激光快速成形金屬零件的殘余

激光快速成形技術(shù)是近幾年國(guó)際上廣泛關(guān)注的一種先進(jìn)的實(shí)體自由成形技術(shù)，能夠直接成形高性能的致密金屬零件，具有無(wú)模具、短周期、低成本、市場(chǎng)響應(yīng)快等特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要分析了激光快速成形件殘余應(yīng)力的形成機(jī)理及分布規(guī)律，概述了殘余應(yīng)力對(duì)成形件力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)尺寸、實(shí)際使用等方面的影響，探討了實(shí)驗(yàn)測(cè)定殘余應(yīng)力的方法及調(diào)整和消除殘余應(yīng)力的有效手段等。  

   激光快速成形技術(shù)是一種基于激光熔覆的迭層制造技術(shù)，它將快速原型技術(shù)（RP）自由成形的優(yōu)點(diǎn)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)、致密金屬零件的直接成形，具有高柔性、短周期、低成本、市場(chǎng)響應(yīng)快等特點(diǎn)，是一種將材料技術(shù)與制造技術(shù)有機(jī)融為一體的“新材料設(shè)計(jì)、新材料制備與近凈成形高性能復(fù)雜零件快速成形一體化”新技術(shù)。激光快速成形以高能激光束作為移動(dòng)熱源，一方面，激光快速加熱冷卻為材料加工提供了常規(guī)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端非平衡條件，使成形件具有細(xì)小、致密的組織和優(yōu)異的綜合性能；但另一方面，局部熱輸入造成的不均勻溫度場(chǎng)必然引起局部熱效應(yīng)，表現(xiàn)在熔池在凝固及隨后冷卻過(guò)程不一致，從而在成形件中形成殘余應(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力，不僅對(duì)成形件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能等有不利影響 ，而且也影響結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性和成形精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接引發(fā)裂紋缺陷。成形件一旦出現(xiàn)裂紋，成形過(guò)程將被迫終止，同時(shí)已成形的金屬零件只能報(bào)廢處理，這將大大增加制造成本。因此，要充分發(fā)揮激光快速成形技術(shù)的優(yōu)越性，提高成形零件綜合質(zhì)量，研究激光快速成形過(guò)程殘余應(yīng)力的形成機(jī)理和分布特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于激光快速成形過(guò)程中殘余應(yīng)力的研究國(guó)外已開(kāi)始有報(bào)道，而目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有這方面的研究報(bào)道。本文初步分析了激光快速成形過(guò)程的殘余應(yīng)力問(wèn)題，為精q描述和控制激光快速成形過(guò)程中殘余應(yīng)力分布提供基礎(chǔ)。

殘余應(yīng)力的形成機(jī)理與分布特性

   激光快速成形屬于材料熱加工過(guò)程，它以高能激光束作為移動(dòng)熱源，局部熱輸入產(chǎn)生的局部熱效應(yīng)將導(dǎo)致一定殘余應(yīng)力和變形。這主要是是激光束與材料相互作用形成的熔池經(jīng)歷快速加熱、熔化和快速冷卻、凝固變化，必然產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，結(jié)果引起不均勻塑性變形而形成殘余應(yīng)力。具體是激光快速成形過(guò)程能量非常集中，熔池及其附近部位以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。這部分材料因受熱而膨脹，而熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，產(chǎn)生(彈性)熱應(yīng)力。同時(shí)，由于受熱區(qū)域溫度升高后屈服極限下降，部分區(qū)域的熱應(yīng)力值會(huì)超過(guò)其屈服極限，因此，熔池部分會(huì)形成塑性的熱壓縮，冷卻后就比周圍區(qū)域相對(duì)縮短、變窄或減小，同時(shí)由于熔覆層凝固冷卻時(shí)受到基材冷卻收縮的約束，從而在熔覆層中形成殘余應(yīng)力。因此，激光快速成形過(guò)程產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因主要?dú)w結(jié)于以下兩方面:  

   1.由于局部熱輸入造成溫度分布不均勻，使得熔池及周圍材料產(chǎn)生熱應(yīng)力，在冷卻和凝固時(shí)相互制約而引起局部熱塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力;

   2.由于熔凝區(qū)存在溫度梯度且冷卻速率不一致，熔池材料在凝固時(shí)因相變體積變化不均及相變的不等時(shí)性產(chǎn)生的相變應(yīng)力，進(jìn)而引起不均勻塑性變形而形成相變殘余應(yīng)力（組織應(yīng)力）。成形件最終的殘余應(yīng)力往往是上述兩種原因的綜合結(jié)果。激光快速成形過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理冶金過(guò)程，殘余應(yīng)力的形成受諸多因素的影響同樣非常復(fù)雜，應(yīng)力大小和分布與熔覆粉材（種類、狀態(tài)）、基體（材料、狀態(tài)）、成形路徑、成形尺寸及工藝參數(shù)的選取等密切相關(guān)，一般為三維殘余應(yīng)力。

3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)

激光設(shè)備可分為三大類：激光打標(biāo)機(jī)、激光焊接

激光設(shè)備可分為三大類：激光打標(biāo)機(jī)、激光焊接機(jī)、激光切割機(jī)。而激光打標(biāo)機(jī)目前有半導(dǎo)體激光打標(biāo)機(jī)、CO2激光打標(biāo)機(jī)、光纖激光打標(biāo)機(jī)、紫外激光打標(biāo)機(jī)等；激光焊接機(jī)目前有YAG激光自動(dòng)焊接機(jī)以及光纖傳輸自動(dòng)激光焊接機(jī)等；激光切割機(jī)有YAG激光切割機(jī)和光纖激光切割機(jī)等。

