激光快速成形金屬零件的殘余

激光快速成形技術(shù)是近幾年國際上廣泛關(guān)注的一種先進的實體自由成形技術(shù)，能夠直接成形高性能的致密金屬零件，具有無模具、短周期、低成本、市場響應(yīng)快等特點。本文簡要分析了激光快速成形件殘余應(yīng)力的形成機理及分布規(guī)律，概述了殘余應(yīng)力對成形件力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)尺寸、實際使用等方面的影響，探討了實驗測定殘余應(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、市場響應(yīng)快等特點，是一種將材料技術(shù)與制造技術(shù)有機融為一體的“新材料設(shè)計、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)手段無法實現(xiàn)的極端非平衡條件，使成形件具有細小、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，不僅對成形件的靜載強度、疲勞強度和抗應(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)重時會直接引發(fā)裂紋缺陷。成形件一旦出現(xiàn)裂紋，成形過程將被迫終止，同時已成形的金屬零件只能報廢處理，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程殘余應(yīng)力的形成機理和分布特性具有重要的現(xiàn)實意義。關(guān)于激光快速成形過程中殘余應(yīng)力的研究國外已開始有報道，而目前國內(nèi)尚未見有這方面的研究報道。本文初步分析了激光快速成形過程的殘余應(yīng)力問題，為精q描述和控制激光快速成形過程中殘余應(yīng)力分布提供基礎(chǔ)。

殘余應(yīng)力的形成機理與分布特性

   激光快速成形屬于材料熱加工過程，它以高能激光束作為移動熱源，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程能量非常集中，熔池及其附近部位以遠高于周圍區(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，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)力值會超過其屈服極限，因此，熔池部分會形成塑性的熱壓縮，冷卻后就比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小，同時由于熔覆層凝固冷卻時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，激光快速成形過程產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因主要歸結(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，在冷卻和凝固時相互制約而引起局部熱塑性變形，進而產(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，熔池材料在凝固時因相變體積變化不均及相變的不等時性產(chǎn)生的相變應(yīng)力，進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。激光快速成形過程是一個非常復(fù)雜的物理冶金過程，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。

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激光打標(biāo)機的作用及工作原理

激光打標(biāo)機屬于非接觸加工，可在任何形狀的物體表面標(biāo)刻，工件表面不會產(chǎn)生變形和內(nèi)應(yīng)力，適用于玻璃、塑料、陶瓷、金屬、木材、皮革等材料的標(biāo)刻。激光幾乎可對所有零件(如活塞、活塞環(huán)、氣門、閥座、五金工具、衛(wèi)生潔具、電子元器件等)進行打標(biāo)，且標(biāo)記耐磨，生產(chǎn)工藝易實現(xiàn)自動化，被標(biāo)記部件變形小。

激光打標(biāo)機采用掃描法打標(biāo)，即將激光束入射到兩反射鏡上，利用計算機控制掃描電機帶動反射鏡分別沿X、Y軸轉(zhuǎn)動，激光束聚焦后落到被標(biāo)記的工件上，從而形成了激光標(biāo)記的痕跡。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義

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煙酒行業(yè)采用激光打標(biāo)機進行標(biāo)記的優(yōu)勢分析

      激光技術(shù)在現(xiàn)在的多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如手機、電腦、消費類電子產(chǎn)品配件等，優(yōu)異的性能正在給我們提供高品質(zhì)的產(chǎn)品。

      煙酒行業(yè)是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的一個行業(yè)，是現(xiàn)在大部分人每天接觸到的，不同的品質(zhì)和質(zhì)量會直接影響人們的身體健康。煙酒行業(yè)作為國家控制監(jiān)控的產(chǎn)業(yè)，行業(yè)利潤相對較高，品牌競爭非常激烈，產(chǎn)品參差不齊魚龍混雜，很容易造成模仿造假。為了很好的保障商家以及消費者的權(quán)益，就必須有一個防偽編碼，來唯y辨識每一件產(chǎn)品。而現(xiàn)在的激光打標(biāo)機卻很好的充當(dāng)了這一個角色，采用現(xiàn)在的光纖激光打標(biāo)機，可以在每瓶酒、每個酒蓋上或每一個煙盒上標(biāo)記一個單獨的編碼，該編碼標(biāo)記y久、清晰、不可更改。這就有限的防止了一些不法商家造假制造，讓現(xiàn)在的每一個消費者可以放心更好更安全地去享受z品，有力的維護了商家、消費者的合法權(quán)益不受損害。除產(chǎn)品防偽功能外，可同時連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，進行產(chǎn)品追溯；同時激光加工不會產(chǎn)生有害元素，屬于無d環(huán)保安全，沒有任何腐蝕性，徹底隔絕了化學(xué)污染，對于操作人員也是一種貼心的保護，保證了生產(chǎn)現(xiàn)場的干凈整潔，減少了后期投入等。

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      了解了激光標(biāo)記的優(yōu)勢外，接下來就聊聊標(biāo)記的成本。激光設(shè)備根據(jù)配置不同銷售價格往往是數(shù)十萬到幾十萬，相對于油墨噴碼設(shè)備的價格要高出幾倍。 不過，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，相信激光噴碼設(shè)備價格很快會逐漸降低到客戶可接受的范圍。另外，激光設(shè)備基本為一次性投入，無后繼的耗材消耗以及高額的維護成本。而油墨噴碼設(shè)備除了買設(shè)備花錢外，每年還需花費數(shù)額可觀的油墨、稀釋劑等耗材費用，油墨噴頭容易被堵，需要經(jīng)常性的維護修理。

      以前煙酒行業(yè)大都采用傳統(tǒng)的標(biāo)記設(shè)備進行標(biāo)識，雖然激光打標(biāo)機價格也要比傳統(tǒng)的標(biāo)識設(shè)備貴很多，但是基于激光設(shè)備優(yōu)異的性能特點，現(xiàn)在越來越多的煙酒企業(yè)為了維護自身利益以及消費者權(quán)益，紛紛采用現(xiàn)在的激光設(shè)備進行產(chǎn)品標(biāo)記，由此可見，激光標(biāo)記將會成為大趨勢。

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