NdYAG激光器金属零件激光快速成型工艺似的
Nd:YAG激光器金属零件激光快速成型工艺研究
1 引言
激光直接制造技术DLF (Direct Laser Fabrication)是20世纪90年代后期发展起来的一种先进制造技术,它将快速成型技术与激光熔覆技术结合在一起,卞要力一法分为:同轴送粉与选择性激光熔化(SLM)技术。
根据应用场合的不同,DLF技术采用的激光器也不同,卞要种类有C 02激光器,Nd:YAG激光器和半导体激光器,CO2激光器发展较早,目前研究较多。对于Nd:YAG激光器快速成型的研究,目前相对而言还较少。本文利用ROFIN 1.1kW Nd:YAG激光器和同轴送粉力一式,进行了金属零件快速成型工艺实验研究。论述了激光功率、扫描速度、送粉量以及Z轴增量对成型质量和形貌的影响。
2 实验设备
激光直接制造系统如图1所示。其结构按功能可以划分为四个部分:能量供给模块、CNC工作台、粉末供给模块和指令输出模块。其中,能量供给模块由一台Nd:YAG激光器及其辅助设施(水冷机、光路、聚焦镜、冷却水路等)组成;CNC工作台由-套CNC控制单元和一台3轴加工机床组成;粉末供给模块则由送粉器、同轴送粉喷嘴和粉末回收装置组成。指令输出模块为一台PC机。
3 实验方法
实验材料为自熔性合金Ni45粉末,采用不同的工艺参数组合,在10mm厚Q235钢板上进行单道熔覆实验。研究了主要工艺参数对熔覆层少I貌的影响。实验的工艺参数见表1所示。实验前,N i45粉末经烘干去除水气处理,所有A3钢板经过丙酮清洗井烘干以去除油脂和污渍。实验后,将低碳钢板沿垂直于熔覆道方向剖开,制成金相试样,再用显微镜对熔覆层剖面形状3、金相分析法进行测量与分析。最后利用一定的功率参数进行成型实验,以验证最佳工艺参数。
4 实验结果及分析
4.1 激光功率对熔覆层形貌的影响
如图2所示为不同功率参数下激光熔覆层形貌。其中激光扫描速度为800mm/min送粉量4.2g/min,送气量6Lmin-1。从图中可以看出,激光功率的变化不仅影响熔覆层的宽度与高度,而且对熔覆层表而精度的影响也十分明显,当功率大于400时,重熔时间增加,明显存在过燃烧现象,形貌较差,图中最好的激光成型功率为200W 。
图2 不同功率参数下激光熔覆层形貌
4.2 激光功率、扫描速度对单道熔覆的高度和宽度的影响
在激光功率、送粉量与送气量恒定的情况下,扫描速度和熔覆的高度和宽度的关系如目前图3,图4所示。当速度较小时(小于1400mm/min)激光能量密度可以熔化较多的金属粉末,故单道熔覆的高度与宽度较大;在一定的速度范围内(1400/1600mm/min),单位时间内激光所能熔化的金属粉末与送粉量大致相当,故单道熔覆的高度与宽度变化不明显;当扫描速度再继续增加时,激光能量密度下降,激光熔池尺寸减小,因此单道熔覆的高度与宽度减小。
4.3 送粉量对成型高度和宽度的影响
送粉量与成型高度、宽度的关系如图5所示。当送粉量在-定范围内时,在激光功率足够大的情况下,送粉量的增加导致熔化金属粉末的增加,从而增大熔池的尺寸,在最终的凝固过程中,成型高度和宽度都会相应增加。但当送粉量超过激作为高技术重要组成部份的生物医用材料已进入1个快速发展的新阶段光功率所能熔化的最大金属粉末量时,增加的金属粉末不能得到熔化而成型,不会增加成型的高度与宽度效果很显著,相反会造成更多的金属粉末在高温下粘结在成型零件的表而,影响成型精度和后续的制造。
4.4 Z轴增量与自山成型高度的关系
在研究的激光快速成型实验中,由于采用的是开环控制,也就是自由成型。所以成型高度与Z轴增量有很大的关系。因为Z轴增量决定了送粉喷嘴与制造工件的垂直距离,其大小直接影响到激光2013年中东和非洲地区塑料软包装总市值为40亿美元光斑的大小,从血影响激光能量密度的大小。在进行多层熔覆时,实际每层的熔覆高度小于单道熔覆高度,如果Z轴增量等于实际的每层熔覆层的高度,送粉喷嘴和制造工件间就可以保持恒定的距离,从}的保证了光斑大小不变,即保证了激光能量密度不变,此时的Z轴增量为最仕值。
在激光功率、扫描速度、送粉量保持不变的情况下,单道熔覆参数为:功率200w ,扫描速度1100mm/min、送粉量4.2g/min,送气量6L/min,在此参数下的单道熔覆高度为0.06mm,在不同的Z车由增量下,扫描100层,测量其最终成型高度。多层熔覆高度与Z轴增量的关系如图6所示。从图中可以看出,当Z轴增量为0.04mm时,成型高度为4.1,它与目标成型高度的误差以肯定试样中的含铁量最小,当Z轴增量超过0.16时,根本无法形成薄壁形状。
4.5 成型实例
在前而的工艺实验的基础上,找出每一功率条件下的扫描速度、Z轴增量、送粉量的最佳组合,进行零件的成型实验,结果如图7所示。
5小结
功率、扫描速度、光斑直径、送粉量、Z轴增量是影响成型质量与精度的重要工艺参数。
(1)当激光功率增大、送粉量增加时,成型高度与宽度增加,当功率一定,送粉量达到一定程度时,高度和宽度的增加就不明显了;
(2)当扫描速度增加时,成型高度与宽度下降;
(3)在进行多层熔覆时,当Z轴增量等十实际的每层熔覆层的高度时,是最佳值。(end)
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