激光先進(jìn)制造技術(shù) 課件 第6章 激光復(fù)合制造技術(shù)

激光先進(jìn)制造技術(shù)LaserAdvancedManufacturingTechnology1.激光起源及激光特種加工技術(shù)2.激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)3.激光熔覆技術(shù)4.超高速激光熔覆技術(shù)5.激光焊接技術(shù)6.激光復(fù)合制造技術(shù)7.激光微細(xì)復(fù)合加工技術(shù)課程內(nèi)容激光復(fù)合制造技術(shù)1960年發(fā)明第一臺(tái)激光器3/41單一能場(chǎng)激光制造技術(shù)1978年，Steen將激光焊接與電弧相復(fù)合隨后的幾十年，相繼涌現(xiàn)出一大批激光復(fù)合制造技術(shù)激光復(fù)合制造技術(shù)復(fù)合制造技術(shù)國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院(CIRP)定義：一種基于若干種工藝/工具/能量源同步工作、過(guò)程機(jī)理與相互作用可控且對(duì)工藝/零件性能有顯著影響的技術(shù)。4/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光為主激光為輔電弧輔助激光焊接水射流導(dǎo)引激光切割/打孔感應(yīng)加熱輔助激光焊接/熔覆電磁場(chǎng)輔助激光焊接/熔覆電流輔助激光焊接超聲振動(dòng)輔助激光焊接/熔覆激光熔覆-沖擊復(fù)合制造激光輔助電弧焊激光輔助化學(xué)加工/微加工激光輔助切割激光輔助摩擦攪拌焊激光輔助冷噴涂激光輔助車(chē)削激光輔助電化學(xué)沉積激光復(fù)合制造技術(shù)激光復(fù)合增材制造技術(shù)：以增材制造為主體工藝，在零件制造過(guò)程中采用一種或多種輔助工藝與增材制造工藝耦合協(xié)同工作，使得工藝/零件性能改進(jìn)的先進(jìn)制造技術(shù)。激光熔覆-超聲復(fù)合制造5/41激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造激光熔覆-沖擊復(fù)合制造激光復(fù)合制造技術(shù)超聲輔助激光制造系統(tǒng)主要由超聲波動(dòng)裝置、6000W半導(dǎo)體激光器、雙桶送粉裝置、控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。6/41激光熔覆-超聲復(fù)合制造超聲發(fā)生器換能器變幅桿(器)激光復(fù)合制造技術(shù)超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要包含：超聲發(fā)生器、超聲波換能器、復(fù)合型變幅桿（器）、法蘭盤(pán)、繼電器以及變壓器等。7/41激光熔覆-超聲復(fù)合制造激光復(fù)合制造技術(shù)超聲在熔融金屬介質(zhì)中傳播時(shí)，能夠細(xì)化晶粒、提高熔池內(nèi)部流體的流動(dòng)速度、增強(qiáng)熔池?cái)嚢栊Ч约霸黾尤鄢責(zé)彷斎?。超聲振?dòng)主要作用：空化效應(yīng)聲流效應(yīng)諧振效應(yīng)熱效應(yīng)8/41激光熔覆-超聲復(fù)合制造超聲振動(dòng)對(duì)金屬溶體主要的作用包括：空化效應(yīng)：超聲波在液態(tài)金屬中傳播時(shí)，會(huì)在部分時(shí)間和空間內(nèi)產(chǎn)生高壓、低壓相間的聲波場(chǎng)，因此會(huì)導(dǎo)致局部壓強(qiáng)瞬間降至介質(zhì)飽和蒸汽壓以下而形成氣泡，即超聲空化現(xiàn)象。氣泡徑向膨脹和短暫存在期間，其周?chē)a(chǎn)生高速液流和局部高溫高壓，這樣會(huì)對(duì)金屬溶體的化學(xué)反應(yīng)、物理性能以及金屬斷裂等問(wèn)題產(chǎn)生影響。聲流效應(yīng)：超聲波在金屬溶體內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)激發(fā)局部的微小渦流和液體振動(dòng)，促進(jìn)熱量和物質(zhì)的傳遞和混合，增加分散效果和鑄態(tài)組織的細(xì)化等。諧振效應(yīng)：超聲波的特定頻率會(huì)與材料的某種自然固有振動(dòng)模式相匹配，從而形成諧振，增加層流渦流頻率和勢(shì)能等，進(jìn)一步增強(qiáng)液體傳質(zhì)傳熱效應(yīng)，以及溶解、晶化、相變等過(guò)程的速率。熱效應(yīng)：超聲波的傳播會(huì)造成局部熱源的形成和分布不均，這會(huì)對(duì)金屬溶體的溫度場(chǎng)和加熱速率等方面產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響晶體的生長(zhǎng)和熱傳導(dǎo)，以及熔化、凝固等狀態(tài)的變化行為。