激光再制造熔池溫度場檢測研究
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20世紀(jì)80年代形成了再制造工程這一新興研究領(lǐng)域，再制造產(chǎn)業(yè)也隨之產(chǎn)生。它是利用原有零件并采用高新表面工程（涂層與改性）及其它加工技術(shù)，使零件恢復(fù)尺寸、形狀和性能，重新恢復(fù)其使用價(jià)值，實(shí)際上等于延長了設(shè)備的使用壽命，減少了對原始資源的需求，節(jié)省了資源。激光再制造技術(shù)近年來在國際上已受到普遍關(guān)注，形成激光加工與先進(jìn)制造技術(shù)一個(gè)前沿和熱點(diǎn)。美國、英國、法國、日本投入大量人力物力開展研究。我國部分高校也相繼開展了研究。
2、激光再制造技術(shù)
激光再制造是利用激光熔覆的方法實(shí)現(xiàn)對金屬零部件的修復(fù)[1，2]。自1976年起美國、英國、日本、德國等技術(shù)強(qiáng)國就對其十分重視，投入了相當(dāng)可觀的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研究、開發(fā)，使激光熔覆技術(shù)的發(fā)展明顯加快，在激光熔覆理論，物理數(shù)學(xué)模型，合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究，設(shè)備自動化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了重大進(jìn)展。
如圖1-1所示：激光器發(fā)出的CO2激光經(jīng)CNC數(shù)控機(jī)床Z軸（垂直工作臺）反射鏡后，進(jìn)入光束成形聚焦組合鏡，再進(jìn)入同軸送粉工作頭，組合鏡和工作頭都安裝在機(jī)床Z軸上，由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。載氣式送粉器將粉末輸送到分粉器，均勻地把粉末送入同軸送粉工作頭。待修復(fù)零件位于數(shù)控工作臺X-Y平面上，根據(jù)數(shù)控指令，工作臺、組合鏡和送粉頭按給定的CAD/CAM軟件程序運(yùn)動，同時(shí)激光和粉末加入，激光同軸送粉工作頭像“金屬筆”一樣，逐層熔覆。在檢測和控制系統(tǒng)作用下，使零件恢復(fù)原始尺寸。
激光再制造溫度場研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。激光熔覆溫度場的數(shù)值分析、分布特性、數(shù)值模擬、實(shí)時(shí)檢測等都有了初步的研究[3]。本文將從解析與數(shù)值兩種方法對熔池溫度場進(jìn)行分析。
解析解法以數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)，得到用函數(shù)形式表示的解。在整個(gè)求解過程中，物理概念及邏輯推理清楚，所得到的解能比較清楚地表示出各種因素對熱傳導(dǎo)過程或溫度分布的影響。
利用三維解析計(jì)算出的激光熱傳導(dǎo)焊接溫度場模型已較為準(zhǔn)確的計(jì)算出一定焊接規(guī)范下的焊接縫合尺寸線，同時(shí)計(jì)算出激光焊接溫度場中介質(zhì)熱源的功率分布以及由該熱源引起的無限大薄板的溫度場分布[4]。利用半解析方法計(jì)算出任意給定光束分布的激光非熔凝熱處理瞬態(tài)溫度場以及包含相變及表面吸收系數(shù)隨溫度變化的激光與金屬材料相互熱作用。但解析解法不利于考慮邊界條件和相變潛熱以及材料熱物性參數(shù)隨溫度變化等因素對溫度場的影響，所以采用解析解法時(shí)研究者們往往假定激光能量為高斯分布、材料的物性參數(shù)為常數(shù)、不考慮相變熱和輻射散熱等因素，這在一定程度上影響了求解的準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，借助這一有力的工具對溫度場的分析方法有了進(jìn)一步的研究。如借助計(jì)算機(jī)用解析方法計(jì)算YAG激光對金屬間化合物Ni3Al熔凝處理時(shí)非穩(wěn)態(tài)溫度場變化規(guī)律[5]。
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