中空激光光内送粉快速制造光粉相互作用机制与效应研究

提出一种中空激光光内送粉成形制造新思路。在送粉激光加工成形中，改国内外正热点研究与应用的多粉管光外斜送粉为单粉管光内正送粉，将聚焦实心光束改为可调占空比的中空光束。预研证明了实现中空光束变换与光内送粉的可行性，在光粉动态耦合、粉末利用率（沉积率）等方面取得了显著效应。.理论分析、实验检测和模拟相结合，研究中空光束、光内单粉束与熔池相互作用的新机制、新效应。重点研究光斑内径向光强分布可调节，扫描光能呈可变鞍型辐照下，中空光与光内粉气两相流、同轴气帘的空间耦合，熔池的热作用与边界热熔合及凝固构形的作用机制、效应和工艺性能。建立能预测熔层性能和形貌，优化光内送粉及中空光占空比参数的控制模型和工艺数据库，优化光路镜组和喷嘴喷头。可丰富激光与材料相互作用理论，促使激光快速制造、激光熔覆、激光修复、激光合金化、激光填料焊接、激光细微制造更优质、精密、高效、节材，环保，形成具有自主知识产权的应用技术。

在金属材料同步送粉激光熔覆直接成形制造工艺中，激光束与粉束的耦合是关键技术，光粉耦合喷头是其关键器件。本项目提出了中空激光光内送粉新方法，并开展这种耦合方式下光、粉、气相互作用机制与效应研究。. 研制了适合不同激光源的系列中空光光内送粉喷头，设计了光束变换镜组并对其面型进行了优化。聚焦点为实心光斑，最小光斑直径0.3mm，不同聚焦角的镜片可在不同离焦量处得到不同占空比、光能均布对称的环形光斑；粉束细、挺、准、直，离焦波动影响很小，有效耦合区间加大；包围粉束设计了准直气帘，实现了光、粉、气共轴精确耦合，建立了光、粉、气耦合模型。进行了熔覆过程瞬态温度场模拟，环形光扫描辐照下扫描线宽方向能量呈鞍形分布。当占空比增大，熔池横截面上会出现熔体的左右对称双对流漩涡环。研究得出不同占空比和不同工艺参数匹配的有效区间，建立了熔道宽高比与各工艺参数的关系模型。进行了各种三维加工熔覆和实体堆积，分析了成形机理，建立了构型预测模型和光内送粉薄壁成形工艺模型。光粉几何耦合精度的提高和光鞍效应促进了热耦合效果的提升。粉末发散和光能浪费大大减少，粉末沉积率达到60%—80%。成形表面喷洒粘附的粉末未熔颗粒显著减少，成形表面粗糙度大大降低，熔道缺陷减少。熔道间为完全冶金结合，熔覆组织细小、均匀、致密。. 研究期间发表论文25篇，其中SCI收录5篇、EI收录22篇；依托课题指导研究生学位论文15篇；获授权专利19项，其中发明专利4项。光内送粉新方法已在国内外产生较大影响，光内送粉喷头与技术已在一些国内外企业得到应用。研究丰富了激光与材料相互作用理论，为中空激光光内送粉制造新技术、新装置提供理论基础，促进了激光增材制造的优质、精密、高效、节能和绿色化。