激光工程化凈成型促進添加制造與修復技術的發(fā)展

1、1引言引言激光工程化凈成形技術（LaserEngineeredShapingLENS）是一種新的快速成形技術，它由美國Sia國立實驗室首先提出，也有資料將LENS譯成“激光近形制造技術”或者“激光近凈成形技術”。它將選擇性激光燒結（SLS）技術和激光熔覆（LaserCladding）技術相結合，快速獲得致密度和強度均較高的金屬零件。選擇性激光燒結技術的工作原理如下：首先在計算機上通過CAD軟件天生零件的CAD實體模型，并且將該實體模型離

2、散化天生STL文件；然后利用切片軟件讀取STL文件，將零件切成一系列薄層，并天生每一層的掃描軌跡；最后在活塞工作臺上逐層展上金屬粉末，用相應的每層掃描軌跡控制激光束對金屬粉末進行掃描燒結，形成所需外形的金屬零件。通過選擇性激光燒結得到的金屬零件實際上是密度和強度都很低的多孔金屬零件。要進步這種多孔金屬零件的強度，必須采用浸滲樹脂、低熔點金屬或熱等靜壓等后處理方法。但這些后處理方法既改變了金屬零件的性能和精度，又延長了零件加工的時間，從而

3、失往快速成形技術的特色。激光熔覆技術是材料表面改性技術的一種重要方法，它是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。激光熔覆可以通過兩種方法完成：其一是預先放置疏松粉末涂層，然后用激光重熔；其二是在激光處理時，采用氣動噴注法把粉末注進熔池中。激光熔覆技術的本質是利用高功率激光將金屬粉末直接加熱至熔化，從而形成材料間的冶金結合。激光熔覆形成的材料組織致

4、密、性能優(yōu)良。激光工程化凈成形技術將選擇性激光燒結技術和激光熔覆技術相結合，既保持了選擇性激光燒結技術成形零件的優(yōu)點，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺點。它最大的特點是制作的零件密度高、性能好，可作為結構零件使用。該技術的缺點是需使用高功率激光器，設備造價昂貴；成形時熱應力較大，成形精度不高。目前，激光工程化凈成形技術可用于制造成形金屬注射模、修復模具和大型金屬零件、制造大尺寸薄壁外形的整體結構零件，也可用于加工活性金屬如鈦、鎳、鉭

5、、鎢、錸及其它特殊金屬。2激光工程化激光工程化凈成形系成形系統(tǒng)的組成激光工程化凈成形技術是選擇性激光燒結技術和激光熔覆技術的結合，因此其工作原理及系統(tǒng)的組成與選擇性激光燒結技術相似。本實驗所設計的激光工程化凈成形系統(tǒng)共由四部分組成：計算機、高功率激光器、活塞式展粉器和X—Y工作臺。(1)計算機在激光工程化凈成形系統(tǒng)中，計算機將參與零件成形全部過程，該過程包括兩個階段：①成形預備階段。建立零件的CAD實體模型，并將該CAD實體模型轉換成S

6、TL文件，對零件的STL文件進行切片處理，天生一系列具有一定厚度的薄層及每一薄層的掃描軌跡；②成形加工階段。對系統(tǒng)中各部件（包括激光器光閘、校正光開關、保護氣氣閥、展粉電機、活塞電機以及X—Y工作臺電機等等）進行同一指令下的有序控制，完成金屬零件的加工過程。(2)高功率激光器在選擇性激光燒結系統(tǒng)中，金屬粉末往往與低熔點添加粘結劑相混合，激光燒結時只是將粘結劑熔化，熔化的粘結劑將金屬粉末粘結在一起形成金屬零件坯體，因此激光器的功象使粉末上

7、表面的寬度經常大于熔覆面寬度兩倍之多，從而使相臨掃描線上沒有足夠厚度的粉末參與掃描熔覆，無法實現連續(xù)掃描熔覆加工。這種粉末爆炸迸飛現象是在高功率脈沖激光熔覆加工中所特有的現象，原因有兩個：其一是該激光器一般運行在500W的均勻功率上，但脈沖峰值功率可高達10kW，大于均勻功率15倍之多；其二是脈沖激光使加工呈不連續(xù)狀態(tài)，在展粉層上形成熱的周期性劇烈變化。在本實驗中，通過兩種辦法的綜合運用有效地減小了粉末爆炸迸飛現象的發(fā)生：(1)在展上一

8、層金屬粉末之后，均勻滴注20%的502—丙酮溶液，待丙酮完全蒸發(fā)之后，金屬粉末就會在502膠的作用下粘結在一起，從而減小粉末的爆炸迸飛。(2)加工表面位于激光焦點之下的某一位置。在一般的快速成形中，都盡可能使加工表面位于激光焦點處，這樣既保證最大的加工精度又使激光能量充分聚集。但是在本實驗系統(tǒng)中，高能量的聚集恰正是粉末爆炸迸飛的直接原因，因此將熔覆面放到焦點以下的某一位置可以使激光能量適當地分散，有效地減小粉末爆炸迸飛現象的發(fā)生。但是激

9、光光斑直徑會變大，在減小粉末爆炸迸飛并進步加工效率的同時對加工精度產生一定的負面影響。在本實驗中綜合運用上述兩種方法，當光斑直徑取1.5mm時既保證了一定的加工精度，又有效地減小粉末爆炸迸飛現象的發(fā)生，達到很好的連續(xù)加工效果。3.3加工表面質量題目及其解決在激光掃描熔覆過程中，每一層的表面質量都至關重要，它總是下一層加工面的基礎，所以單層表面的粗糙度以及缺陷直接影響后續(xù)加工質量，而其積累結果將決定金屬零件的終極天生質量。影響加工表面質量

10、的因素很多，這里主要討論脈沖激光光斑重合率以及掃描輪廓線對表面質量的影響。(1)光斑重合率對表面質量的影響脈沖激光光斑重合率是指相臨兩個脈沖光斑或相臨兩條掃描線間的重合程度。當兩個相臨光斑完全重合時，重合率為100%；相切時為0；相交時則介于0～100%之間。光斑重合率計算公式如下：η=l2r100%(1)式中l(wèi)的長度決定于光斑半徑r、脈沖頻率f和掃描速度v，當激光脈沖頻率f取2Hz時，l與v的關系如下式所示：2rl=v(2)將式（2）

11、代進式（1）并加以整理可得：η=（1v2r）100%(3)由式（3）可以看出，光斑重合率隨掃描速度增加而減小、隨光斑半徑增加而增加。由于光斑重合率的取值范圍在0～1之間，所以要滿足下面的關系式:0＜1v2r＜1(4)式中1v2r＜1是顯然的。由0＜1v2r可得v＜2r，即掃描速度必須小于激光光斑的直徑。相反，若v＞2r，相鄰光斑則完全分離，無法實現連續(xù)的熔覆燒結，顯然無法天生實體零件。理論上講，重合率越大加工后的表面越均勻，然而過大的重