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正在承担的项目:大尺寸、复杂异型金属件的激光熔丝增材工艺研发

基于机器人激光熔丝增材制造,结合同步超声微锻和车床铣削加工技术进行大尺寸、复杂异型金属件的成形工艺研发。具有柔性高、周期短、成本低和组织性能佳等特点;其制造过程为计算机设计、激光成形加工、同步超声冲击表面微锻,车床铣削后期处理等三步,相比传统的铸造、锻造工艺,省去了模具的设计及加工时间,缩短了生产周期,降低了成本。与激光熔丝增材制造技术相比,同步超声微锻工艺的引入可进一步提升工件表面成形质量和力学性能。

激光熔丝增材制造是以激光为热源,以合金丝材为沉积材料,采用材料逐层堆积的方法制造实体零件,具有在单台设备上制造出任意复杂形状同质或异质功能结构的潜力,能够快速方便地制造结构复杂、力学性能好的构件,大幅提高了材料的利用率,缩短了产品的生产周期。在航空航天、生物工程以及军事等领域具有广泛应用前景。

激光熔丝增材制造的基本形成过程为:激光与送丝机构为同轴运动,激光束与金属丝在基体上聚焦为一点,并形成熔池,随成形过程的进行,由于液体表面张力的作用,熔池移动方向与激光束移动方向一致,前面的熔液快速凝固形成熔覆层,激光束移动的轨迹即熔覆层的形成轨迹。激光丝材增材制造是“点®线®面®体”的形成过程。

激光增材制造是一个逐层堆积、移动式点热源瞬时加热熔化后快速冷却的过程。在激光增材制造过程中,激光具有高能量密度的特点,对于任意已沉积的点,在后续沉积过程中,由于激光熔池的靠近与远离,将受到多次快速加热和快速冷却,即其熔覆道相当于经历反复的热循环及热处理过程,主要涉及复杂的传热、传质行为及组织相变过程,进而最终直接影响成形件组织与性能。由于激光具有能量密度大,热影响区小、加热及冷却速率快等特点,由此,激光丝材增材制造可以得到组织细密,强度、塑性、耐腐蚀性能高,缺陷少的零件,其成形过程易于控制且成形精度相对较高。

为进一步提高增材制造工件的表面质量/组织和性能,课题创新性的引入了大功率超声冲击表面微锻技术。该技术通过超声表面加工执行机构将静压力和超声频机械振动施加到高温初步凝固表面进行微锻,破坏其熔覆层凝固组织形态,细化晶粒,消除热应力,并大大提高表面质量。

课题开创性的将机器人激光熔丝增材制造、超声冲击表面微锻和车床铣削加工技术融合为一,为大尺寸、复杂异型金属件高效率/高质量的生产提供了良好的技术方案。目前,课题需开发/解决的工艺要点如下:

1、丝材熔化沉积过程的稳定性问题,激光熔丝沉积是一个动态的复杂过程,其过程稳定性直接决定了整个熔丝增材制造成形质量的好坏。需通过不同材料的熔化动力学分析,开发出合理的激光功率/送丝速度/行走速率等工艺参数。

2、焊接点与微锻点的距离控制问题,超声微锻点需与激光焊接点保持合理距离,过近或过远均不利于超声冲击微锻的表面强化效果。需通过红外点测温装置实时监测分析温度场变化与微锻效果关系,针对不同焊材、焊接工艺参数和超声参数的选择,确定出对应焊接点与超声微锻工作锻打点的的合理选择。

3、设计合理的惰性气氛保护装置和冷却方式。激光焊丝增材制造及微锻造装置在工作过程中高温熔融区域存在开放环境下气氛保护不到位、工作温度高导致超声冲击头寿命低、工件整体冷却速度慢易氧化等问题。易造成产品表面质量差、内部组织性能低等问题。需对常规零件装夹平台进行设计开发,建立冷却和防氧化保护体系。通过调整惰性气氛保护装置,增强气氛保护范围;通过合理冷却介质、冷却方式装置的设计、选择、实验,最终实现提高工件冷却速度,兼顾工件高温部位良好氧化防护,提高工件成形质量的效果。

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