半导体激光与熔覆金属的热力耦合作用机理及精确成形控制

In view of the common problems about forming and quality control in surface cladding and remanufacturing or other related industries，the purpose of this research is to realize the accurate control of diode laser cladding process，and to establish the theoretical system for optimization, regulation and evaluation. The main scientific problems include: 1) Coupling effect mechanism of heat-source characters and melting metal, and dynamic measurement and judgement of forming process in diode laser claading ; 2) Dynamic response mechanism of heat-source to forming feature, and the effect to the forming state;3) Put forward optimization methods of the heat-source to realize the accurate control for the forming process. The above research has an important academic value in understanding the relationship between the forming mechanism and the thermos-physical behavior in diode laser cladding process.The theoretical system created by the research work has important theoretical value and engineering application prospect for the manufacture of surface cladding to improve the forming quality.

针对表面强化、修复及再制造行业对于成形精度控制的共性问题，以优化、控制热源作用形式并实现半导体激光熔覆精确成形为目标，旨在建立热源特性、熔覆热物理行为与成形状态间耦合作用机理的理论体系，形成创新的研究思路并提出了系统的研究方案。项目研究的科学问题包括：1）热源特性与熔覆金属的耦合作用机理，成形过程的动态检测及特征行为判断机制；2）熔覆特征阶段与热源特性的动态响应机制及对成形状态的影响规律和作用机理；3）针对熔覆精确成形的热源特性优化及控制原理。以上研究对深入理解半导体激光熔覆过程的热物理行为与成形状态之间的联系、实现熔覆成形的精确控制具有重要的学术价值。研究工作形成的热源特性优化控制体系对大幅度提高熔覆成形质量也具有着重要的理论价值和潜在的工程应用前景。

当前激光熔覆的热量调控大多依据经验与工艺评定预设激光功率或粉末送入量，尚无法根据有效的模型、公式或判据对热量在粉末与基材上的分配关系进行工艺指导或定量计算，为了进一步提高激光熔覆质量、性能、精度，严格控制热量在基材与粉末间的分配形式，本项目针对不同送粉形式，进行了以下三方面的研究：. 1.粉末预置时与半导体激光的热力耦合机制与成形控制研究.利用高速摄像对预置送粉方式的光粉作用过程进行采集，分析了激光与粉末作用的热物理过程，建立了相应的热物理解析模型，同时结合解析模型解释了不同工艺实验下对应的物理现象，并利用高速摄像和红外热成像设备检测了热物理解析模型的准确性。针对预置粉末将熔覆过程划分为不同的特征阶段，建立了每个阶段的热物理解析模型，揭示了每个特征阶段的成形机制，研究了不同工艺参数对成形特征阶段特征量的影响。. 2.粉末旁轴送入时与半导体激光的热力耦合机制与成形控制研究.利用高速摄像与红外热成像系统对激光与粉末在空间中的作用形式进行了采集与分析，提出了不同作用形式下的粉末熔化特征行为，研究了工艺参数对不同特征阶段的影响，并建立了不同征阶段的热物理过程模型，定量计算了粉末在激光热源作用下温度演变规律及其到达熔池的温度，进而建立激光热源特性与粉末熔化行为的物理模型。提出粉末颗粒温度存在“增长率变大的非线性增加—线性增加—增长率减小的非线性增加”的变化过程。. 3.粉末同轴送入时与半导体激光的热力耦合机制与成形控制研究.根据粉末同轴熔化时出现的不同特征行为建立了可以描述粉末熔化行为的动态热物理解析模型，在对模型整定修正的基础上仿真计算了不同工艺参数下粉末受激光作用时温度随时间的变化规律并得到粉末到达熔池时的温度与状态，最后逆向解析模型，明确粉末以液态进入熔池对应的最佳工艺窗口，实现对熔覆成形的精确控制。通过对粉末落入熔池时熔化行为的精确控制可实现对金属零部件高精度和高质量的表面改性及修复。