环形激光光内同轴送丝熔覆光丝耦合及热作用机制

在激光熔覆制造领域，同步送丝熔覆因其无发散、易控制、表面质量好、材料利用率高等优势而成为研究热点。但现有技术中因光、丝不同轴，存在扫描方向性、离焦敏感性以及受热不均匀性等突出问题。本项目首次采用圆锥-圆环双反射镜激光变换技术，获得了环形聚焦激光束，实现了激光光内同轴送丝。该方法从根本上克服了现有旁送丝缺陷，无论聚、离焦皆能实现光、丝精确耦合；丝材受热、熔化及熔池对流传热传质均匀；环形光斑形成的"光鞍效应"还能弥补两侧能量不足，改善熔道冶金熔合质量。项目重点研究环形光辐照、同轴送丝条件下的光丝空间耦合、熔滴形成、熔池对流传质、熔体结晶凝固和表界面构形、熔道边界热熔合等新机制与新效应。对耦合及热作用温度场、流场进行数值模拟，建立熔滴过渡模型。同时进行新型同轴光路镜组、喷头结构的优化。本项目为激光熔覆制造、激光成形焊接、激光表面改性及激光修复再造等激光先进制造技术提供新的光料耦合方法与理论。

金属材料同步送丝激光熔覆直接成形制造中，激光束与丝材的耦合是关键技术。本项目基于中空激光变换技术，提出了中空激光光内送丝新方法，开展这种耦合方式下，光、丝相互作用机制与金属实体成形效应研究。.采用圆锥-圆环双反射镜光路，获得了环形聚焦激光束，研制成功并优化了光、丝同轴耦合的喷头，可实现光、丝稳定精确耦合。送丝角恒定为90度，无送丝位置和送丝角度的影响，大大提高了工艺稳定性和一致性。获得的熔道各向同性，消除了光外送丝熔覆的扫描方向性问题。.系统研究了激光功率、送丝速率、扫描速度和离焦量等因素对单道熔覆层表面形貌以及熔层高度、宽度的影响，分析了送丝熔覆从“熔滴”向“熔桥”过渡的条件，建立了熔层连续成形的几何特征与工艺参数关系模型。提出了环形光辐照能“鞍形”分布理论，建立了丝材在环形激光辐照下熔覆过程的有限元模型，对丝材受热后进入熔池的温度场和流场进行了数值模拟。仿真结果为：丝材受热为一维指数增热模型，熔池温度场分布呈彗星状，高温区域形状为“鞍形”，对流传质为双对流环。.应用激光光内送丝理论和工艺模型进行了直墙、回转体、扭曲叶片等多种薄壁实体的堆积成形。建立了薄壁件成形过程有限元模型，分析了温度场的演变和定点温度的热循环，并通过仿真-控制实现了激光功率等参数实时调节。性能分析表明：成形件表面较光滑，尺寸较精确，组织细小致密，结合面平直、强度好且均匀。.激光光内送丝熔覆方法从根本上克服了现有侧向送丝缺陷，可在垂直方向宽区间达到光与丝材的精确耦合，丝材受热、熔化、熔池的对流传热传质皆呈圆对称，熔道各向同性，组织致密均匀。研究期间发表论文25篇，其中SCI收录4篇、EI收录18篇、国内核刊5篇；依托课题指导研究生学位论文8篇，另有在读博士后2人，在读博士3人。 在读硕士8人；专利申请12项，其中获授权8项，发明专利2项。研究丰富了激光与材料相互作用理论，为中空激光光内送丝制造新技术、新装置提供理论基础，促进了激光熔覆成形制造技术的发展。.目前进一步研究解决的问题有：丝材对激光的反射仍然存在；熔滴连续过渡的工艺参数范围较窄，熔道表面平整度与送粉熔覆尚有差距；丝材与激光束在启停阶段的配合要求高，易造成丝与熔道粘连。进一步提出了激光光内复合送粉/送丝方法并进行了预研，在试图解决上述问题的同时，更发现了激光光内送料更多的研究价值和应用范围。