10/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-超聲復(fù)合制造鎳基高溫合金IN939熔覆層橫截面:(a)無(wú)超聲;(b)有超聲激光復(fù)合制造技術(shù)11/41激光熔覆IN939熔覆層界面結(jié)合區(qū)微觀組織：(a)無(wú)超聲;(c)無(wú)超聲界面結(jié)合區(qū)局部微觀組織;(b)有超聲;(d)有超聲界面結(jié)合區(qū)局部微觀組織激光熔覆-超聲復(fù)合制造鎳基高溫合金12/41激光復(fù)合制造技術(shù)熔覆層顯微硬度對(duì)比:(a)無(wú)超聲;(b)有超聲激光熔覆-超聲復(fù)合制造鎳基高溫合金激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造在激光熔覆/熔注過(guò)程中施加單一電場(chǎng)、單一磁場(chǎng)或同時(shí)施加電磁復(fù)合場(chǎng)的一種激光復(fù)合表面改性技術(shù)。13/41電磁輔助激光熔覆實(shí)驗(yàn)：(a)激光熔覆實(shí)驗(yàn)過(guò)程;(b)30mT磁場(chǎng)中的粉末狀態(tài)激光復(fù)合制造技術(shù)電磁場(chǎng)激發(fā)裝置包括：勵(lì)磁線圈、硅鋼鐵芯、隔離調(diào)壓器、空氣開(kāi)關(guān)以及配套夾具。14/41電磁場(chǎng)仿真：(a)1/4線圈的磁感線分布;(b)線圈周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造15/41激光復(fù)合制造技術(shù)機(jī)械攪拌效應(yīng)可以細(xì)化晶粒、減少熔池內(nèi)部氣孔率；趨膚效應(yīng)使得電流集中在熔池的表層；原子團(tuán)起伏效應(yīng)增大了形核數(shù)量促使晶粒在一定程度上細(xì)化、均勻化；焦耳熱效應(yīng)延長(zhǎng)了熔池熔體存在時(shí)間造成熔池組織晶粒粗化。電磁場(chǎng)對(duì)金屬熔體的影響：機(jī)械攪拌效應(yīng)趨膚效應(yīng)原子團(tuán)起伏效應(yīng)焦耳熱效應(yīng)激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造電磁場(chǎng)對(duì)金屬熔體的影響主要包括以下幾個(gè)方面：機(jī)械攪拌效應(yīng)：電磁場(chǎng)在熔體中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而形成渦流，渦流與熔池的流動(dòng)形成交織，加強(qiáng)了熔池的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的混合效果，促進(jìn)熔體的均勻化。趨膚效應(yīng)：電磁場(chǎng)在熔池中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)抵消外部電磁場(chǎng)的垂直分量，使電流在熔池表面附近形成一個(gè)薄層，這個(gè)薄層稱(chēng)為趨膚層。趨膚層內(nèi)的電流密度比熔池內(nèi)部的電流密度大得多，使得趨膚層成為整個(gè)電磁場(chǎng)作用區(qū)域內(nèi)最容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和熱傳遞的地方。原子團(tuán)起伏效應(yīng)：在電磁場(chǎng)作用下，熔池表面形成波浪形，即原子團(tuán)起伏效應(yīng)。隨著電磁場(chǎng)的變化，原子團(tuán)在熔池表面以一定的周期性運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)了原子團(tuán)之間的混合作用和物質(zhì)交換。焦耳熱效應(yīng)：電磁場(chǎng)在熔池中會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B，當(dāng)熔池內(nèi)部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電阻時(shí)，電流I就會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生，I與B垂直，I又產(chǎn)生了熱效應(yīng)，即焦耳熱。焦耳熱提高了熔池溫度，有利于提高熔池的熱傳導(dǎo)率和擴(kuò)散速率，有助于促進(jìn)物質(zhì)分子的混合和均勻。17/41激光復(fù)合制造技術(shù)電磁場(chǎng)作用下激光熔池形核機(jī)制圖采用施加電磁場(chǎng)輔助激光熔覆能夠顯著地提高熔池的形核率，這有利于涂層凝固組織的晶粒細(xì)化。