摘要：

激光熔覆成形过程中,熔覆层表面易出现粉末粘结、节点凹凸不平等问题,导致熔覆件表面精度较差。为改善熔覆件表面质量,引入激光铣削技术,将“增材”与“减材”相结合,实现激光复合成形。本文针对Fe313激光熔覆件的整形,进行激光铣削的研究和探索,主要内容如下:(1)分析激光束与材料相互作用的机理,建立粗糙度的数学模型,计算激光去除熔覆层材料的阈值。同时,针对熔覆层表面不平整的缺陷,从单点、单道熔池模型入手,探究激光铣削过程中熔液流动改善熔覆层表面不平整的模型。(2)采用脉冲激光对Fe313熔覆件进行铣削试验,在单点烧蚀试验中,探究激光束的平均功率、脉宽、离焦量、重复频率对凹坑直径变化的基本规律;在单道铣削试验中,分析点间距对单道铣削粗糙度的影响;在单层铣削试验中,研究平均功率、脉宽、重复频率对激光熔覆层表面局部粗糙度,及整体平整度的影响规律。进一步通过建立BP神经网络对熔覆层的表面质量进行预测,为实现闭环控制提供基础。同时,通过正交试验极差分析和方差分析的方法,探究各激光工艺参数影响熔覆层表面质量的权重,得出对于熔覆层的局部粗糙度,点间距的影响最大且高度显著,其次为平均功率;对于整体平整度,平均功率影响最大且显著,其次为脉宽。(3)利用ANSYS软件,建立激光铣削熔覆层时的温度场模型,对移动激光热源辐照下熔覆层的温度场进行了数值模拟和分析,得到了不同激光工艺参数下的温度场的变化规律,将模拟结果的熔融深度、宽度与实际测量的熔融深度、宽度作对比,基本一致。(4)对于光洁的整形表面,激光束有重熔硬化作用,重熔后组织呈晶粒细化的现象,且随着激光功率的增加,细化区域的深度加深;脉宽对细化区域的深度影响不明显。随着平均功率的增大,熔覆层表层的硬度先增大后减小,其硬度强化区域增大。激光束能量偏高及偏低时,熔覆层损伤,不同程度促使晶粒增长。同时,通过能谱分析发现,激光的铣削作用使熔覆层的元素组成发生区域性的变化。以上研究表明,利用激光铣削对熔覆成形件具有短流程、低成本的整形效果,与现有的激光熔覆-机械加工复合成形相比,大大提高了工作效率,降低了生产成本。

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