激光工程化凈成型促進(jìn)添加制造與修復(fù)技術(shù)的發(fā)展

1、1引言引言激光工程化凈成形技術(shù)（LaserEngineeredShapingLENS）是一種新的快速成形技術(shù)，它由美國(guó)Sia國(guó)立實(shí)驗(yàn)室首先提出，也有資料將LENS譯成“激光近形制造技術(shù)”或者“激光近凈成形技術(shù)”。它將選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)和激光熔覆（LaserCladding）技術(shù)相結(jié)合，快速獲得致密度和強(qiáng)度均較高的金屬零件。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的工作原理如下：首先在計(jì)算機(jī)上通過CAD軟件天生零件的CAD實(shí)體模型，并且將該實(shí)體模型離

2、散化天生STL文件；然后利用切片軟件讀取STL文件，將零件切成一系列薄層，并天生每一層的掃描軌跡；最后在活塞工作臺(tái)上逐層展上金屬粉末，用相應(yīng)的每層掃描軌跡控制激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，形成所需外形的金屬零件。通過選擇性激光燒結(jié)得到的金屬零件實(shí)際上是密度和強(qiáng)度都很低的多孔金屬零件。要進(jìn)步這種多孔金屬零件的強(qiáng)度，必須采用浸滲樹脂、低熔點(diǎn)金屬或熱等靜壓等后處理方法。但這些后處理方法既改變了金屬零件的性能和精度，又延長(zhǎng)了零件加工的時(shí)間，從而

3、失往快速成形技術(shù)的特色。激光熔覆技術(shù)是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法，它是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。激光熔覆可以通過兩種方法完成：其一是預(yù)先放置疏松粉末涂層，然后用激光重熔；其二是在激光處理時(shí)，采用氣動(dòng)噴注法把粉末注進(jìn)熔池中。激光熔覆技術(shù)的本質(zhì)是利用高功率激光將金屬粉末直接加熱至熔化，從而形成材料間的冶金結(jié)合。激光熔覆形成的材料組織致

4、密、性能優(yōu)良。激光工程化凈成形技術(shù)將選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，既保持了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形零件的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺點(diǎn)。它最大的特點(diǎn)是制作的零件密度高、性能好，可作為結(jié)構(gòu)零件使用。該技術(shù)的缺點(diǎn)是需使用高功率激光器，設(shè)備造價(jià)昂貴；成形時(shí)熱應(yīng)力較大，成形精度不高。目前，激光工程化凈成形技術(shù)可用于制造成形金屬注射模、修復(fù)模具和大型金屬零件、制造大尺寸薄壁外形的整體結(jié)構(gòu)零件，也可用于加工活性金屬如鈦、鎳、鉭

5、、鎢、錸及其它特殊金屬。2激光工程化激光工程化凈成形系成形系統(tǒng)的組成激光工程化凈成形技術(shù)是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的結(jié)合，因此其工作原理及系統(tǒng)的組成與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)相似。本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的激光工程化凈成形系統(tǒng)共由四部分組成：計(jì)算機(jī)、高功率激光器、活塞式展粉器和X—Y工作臺(tái)。(1)計(jì)算機(jī)在激光工程化凈成形系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)將參與零件成形全部過程，該過程包括兩個(gè)階段：①成形預(yù)備階段。建立零件的CAD實(shí)體模型，并將該CAD實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成S

6、TL文件，對(duì)零件的STL文件進(jìn)行切片處理，天生一系列具有一定厚度的薄層及每一薄層的掃描軌跡；②成形加工階段。對(duì)系統(tǒng)中各部件（包括激光器光閘、校正光開關(guān)、保護(hù)氣氣閥、展粉電機(jī)、活塞電機(jī)以及X—Y工作臺(tái)電機(jī)等等）進(jìn)行同一指令下的有序控制，完成金屬零件的加工過程。(2)高功率激光器在選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)中，金屬粉末往往與低熔點(diǎn)添加粘結(jié)劑相混合，激光燒結(jié)時(shí)只是將粘結(jié)劑熔化，熔化的粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起形成金屬零件坯體，因此激光器的功象使粉末上