電磁場(chǎng)對(duì)熔池金屬凝固過(guò)程的影響：晶粒細(xì)化--對(duì)形核機(jī)制與晶體生長(zhǎng)過(guò)程的影響減少偏析--對(duì)組織成分分布的影響激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造18/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造Al2O3/Fe901激光熔覆層底部結(jié)合區(qū)OM顯微組織：(a)Fe901涂層;(b)Al2O3/Fe901復(fù)合涂層(0mT);(c)10mT;(d)20mT;(e)30mT;(f)40mT19/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造Al2O3/Fe901(a)沿深度方向顯微硬度;(b)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下制備復(fù)合涂層的平均顯微硬度三種涂層從表面至基體的硬度均呈梯度分布，并且Al2O3/Fe901涂層與未施加電磁場(chǎng)制備的復(fù)合涂層顯微硬度波動(dòng)較大，涂層頂部區(qū)域和稀釋過(guò)渡區(qū)域的顯微硬度值低于中部區(qū)域。施加電磁場(chǎng)制備復(fù)合涂層的顯微硬度值整體波動(dòng)較小、更均勻。20/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-電磁場(chǎng)復(fù)合制造Al2O3/Fe901電磁輔助激光熔覆Al2O3/Fe901復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)曲線激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造21/4122/41激光復(fù)合制造技術(shù)大型激光熔覆裝備：(a)加工平臺(tái);(b)機(jī)械手激光熔覆成套設(shè)備是光、機(jī)、電一體化的集成系統(tǒng)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的半導(dǎo)體/光纖/碟片進(jìn)口激光器，配套專(zhuān)用冷水機(jī)組、除塵系統(tǒng)、光路保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能化送粉系統(tǒng)等，組成多軸聯(lián)動(dòng)柔性加工系統(tǒng)，具有加工效率高、穩(wěn)定性好、操作安全、外形美觀、布局合理等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足金屬工件激光表面改性工藝需求，廣泛應(yīng)用于電力、能源、交通、冶金、機(jī)械制造、礦山、石化、鋼鐵等領(lǐng)域。激光熔覆-沖擊復(fù)合制造23/41激光復(fù)合制造技術(shù)機(jī)器人集成激光沖擊加工系統(tǒng)(a)激光器及其控制器(b)光路傳輸及其控制;(c)激光集成操作系統(tǒng);(d)機(jī)器人操作平臺(tái)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造24/41激光復(fù)合制造技術(shù)(a)熔覆層激光沖擊區(qū)域的尺寸示意圖;(b)熔覆層頂部激光沖擊區(qū)域的局部放大圖,紅色箭頭表示激光沖擊路徑,線1和線2上的14個(gè)點(diǎn)為殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)激光熔覆參數(shù)：激光輸出功率1800W、光斑直徑3mm、光斑搭接率22.5%、光斑掃描速率4mm/s、送粉速率5L/min、保護(hù)氣體速率5L/min。激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)：激光脈寬10ns、激光能量9J、光斑直徑3mm。選用厚度1mm的流水作為透明約束層，100μm的鋁箔作為能量吸收層，在激光沖擊過(guò)程中，激光束與熔覆層表面始終保持垂直，并且相鄰光斑之間橫向與縱向搭接率均為50%。激光熔覆-沖擊復(fù)合制造25/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼激光沖擊前熔覆層截面不同區(qū)域微觀組織圖未經(jīng)激光沖擊處理時(shí)，熔覆層截面頂層區(qū)域存在大量的柱狀晶，其平均尺寸約為8-12μm。過(guò)渡區(qū)域的微觀組織主要為尺寸在5μm到20μm范圍內(nèi)的短小的柱狀晶，且相鄰兩晶粒之間的間距約為5μm。26/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼激光沖擊后熔覆層截面不同區(qū)域微觀組織圖經(jīng)激光沖擊后熔覆層頂部區(qū)域出現(xiàn)大量細(xì)小的等軸晶，其平均尺寸約為5μm。經(jīng)激光沖擊后兩側(cè)熔覆層與基體結(jié)合區(qū)域針狀晶的尺寸由50-90μm變?yōu)?0μm左右，晶粒取向仍垂直于結(jié)合界面，且相鄰兩晶粒之間的間距變化不大，仍為3-5μm。27/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼激光沖擊前后熔覆層表層及激光沖擊后熔覆層表層以下0.7mm深度的硬度分布;激光沖擊前后熔覆層沿深度方向的硬度分布未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化熔覆層表層的平均硬度值約為227HV，而經(jīng)激光沖擊處理后熔覆層表層及表層以下0.7mm深度處的顯微硬度平均值分別為372HV及305HV。