激光再制造中激光束与损伤基体耦合机制及实验研究

1、激光再制造中激光束与零件缺陷耦合机制及实验研究机械工程学院方艳导师： 教授、王云山 教授2014.09.06课题研究意义激光再制造属于个性化定制修复，它基于数字模型，采用分层制造、逐层叠加的方式生成三维实体，能够恢复零件尺寸、性能，甚至有所提高。 图1. 激光再制造系统 课题研究意义 激光再制造对象是废旧零件，再制造损伤部位的个性化强、损伤形式不确定、磨损区域形状不规则，这些不稳定因素将导致再制造过程也发生改变，最终导致再制造质量发生改变。 因此，需要深入研究激光与损伤基体的作用机理，以使激光再制造建立在科学性、可重复的基础上。 图2.损伤进口污水增压泵盖 图3. 激光束与损伤基体的相互作用

2、课题研究意义 因此，本文在损伤边界识别的基础上，建立了激光熔池模型，并利用激光熔池形貌检测系统进行激光束与损伤基体作用的检测实验。 获取零件的点云数据 缺陷识别 制定、优化再制造工艺 零件表面清洗 硬度检测 确定零件材料 损伤部位再制造 尺寸检测 硬度、精度检测 表面探伤 开始图4 . 损伤零件再制造流程图缺陷识别 本文针对局部深层损伤区域定位问题提出了基于三角网格的特征面积累加的法矢法，该类损伤指的是损伤深度较深，需要多层堆积修复的损伤。 该算法在点的特征面积准则下，通过计算法矢夹角来识别初始缺陷边界特征点，避免了求顶点曲率的复杂计算过程，并且有效减少了边界中的噪声点。 图5. 损伤进口吊装

3、设备 缺陷识别 对于尖锐边界来说，直接通过比较邻近点的法矢夹角确定尖锐边界位置；对于光滑边界来说，曲面与曲面之间平滑过渡，邻近点的法矢夹角小，导致无法直接通过比较法矢夹角实现边界定位，但是曲面过渡区曲率大，所以过渡区的点云密度高，三角面片的面积也较小。利用该特点对面积进行累加，达到阈值后，进行法矢比较。图6 . 零件边界 图7. 法矢累加法局部损伤缺陷的边界识别流程图8. 局部深层损伤边界识别流程 激光熔池模型 在假设的基础上，利用热传导基本理论、傅氏积分变换可求解出瞬时点热源温度场，进而推出环热源、面热源温度场模型。通过在温度场模型中假设激光熔池边缘处温度为工件的熔点温度，即可建立激光熔池模

4、型。简化模型（6个假设）热传导微分方程瞬时点热源温度场瞬时面热源温度场连续加热高斯热源温度场假设激光熔池边缘处温度为工件的熔点温度T0激光熔池模型图9. 激光熔池模型 激光熔池模型 激光熔池模型确定了熔池尺寸与激光参数（包括功率、作用半径、光斑形状）、激光入射角度、工件材料参数（材料对激光的吸收率、密度、导热系数、比热）等参数之间的相互作用关系。熔池尺寸(待求量)激光熔池边缘处温度为工件的熔点温度材料对激光的吸收率激光功率密度热物性参数（为了简化模型，设其为恒量）激光束作用半径激光熔池模型(吸收率)材料对于激光的吸收率的影响因素很多(温度、表面状况等)，本文深入研究了损伤区域形貌对吸收率的影响

5、。损伤部位形貌复杂，很难确定损伤区域凹凸不平表面每个点的入射角及其对激光的反射吸收次数，因此，本文对损伤区域进行等效处理 。图10. 一次吸收 图11.三次吸收 图12. 损伤区域的等效处理激光熔池模型吸收率为：吸收率为：吸收率为：（1） （2） （3） 激光熔池模型（4） （5） （6） 吸收率为：吸收率为：复杂光路传输，不再考虑激光熔池形貌检测系统 实验过程中保持CCD与工件法线夹角60度不变，镜头前端到熔池的距离265mm不变。 激光熔池形貌检测系统图像采集图像处理 CCD相机 图像采集卡视频信号数字信号消除噪声图像灰度化图像缩放裁剪阈值分割 提取像素点灰度值 计算温度 确定零件熔点温度

6、的位置熔池形貌分析 计算机熔池热辐射图13. 激光熔池形貌检测软件结构不同工件倾斜角度下熔池检测图14. 不同倾斜角度下熔池的模拟尺寸不同工件倾斜角度下熔池检测图15. 激光竖直入射水平摆放工件的熔池尺寸图16. 15度倾斜工件的熔池尺寸不同工件倾斜角度下熔池检测图17. 30度倾斜工件的熔池尺寸图18. 45度倾斜工件的熔池尺寸不同激光功率下激光熔池检测图 19. 工件与水平面夹角30，不同激光功率熔池的模拟尺寸不同激光功率下激光熔池检测图20. 600W激光加工的实验与模拟数据图21. 700W激光加工的实验与模拟数据不同激光功率下激光熔池检测图22.800W激光加工的实验与模拟数据图23