7、表面的寬度經(jīng)常大于熔覆面寬度兩倍之多，從而使相臨掃描線上沒有足夠厚度的粉末參與掃描熔覆，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描熔覆加工。這種粉末爆炸迸飛現(xiàn)象是在高功率脈沖激光熔覆加工中所特有的現(xiàn)象，原因有兩個(gè)：其一是該激光器一般運(yùn)行在500W的均勻功率上，但脈沖峰值功率可高達(dá)10kW，大于均勻功率15倍之多；其二是脈沖激光使加工呈不連續(xù)狀態(tài)，在展粉層上形成熱的周期性劇烈變化。在本實(shí)驗(yàn)中，通過兩種辦法的綜合運(yùn)用有效地減小了粉末爆炸迸飛現(xiàn)象的發(fā)生：(1)在展上一

8、層金屬粉末之后，均勻滴注20%的502—丙酮溶液，待丙酮完全蒸發(fā)之后，金屬粉末就會(huì)在502膠的作用下粘結(jié)在一起，從而減小粉末的爆炸迸飛。(2)加工表面位于激光焦點(diǎn)之下的某一位置。在一般的快速成形中，都盡可能使加工表面位于激光焦點(diǎn)處，這樣既保證最大的加工精度又使激光能量充分聚集。但是在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，高能量的聚集恰正是粉末爆炸迸飛的直接原因，因此將熔覆面放到焦點(diǎn)以下的某一位置可以使激光能量適當(dāng)?shù)胤稚?，有效地減小粉末爆炸迸飛現(xiàn)象的發(fā)生。但是激

9、光光斑直徑會(huì)變大，在減小粉末爆炸迸飛并進(jìn)步加工效率的同時(shí)對(duì)加工精度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。在本實(shí)驗(yàn)中綜合運(yùn)用上述兩種方法，當(dāng)光斑直徑取1.5mm時(shí)既保證了一定的加工精度，又有效地減小粉末爆炸迸飛現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到很好的連續(xù)加工效果。3.3加工表面質(zhì)量題目及其解決在激光掃描熔覆過程中，每一層的表面質(zhì)量都至關(guān)重要，它總是下一層加工面的基礎(chǔ)，所以單層表面的粗糙度以及缺陷直接影響后續(xù)加工質(zhì)量，而其積累結(jié)果將決定金屬零件的終極天生質(zhì)量。影響加工表面質(zhì)量

10、的因素很多，這里主要討論脈沖激光光斑重合率以及掃描輪廓線對(duì)表面質(zhì)量的影響。(1)光斑重合率對(duì)表面質(zhì)量的影響脈沖激光光斑重合率是指相臨兩個(gè)脈沖光斑或相臨兩條掃描線間的重合程度。當(dāng)兩個(gè)相臨光斑完全重合時(shí)，重合率為100%；相切時(shí)為0；相交時(shí)則介于0～100%之間。光斑重合率計(jì)算公式如下：η=l2r100%(1)式中l(wèi)的長(zhǎng)度決定于光斑半徑r、脈沖頻率f和掃描速度v，當(dāng)激光脈沖頻率f取2Hz時(shí)，l與v的關(guān)系如下式所示：2rl=v(2)將式（2）

11、代進(jìn)式（1）并加以整理可得：η=（1v2r）100%(3)由式（3）可以看出，光斑重合率隨掃描速度增加而減小、隨光斑半徑增加而增加。由于光斑重合率的取值范圍在0～1之間，所以要滿足下面的關(guān)系式:0＜1v2r＜1(4)式中1v2r＜1是顯然的。由0＜1v2r可得v＜2r，即掃描速度必須小于激光光斑的直徑。相反，若v＞2r，相鄰光斑則完全分離，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的熔覆燒結(jié)，顯然無法天生實(shí)體零件。理論上講，重合率越大加工后的表面越均勻，然而過大的重