激光打標(biāo)機(jī)種類繁多，根據(jù)激光性質(zhì)的不同，大致可以分為光纖激光打標(biāo)機(jī)，二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)，半導(dǎo)體激光打標(biāo)機(jī)，紫外激光打標(biāo)機(jī)，綠光激光打標(biāo)機(jī)，其中，光纖，二氧化碳，半導(dǎo)體，紫外都是在產(chǎn)品表面加工，而綠光是在玻璃，水晶產(chǎn)品內(nèi)部標(biāo)刻，所以綠光又稱之為內(nèi)雕機(jī)，金木水火土性質(zhì)的產(chǎn)品都可以用激光打標(biāo)機(jī)去加工！

3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)3D動(dòng)態(tài)聚焦激光打標(biāo)機(jī)

包裝行業(yè)采用激光打標(biāo)機(jī)與油墨噴碼機(jī)的比較

     包裝產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于食品、飲料、醫(yī)療衛(wèi)生、化工等行業(yè)和產(chǎn)品，包裝種類也可以分為很多種：包裝箱、包裝盒、包裝袋、包裝瓶、包裝罐等等。從包裝標(biāo)識(shí)的外部信息，可以得知產(chǎn)品成份、生產(chǎn)日期、來(lái)源地等相關(guān)信息。標(biāo)記被打印到外包裝上有幾種技術(shù)手段，油墨噴碼技術(shù)和激光標(biāo)記技術(shù)。從作用上講，激光打標(biāo)機(jī)和油墨噴碼機(jī)存在的目標(biāo)是一致的，兩者都是為產(chǎn)品打印標(biāo)識(shí)。

     但是近期頻頻有客戶反應(yīng)油墨噴碼機(jī)前期投入不大，但是后期投入太大了等等問(wèn)題，那么，同樣的為產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，這兩者之前有何區(qū)別？

1、標(biāo)記效果

噴墨機(jī)因采用化學(xué)墨水標(biāo)記，所以標(biāo)記易因觸摸、酸堿氣體、溫度等環(huán)境原因的影響逐漸消退，無(wú)法保持長(zhǎng)久，清晰度也不高；激光噴碼機(jī)其采用的是光能轉(zhuǎn)化成熱能在工件表面燒蝕的原理形成標(biāo)記，因此標(biāo)記不易因外界因素的影響逐漸消退，屬于y久性標(biāo)記；同時(shí)雕刻精度高，z小線寬可達(dá)0.04mm，標(biāo)記精美，清晰度高，具有防偽性。

2、對(duì)工件的損傷度

噴墨機(jī)因采用化學(xué)墨水進(jìn)行接觸性標(biāo)記，所以易對(duì)工件表面產(chǎn)生腐蝕；長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)工件及工作環(huán)境產(chǎn)生化學(xué)污染，甚至對(duì)操作工人身體健康產(chǎn)生毒害。激光噴碼機(jī)屬于非接觸性加工，采用的是非機(jī)械式“光刀”作用工件表面，不會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生化學(xué)污染，更不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生毒害，比較環(huán)保。

3、標(biāo)記速度

噴墨機(jī)采用人工或機(jī)械式操作，可實(shí)現(xiàn)1行或多行字符標(biāo)記，相對(duì)速度慢。激光噴碼機(jī)采用計(jì)算機(jī)集成智能化操作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、自動(dòng)標(biāo)記、自動(dòng)儲(chǔ)料，節(jié)省時(shí)間；標(biāo)記速度更快，可實(shí)現(xiàn)單班產(chǎn)量數(shù)千件甚至萬(wàn)件標(biāo)記。

4、運(yùn)行成本

噴墨機(jī)油墨耗材大，打標(biāo)量大的一年的耗材費(fèi)用z高能達(dá)8萬(wàn)元，而且耗費(fèi)人工需要不斷添加油墨，運(yùn)行成本高。激光噴碼機(jī)耗材量少，基本上無(wú)耗材，微機(jī)化操作，省人工，運(yùn)行成本極低。

5、操作方便性

噴墨機(jī)工序多，需要不斷添加墨水，且要經(jīng)常清洗噴頭進(jìn)行維護(hù)，存儲(chǔ)有限。有的必須購(gòu)買指d廠家的耗材，這些都給操作上帶來(lái)麻煩。激光噴碼機(jī)集成化程度高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線飛行打標(biāo)，減少工序；且開(kāi)發(fā)速度快，可以不斷更換標(biāo)記，存儲(chǔ)量大，基本上沒(méi)有維護(hù)，操作簡(jiǎn)便。

6、使用壽命

噴墨機(jī)若不經(jīng)常清洗噴頭，機(jī)器的使用壽命易受到影響，故障率也比較高，壽命較短。激光噴碼機(jī)可以長(zhǎng)期使用，壽命較長(zhǎng)，工作時(shí)間可達(dá)100000小時(shí)（大于10年）。

7、價(jià)格方面

噴墨機(jī)一次性投入較低，價(jià)格相對(duì)便宜，但單個(gè)工件標(biāo)記成本較高，年平均投入總成本較高（人工、耗材、年均價(jià)格）。激光噴碼機(jī)一次性投入較高，價(jià)格相對(duì)較貴，但單個(gè)標(biāo)記成本較低，年平均投入總成本較低（人工、耗材、年均價(jià)格）。

8、適用性

      噴墨機(jī)適合于對(duì)標(biāo)記要求不高非金屬類的產(chǎn)品，如食品、飲料、y藥類的包裝等。而對(duì)一些金屬類產(chǎn)品如不銹鋼則無(wú)法標(biāo)記。激光噴碼機(jī)可根據(jù)工件材質(zhì)選擇各種機(jī)型，既適合金屬類產(chǎn)品也適合硬質(zhì)非金屬類產(chǎn)品的標(biāo)記。

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