三維成形中空環(huán)形激光傳輸轉(zhuǎn)換建模及光料耦合分析.pdf

1、激光熔覆快速成形就是利用聚焦激光束與同步送入光斑的金屬材料耦合進(jìn)行三維立體成形的技術(shù)。目前此項(xiàng)技術(shù)中激光聚焦光斑普遍采用實(shí)心光斑,送料方式為單料管光外側(cè)向送料或多料管光外包圍同軸送料。在這種光源和送料方式下,光斑和熔覆材料的耦合穩(wěn)定性比較差,造成成形過(guò)程不穩(wěn)定,沉積率極低,冶金質(zhì)量不高,加工件精度與粗糙度不理想。
　　 本文應(yīng)用了一種新型的中空環(huán)形激光聚焦系統(tǒng),并采用了光內(nèi)同軸送料熔覆方式。本課題重點(diǎn)對(duì)這種中空環(huán)形激光束的傳輸轉(zhuǎn)

2、換、聚焦光斑的能量分布和光料耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。運(yùn)用幾何光學(xué),采用光線追跡法,建立了中空環(huán)形激光聚焦系統(tǒng)的光束轉(zhuǎn)換聚焦模型,并模擬出了在不同離焦量橫截面上聚焦光斑的能量分布。通過(guò)研究得出:光束在離焦量｜z｜≤0.727mm時(shí),聚焦光斑疊加為實(shí)心光斑,而在其它離焦量的橫截面上均為中空環(huán)形光斑。中空環(huán)形激光聚焦光斑的能量密度呈“雙峰形”分布,并推斷出中空環(huán)形激光在掃描時(shí)線寬方向上吸收的光能呈“馬鞍形”分布。同時(shí)得出了不同離焦量橫截面上中空環(huán)

3、形光斑的大小和占空比之間的關(guān)系。 利用中空環(huán)形激光光內(nèi)同軸送料熔覆方式進(jìn)行了掃描方向性試驗(yàn),并分別進(jìn)行光內(nèi)送粉和光內(nèi)送絲的單道熔覆以及三維成形試驗(yàn)。試驗(yàn)證明:中空環(huán)形光光內(nèi)同軸送料熔覆實(shí)現(xiàn)了光料真正意義上的同軸,光料能夠準(zhǔn)確的耦合,完全消除了掃描方向性對(duì)熔覆質(zhì)量的影響。中空環(huán)形聚焦光斑掃描線寬方向上吸收光能的“馬鞍形”分布與實(shí)心光斑的“高斯形”分布相比,不僅減小了熔池的能量密度梯度,而且為熔道側(cè)面提供了更多的能量,減小了實(shí)心光斑熔覆時(shí)邊