据悉，德国汉诺威激光中心（LZH）开发出“定制成型”（Tailored Forming）项目的新激光工艺，通过定制成型制造混合高性能部件的工艺链，旨在生产适应载荷的固体部件。

“定制成型”（Tailored Forming）项目自2015年7月起由德国研究基金会（DFG）资助。除了汉诺威莱布尼兹大学的9个研究所外，汉诺威激光中心（LZH）、汉诺威综合生产研究所（IPH））和德国国家科学技术图书馆（TIB）也参与了研究。来自不同学科的研究人员共同致力于定制成型工艺链的基础开发和实现。仅在需要时才在高性能部件上使用昂贵的材料是德国合作研究中心SFB 1153“定制成型”项目的愿景。汉诺威激光中心（LZH）的科学家们正在研究两种基于激光的工艺。

例如，混合半成品可以节省材料和生产成本，如果部件的这些部分是由高成本材料制成的，这些材料在以后的使用中将有很高的要求，因此必须特别耐磨。

图1：超声波辅助激光束焊接工艺使LZH科学家能够生产无裂纹、可成型的混合半成品。（照片：LZH）

“定制成型”项目正在开发一种新的工艺链，用于生产适应载荷的混合固体部件，其中需要半成品首先连接，然后成型。为此，LZH正在进行两种基于激光的工艺研究。

图2：用于超声辅助激光束焊接工艺的旋转工件。照片：LZH。

金属连接与切割组采用超声辅助激光束焊接工艺生产无裂纹可成型半成品。科学家们焊接了各种混合化合物制成的轴，如钢－钢或钢－镍，并开发了相应的工艺。

他们的重点是如何避免裂纹，以及焊接过程中的哪些参数会影响焊焊缝熔深或焊缝加固等质量特征。

图3：制造和开发过程的整体视图

从半成品到可用部件的制造和开发过程的整体视图。这包括在连接和成型过程中对材料性能的目标热力学影响的基础研究，用于成型的新工具技术的设计和开发，以及制造过程的过程伴随数值模拟。

图4：LZH研究人员在1153“定制成型”合作研究中心，使用激光沉积焊接制造混合半成品。（照片：LZH）

在由钢和铝合金组成的激光焊接混合半成品的金相截面中，可以证明从焊缝金属到铝合金基材的过渡区域的混合得到了改善（图5）。过渡的分级更小，相的分布更细。

图5：不同的钢（左）和铝合金（右）接头在不同放大倍数下的金相截面照片

超声波对熔池动力学的影响可以通过铝合金板上焊头的焊接得到证明。检测了不同位置（节点、前波峰和这两个位置之间的中间位置［见图6］）和振幅（0μm、2μm、4μm、6μm）。图7显示了研究结果。振幅越大，晶粒尺寸越小，分布越均匀，从节点到端面的振荡运动也是如此。激励幅值越小，焊缝深度越大，焊缝宽度越小。焊缝截面主要取决于能量输入，因此在这种情况下是恒定的。

图6：计算得到的振动分布

图7：激光束焊接过程中不同位置、不同振幅超声下铝合金板焊缝头电解抛光金相截面照片

采用所研究的工艺成功焊接了钢－钢相似接头（直径为30 mm），并随后成型（图8）。

图8：激光焊接钢－钢混合接头工艺链各工位（半成品及金相截面）

激光沉积焊接

机器和控制组正在研究具有局部负载适应特性的新型部件。为了实现这一目标，科学家们使用激光热丝沉积焊接，将一种高成本、高强度的材料作为涂层，专门用于部件在运行过程中承受高负载的区域。

目标应用是齿轮齿侧。这样，就可以得到高质量的硬涂层，并且涂层的性能受到材料选择的具体影响。

图9：用于制造锥齿轮的混合半成品，在齿侧区域有高强度涂层。（照片：LZH）

下一步，该小组希望开发用于沉积焊接质量保证的过程监控。为此，需要使用特殊的传感器技术测量焊接过程中产生的二次辐射，并使用机器学习方法进行分析，从而能够对涂层性能进行预测。目的：在工艺过程中对涂层进行无损质量控制。

在合作研究中心的第三个资助期，该小组希望通过调制激光功率来确保更大的过程稳定性，并开发过程控制，以在生产半成品时实现可重复的、稳定的质量。此外，部件中的机械残余应力将通过超声波后处理来降低。