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颗粒融化池交互

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现场监测可以提供工艺参数对粉末流动影响的关键信息，包括激光-熔体池相互作用、激光-颗粒相互作用、熔体池动机械和孔隙形成。使用高速摄影机进行了一项研究，以测量飞行中粒子之间以及与熔池之间的相互作用，为分析和理解颗粒熔化和颗粒池相互作用的DED过程提供了有用的信息。图5显示了粉末颗粒移动和撞击熔池时的一些显著细节。结果显示，单个粉末到达熔体表面，导致波纹的形成。

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图5 粉末流(a)从喷嘴前端到基板，(b)从一个喷嘴捕捉粒子速度，(c)低速视频(10?kHz)提供(d) 100万个粒子数据集，以识别喷雾的空间浓度，(e)在单道沉积过程中飞行，(f)各自的粒子轨迹跟踪，和(g)中绘制的速度分量。

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这些颗粒在表面停留了~ 0 ~ 600?μs，然后被吸收到熔体中。在某些情况下，粒子在与已经存在于表面的粒子相互作用后从表面反弹。为了提供粒子速度分布的统计信息，我们从高速图像中追踪粉末轨迹(图5f)。此外，本研究还制定并实施了三相(气、液、固)计算流体动机械(CFD)模型，以确定控制颗粒碰撞、熔体池动机械和润湿性的机制。然后将计算流体动机械模型结果与316L SS中单个颗粒的实验结果进行比较。总之，本研究有助于建立材料热物理性质、停留时间、粒度和温度、冲击速度、熔池条件和表面张力在DED过程中的影响。

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Cunningham等人在最近的一项基础研究中，使用Ti-6Al-4V基板测量了单轨激光与材料的相互作用。利用原位成像(图6a)可以看出，气相抑制和锁孔形成的演化依赖于输入的激光能量。研究发现，较低的激光功率和相应的输入能量会降低激光的有效钻速，从而减少锁孔发生的次数。

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图6 (a)在Ti-6Al-4V构建板上进行的单轨激光实验(固定激光)显示了固体材料在0-1.7?ms时间范围内熔体池的演化和相应的蒸气压“锁孔”。(b)激光功率为250?W，扫描速度为100?mm/s的DED模拟实验中，腔体、熔池、孔隙率和溅射的演化。

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在另一项研究中，使用高速x射线成像来表征粉末流动和激光与熔池的相互作用。采用专门设计的DED仪对Ti-6Al-4V粉末的沉积过程进行了成像。研究结果为激光-熔池相互作用对孔隙形成的影响提供了新的见解。图6b提供了气孔的形成和小孔孔的演化的有趣细节。图中还显示，熔池底部附近的空腔坍塌导致粒子从表面喷射(即，这被描述为溅射)。一般情况下，溅射是由于蒸汽-等离子体羽流引起的较大压力梯度或反冲压力的存在，有助于在DED过程中稳定熔池，可能导致表面缺陷的形成或表面粗糙度的增加。

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激光-导线相互作用

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在基于激光丝的电火花线切割（EDD）技术中，这是一种基于填充丝的激光焊接技术，该工艺对激光束和焊丝之间的相互作用也很敏感。与激光-物质相互作用相关的研究结果不一定适用于粉末基和金属丝基的电火花加工，因为这两种工艺不同。除激光功率、横向速度和送丝速率外，还有其他参数影响送丝器和激光束之间的相互作用，如激光/导线或激光/基板角度、相对于熔池的线头位置、导线突出距离和送丝方向，需要仔细调整。在加工过程中，金属丝通常通过球状转移、平滑转移或插入来沉积。基本上要求熔线尖端始终与熔池物理接触，以实现无缺陷沉积。

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为实现良好的工艺稳定性，开发并实施了基于视觉传感和图像处理的闭环工艺监控和控制，用于基于激光线的沉积工艺。可以使用互补金属氧化物半导体（CMOS）相机监测沉积过程中导线尖端和熔池之间的相互作用。视觉反馈有助于识别任何干扰并评估控制器的效率。金属丝尖端进入激光束和随后进入熔池之间的时间间隔取决于金属丝喷嘴的位置和角度。当接触过多的能量时，金属丝尖端会过早熔化，形成熔融金属丝的液滴，导致形成“薄弱环节”，而不是平滑转移的情况。如果送丝速度相对于熔池的能量输入过高，则焊丝可能未适当熔化，从而增加未熔合（LoF）缺陷的风险。对已发表文献的回顾表明，对控制激光束和导线相互作用的基本机制的研究仍然相对有限，需要进一步的工作。

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上图给出了焊接电压和电流输出的金属过渡模式函数，它们的值直接影响熔滴过渡模式和过程的稳定性，从而决定了电弧过程的类型。传统电源的主要困难在于控制过程中的这些变量。电子和数字控制提高了电弧的精度。20世纪90年代，计算机的发展使设计特殊波形成为可能，目的是改善电弧和金属沉积的时机。

文章来源：《红外与激光工程》 网址: http://www.hwyjggczzs.cn/zonghexinwen/2022/0121/841.html