆井鉆鋌三條刀刃各處均勻模型，待修復(fù)量約為3mm左右。 圖44.鉆鋌磨損區(qū)點云圖45. 鉆鋌再制造路徑 激光功率900W，掃描速度3mm/s，送粉量12g/min，載

12、氣量3L/min。為了簡化再制造過程，將每條刀刃分為5段，分段進行再制造。 圖46. 鉆鋌熔覆效果圖石油鉆鋌再制造 經(jīng)檢測，激光熔覆硬度大于洛氏硬度HRC60，提高了其耐磨損性能。 總結(jié) 1.針對典型的激光再制造缺陷研制了邊界識別算法，提出了基于三角網(wǎng)格的法矢法，該方法通過分析局部深層損傷缺陷中點與點之間的法矢，確定初始缺陷邊界特征點。 2.建立了激光熔池形貌檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：面陣CCD，光學(xué)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡，濾光片等；開展了不同激光入射角度、激光功率條件下激光熔池形貌檢測實驗，分析了激光熔池形貌與激光特性、材料參數(shù)、加工工藝之間的作用關(guān)系，為激光再制造工藝的制定及優(yōu)化提供了參考。 3.建立了激光熔池光譜檢測系統(tǒng)，首次利用光柵光譜儀與光纖相結(jié)合的方法采集了運動狀