激光智能制造工艺力学实验系统

2013-04-08  来源:

项目分类:加工仪器设备  立项年度:2004

负责人:虞钢        完成年度:2006

完成单位:中国科学院力学研究所

一、项目简要说明

本项目研制成了一套具有自主知识产权(国家发明专利)的“激光智能制造工艺力学实验系统”,整个装备系统完全能适应现代大功率激光智能加工工艺的要求,可作为从事激光智能制造和柔性加工研究的实验系统和技术平台,为开展激光智能制造工艺力学的基础性研究提供了必备的实验装备。项目研究体现了国际先进制造业的创新研究前沿水平,体现多学科交叉,以及应用基础研究、技术发展和系统集成的内在联系。与国际同类型集成化系统相比,该项目完成的技术装备系统集约度高,创新点明确,性能价格比优异,并具有自主的知识产权和功能拓展能力。中/ 英文控制操作平台系统将更加适用于中国的工业用户。

该装备在机械、电子、航空、医疗等领域也有着广泛的应用前景。并为相关领域的国家合作提供了必备的条件。

激光智能制造工艺力学实验系统可用于高密度激光制造、焊接、切割、打孔、材料的表面处理、激光成形以及激光热负荷等多种制造加工领域。激光智能制造工艺力学实验系统功能包括:全数控固体激光器和五轴框架式机器人;大功率激光束柔性传输的偶合;高强激光束的空间强度变换; CAx 过程的实现与转换;具有开放性和拓展功能的激光智能加工系统的软硬件集成(具有高的性能价格比);激光材料工艺力学以及和系统集成相关的专家系统数据库的建立和与系统的集成。

装备系统主要技术指标:

 

二、在科研工作中发挥的作用

项目组利用自行研制的“激光智能制造工艺力学实验系统”进行了高密度激光制造的科学研究以及工程应用,在异种材料、高温合金、镍基以及钛合金- 铅的激光焊接;激光成形、熔覆以及镍基高温材料激光涂层的研究;材料的激光表面强化和激光微孔加工以及激光精密制造的工艺研究工作,取得了一系列的创新性研究成果。

1、在科学研究中,针对高能密度激光制造熔池形成与凝固过程具有多场、多尺度、多参数的特点,基于激光与材料相互作用的物理机制,通过确定适合的边界条件,建立激光制造熔池形成过程的数值模型,研究了激光深熔焊瞬态温度场与流体速度场的变化;在熔池形成初步数值模拟基础上,采用自适应搜索技术构造界面生成函数(level-set),模拟表面张力、重力等作用下的熔池自由面, 追踪由于keyhole 移动或粉粒沉积而引起的液气自由界面的演化。激光制造的快速冷却、凝固的不均匀传热过程会产生很大热应力。凝固过程中在热应力与相变应力共同作用下会引起塑性变形、生成微缺陷、形成残余应力。基于热- 弹塑性理论,通过确定适宜的热、力等边界条件,考虑温度、相变、热应力三者之间的耦合效应,建立热应力和应变场分析三维有限元模型,结合熔池凝固过程微结构演化和微缺陷形成特征,研究了结构- 热应力- 变形关系。

2、在工程应用中,基于“激光智能制造工艺力学实验系统”平台,实现了:

◇ 利用激光作为载体对发动机活塞、汽缸盖进行加载的激光热负荷实验,是国内唯一用激光作为热负荷实验,改变了以往传统用火焰法的热负荷实验。

◇ 激光微孔加工技术的研究,已实现了孔径从0.08—0.3mm 的加工过程

◇ 钛合金 - 铅的异种材料激光焊接,两种材料的熔点差别较大,通过对两种材料的热物性研究,以及材料对激光的吸收性,实现了钛合金- 铅的异种材料激光焊接,焊缝强度高于母材。

◇ 高温难熔金属激光熔覆工艺的探索,并实现了在发动机等结构件上的应用。

◇ 模具以及发动机汽缸盖活塞环部位的激光表面强化处理技术的研究,改变了材料表面的组织结构,达到了预期的研究成果。

◇ 实现小型、微型结构件的激光加工,已成功的为航空仪表中的陀螺马达、油门电机等精密元器件进行异种金属的激光焊接。

(力学所科技财务处供稿)

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