《環形雷射光內同軸送絲熔覆光絲耦合及熱作用機制》是依託蘇州大學，由傅戈雁擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：環形雷射光內同軸送絲熔覆光絲耦合及熱作用機制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：傅戈雁
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在雷射熔覆製造領域，同步送絲熔覆因其無發散、易控制、表面質量好、材料利用率高等優勢而成為研究熱點。但現有技術中因光、絲不同軸，存在掃描方向性、離焦敏感性以及受熱不均勻性等突出問題。本項目首次採用圓錐-圓環雙反射鏡雷射變換技術，獲得了環形聚焦雷射束，實現了雷射光內同軸送絲。該方法從根本上克服了現有旁送絲缺陷，無論聚、離焦皆能實現光、絲精確耦合；絲材受熱、熔化及熔池對流傳熱傳質均勻；環形光斑形成的光鞍效應還能彌補兩側能量不足，改善熔道冶金熔合質量。項目重點研究環形光輻照、同軸送絲條件下的光絲空間耦合、熔滴形成、熔池對流傳質、熔體結晶凝固和表界面構形、熔道邊界熱熔合等新機制與新效應。對耦合及熱作用溫度場、流場進行數值模擬，建立熔滴過渡模型。同時進行新型同軸光路鏡組、噴頭結構的最佳化。本項目為雷射熔覆製造、雷射成形焊接、雷射表面改性及雷射修復再造等雷射先進制造技術提供新的光料耦合方法與理論。
結題摘要
金屬材料同步送絲雷射熔覆直接成形製造中，雷射束與絲材的耦合是關鍵技術。本項目基於中空雷射變換技術，提出了中空雷射光內送絲新方法，開展這種耦合方式下，光、絲相互作用機制與金屬實體成形效應研究。 採用圓錐-圓環雙反射鏡光路，獲得了環形聚焦雷射束，研製成功並最佳化了光、絲同軸耦合的噴頭，可實現光、絲穩定精確耦合。送絲角恆定為90度，無送絲位置和送絲角度的影響，大大提高了工藝穩定性和一致性。獲得的熔道各向同性，消除了光外送絲熔覆的掃描方向性問題。 系統研究了雷射功率、送絲速率、掃描速度和離焦量等因素對單道熔覆層表面形貌以及熔層高度、寬度的影響，分析了送絲熔覆從“熔滴”向“熔橋”過渡的條件，建立了熔層連續成形的幾何特徵與工藝參數關係模型。提出了環形光輻照能“鞍形”分布理論，建立了絲材在環形雷射輻照下熔覆過程的有限元模型，對絲材受熱後進入熔池的溫度場和流場進行了數值模擬。仿真結果為：絲材受熱為一維指數增熱模型，熔池溫度場分布呈彗星狀，高溫區域形狀為“鞍形”，對流傳質為雙對流環。 套用雷射光內送絲理論和工藝模型進行了直牆、迴轉體、扭曲葉片等多種薄壁實體的堆積成形。建立了薄壁件成形過程有限元模型，分析了溫度場的演變和定點溫度的熱循環，並通過仿真-控制實現了雷射功率等參數實時調節。性能分析表明：成形件表面較光滑，尺寸較精確，組織細小緻密，結合面平直、強度好且均勻。 雷射光內送絲熔覆方法從根本上克服了現有側向送絲缺陷，可在垂直方向寬區間達到光與絲材的精確耦合，絲材受熱、熔化、熔池的對流傳熱傳質皆呈圓對稱，熔道各向同性，組織緻密均勻。研究期間發表論文25篇，其中SCI收錄4篇、EI收錄18篇、國核心刊5篇；依託課題指導研究生學位論文8篇，另有在讀博士後2人，在讀博士3人。 在讀碩士8人；專利申請12項，其中獲授權8項，發明專利2項。研究豐富了雷射與材料相互作用理論，為中空雷射光內送絲製造新技術、新裝置提供理論基礎，促進了雷射熔覆成形製造技術的發展。 目前進一步研究解決的問題有：絲材對雷射的反射仍然存在；熔滴連續過渡的工藝參數範圍較窄，熔道表面平整度與送粉熔覆尚有差距；絲材與雷射束在啟停階段的配合要求高，易造成絲與熔道粘連。進一步提出了雷射光內複合送粉/送絲方法並進行了預研，在試圖解決上述問題的同時，更發現了雷射光內送料更多的研究價值和套用範圍。