7、. 900W激光加工的实验与模拟数据不同激光功率下激光熔池检测图24. 1000W激光加工的实验与模拟数据激光熔池动态光谱检测 由于熔池光谱数据与熔池的组织、结构、状态有密切联系，因此利用熔池的光谱数据可以定性分析熔池的变化规律，实现熔池的在线监测，达到优化工艺的目的。 图25. 激光熔池光谱检测系统 熔池光谱检测系统图27. 光纤传输单元图28. 配套装置图26. 光栅光谱仪图29. 光电倍增管检测的熔池谱线800W,45钢，静态熔池蓝色：500V, 1nm红色：580V, 1nm黑色：600V,0.1nm熔池光谱检测700W定点熔凝熔池的检测 6s 13s21s 32s运动状态激光熔凝熔池

8、检测 800W900W950W1000W850W图30. 不同激光功率下、扫描速度为1mm/s的熔凝熔池光谱曲线 运动状态激光熔凝熔池检测图31. 950w激光功率、不同扫描速度下熔凝熔池光谱 5mm/s4mm/s2mm/s1mm/s V槽的激光再制造实验实验中所用零件的材料为45钢，尺寸为60*100*10 mm，零件表面加工出多列V槽，如图6-9所示。V槽的尺寸B*H如图6-10所示，实验所用V槽尺寸共有三类，其中B1=0.5*H1，B2=H2，B3=1.5*H3。图32. V槽零件图33. V槽尺寸 V槽的激光再制造实验700W功率激光加工0.95mm*1.9mm的V槽熔池形貌图像 0.

9、05s 0.28s 0.56s 0.84s 1.12s 1.24s 1.4s 1.68s 1.96s 2.24s 2.8s 3.36s V槽的激光再制造实验图34. 0.95mm*1.9mmV槽加工数据图 V槽的激光再制造实验 利用激光熔池模型对700W激光辐照在0.95mm*1.9 mm的V槽内表面进行模拟，其结果如表6-2所示。将V槽内表面加工的实验数据与模型的模拟数据进行比较。图35. 0.95mm*1.9mmV槽加工的实验数据与模拟数据 V槽的激光再制造实验700W激光功率加工1.5mm*1.5mm V槽的熔池形貌图像 0.03s 0.31s 0.57s 0.85s 1.12s 1.4

10、s 1.68s 1.96s 2.24s 2.4s 2.8s 3.36s图36. 1.5mm*1.5mm V槽的实验数据与模拟数据 V槽的激光再制造实验 700W激光功率加工1.65mm*1.1 mm V槽熔池形貌图像 0.02s 0.32s 0.44 s 0.56s 0.85s 1.13s 1.4s 1.68s 1.96s 2.24s 2.8s 3.39s V槽的激光再制造实验图37. 1.65mm*1.1 mm V槽的实验数据与模拟数据 V槽的激光再制造实验 图39. 1.5mm*1.5mm V槽的加工结果图40. 1.65mm*1.1 mm V槽的加工结果1mm/s速度加工的V槽图38.

11、0.95mm*1.9mm V槽的放大图图42. 1.5mm*1.5mm V槽的加工结果 (a) (b) 图41. 0.95mm*1.9mm V槽的放大图图43. 1.65mm*1.1 mm V槽的加工结果2mm/s速度加工的V槽石油钻铤再制造 石油钻井钻铤刀刃磨损使其失去工作能力，利用激光再制造的方法对其进行修复，恢复其尺寸和使用性能。石油钻铤刀刃是复杂空间曲面，利用机器人的高柔性、易于编程、工作空间大等优点，对其进行再制造。石油钻井钻铤三条刀刃各处均匀模型，待修复量约为3mm左右。 图44.钻铤磨损区点云图45. 钻铤再制造路径 激光功率900W，扫描速度3mm/s，送粉量12g/min，载

12、气量3L/min。为了简化再制造过程，将每条刀刃分为5段，分段进行再制造。 图46. 钻铤熔覆效果图石油钻铤再制造 经检测，激光熔覆硬度大于洛氏硬度HRC60，提高了其耐磨损性能。 总结 1.针对典型的激光再制造缺陷研制了边界识别算法，提出了基于三角网格的法矢法，该方法通过分析局部深层损伤缺陷中点与点之间的法矢，确定初始缺陷边界特征点。 2.建立了激光熔池形貌检测系统，系统包括：面阵CCD，光学系统，数据采集卡，滤光片等；开展了不同激光入射角度、激光功率条件下激光熔池形貌检测实验，分析了激光熔池形貌与激光特性、材料参数、加工工艺之间的作用关系，为激光再制造工艺的制定及优化提供了参考。 3.建立了激光熔池光谱检测系统，首次利用光栅光谱仪与光纤相结合的方法采集了运动状