28/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼激光沖擊前后熔覆層溝槽區(qū)域沿線1向下的橫截面顯微硬度分布圖(a)未經(jīng)激光沖擊的熔覆層;(b)激光沖擊后的熔覆層未經(jīng)激光沖擊處理時(shí)熔覆層截面的顯微硬度分布均勻，硬度值基本保持在221HV到232HV之間。經(jīng)激光沖擊后熔覆層近表層(約0.6mm深度內(nèi))硬度均值從227HV增加到370HV左右，在0.6mm到1.6mm深度區(qū)域內(nèi)硬度值從227HV左右增加到298HV左右。29/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光沖擊前后熔覆層表層線1與線2處殘余應(yīng)力分布：(a)沖擊前熔覆層;(b)沖擊后熔覆層激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼未經(jīng)激光沖擊時(shí)熔覆層表面沿線1和線2方向的殘余應(yīng)力值在熔覆層中心區(qū)域及兩側(cè)的結(jié)合區(qū)域均保持在38MPa到81MPa。經(jīng)大面積激光沖擊強(qiáng)化后熔覆層表層沿線1和線2方向的殘余應(yīng)力值變?yōu)樨?fù)值，且在熔覆層兩側(cè)結(jié)合區(qū)其殘余應(yīng)力均值約為-225MPa，而在熔覆層中心區(qū)域殘余應(yīng)力均值約為-414MPa。經(jīng)大面積激光沖擊后，熔覆層表面的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。30/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光沖擊前后熔覆層溝槽區(qū)域沿線1向下的橫截面殘余應(yīng)力分布圖(a)未經(jīng)激光沖擊的熔覆層;(b)激光沖擊后的熔覆層激光熔覆-沖擊復(fù)合制造316L不銹鋼未經(jīng)激光沖擊時(shí)熔覆層橫截面存在均勻分布的殘余拉應(yīng)力，其應(yīng)力值基本保持在38MPa到81MPa之間。在熔覆層近表層區(qū)域經(jīng)大面積激光沖擊后殘余應(yīng)力均值從56MPa左右變?yōu)?183MPa左右，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。在過(guò)渡區(qū)域的上半部分拉應(yīng)力同樣被消除，并引入了0到-153MPa范圍內(nèi)的殘余壓應(yīng)力。激光熔覆-沖擊復(fù)合制造實(shí)例31/41激光復(fù)合制造技術(shù)進(jìn)氣機(jī)匣和3.7米長(zhǎng)飛機(jī)垂尾主梁修復(fù)件針對(duì)垂尾梁在機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤加工損傷以及因服役而產(chǎn)生的服役損傷進(jìn)行快速修復(fù)，實(shí)現(xiàn)垂尾梁高質(zhì)量、高效率、低成本的再制造具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。激光輔助電化學(xué)沉積32/41激光復(fù)合制造技術(shù)在電沉積系統(tǒng)中增加激光輻照系統(tǒng)，控制激光輻照沉積區(qū)域，實(shí)現(xiàn)激光輔助電化學(xué)沉積加工。電沉積系統(tǒng)一般由陰陽(yáng)極、沉積液槽、沉積液、脈沖電源、電流表/示波器和蠕動(dòng)泵組成。示波器沉積液槽激光輔助電化學(xué)沉積--熱效應(yīng)33/41激光復(fù)合制造技術(shù)電化學(xué)工作站測(cè)試激光輻照下的i-t曲線不同激光單脈沖能量下溶液的溫度梯度圖激光可以提高加工區(qū)域鍍液溫度降低活化能提高極限電流密度提高沉積速率和形核幾率、細(xì)化晶粒（激光強(qiáng)化電化學(xué)沉積）輻照區(qū)域局部發(fā)生電化學(xué)沉積（激光誘導(dǎo)電化學(xué)沉積）34/41激光復(fù)合制造技術(shù)激光引發(fā)空泡生成-潰滅過(guò)程示意圖激光力作用示意圖高溫高壓等離子體空泡演化溫度梯度對(duì)流緩解濃差極化及時(shí)消除氫氣泡加快沉積反應(yīng)速度細(xì)化晶粒抑制氣孔等缺陷激光線性?huà)呙钑r(shí)沉積液溫度分布圖(a)0s;(b)0.005s;(c)0.012s;(d)0.017s合物理場(chǎng)中模擬基板壓力分布圖(a)0.012s;(b)0.013s;(c)0.014s;(d)0.015s激光輔助電化學(xué)沉積—力效應(yīng)激光強(qiáng)化電化學(xué)沉積35/41激光復(fù)合制造技術(shù)利用激光的熱力效應(yīng)在原本可以實(shí)現(xiàn)電沉積的基礎(chǔ)上增加電荷的轉(zhuǎn)移速度，使平衡電位朝正方向移動(dòng)，為靜止溶液提供熱梯度微區(qū)攪拌，抑制濃差極化，提高鍍層的沉積速率、形貌質(zhì)量和服役性能。不同激光單脈沖能量下晶粒大小不同激光單脈沖能量下鍍層的腐蝕后的SEM圖(a)0μJ;(b)16μJ鍍層截面厚度（a）無(wú)激光（b）有激光不同激光單脈沖能量的鍍層形貌（a）-（f）分別為0、10、15、20、25、30μJ36