非圓光斑對金屬激光快速成形的影響及對策

王 維 范鵬翔② 項 坤 楊 光 欽蘭云 齊 鵬

（①沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽110136;②南京機電液壓工程研究中心，江蘇南京 211102）

金屬激光快速成形是激光熔覆技術和快速原型技術相結合發展而來的，其技術基礎仍然是激光熔覆，只有每一層及層與層之間的激光熔覆質量得以保證，成形件的質量才能得以提高。

由于大功率激光器價格昂貴，激光快速成形系統所用的激光器大部分是在原有激光加工系統（如激光熔覆、焊接、切割和熱處理等）基礎上添加配套的光路改造而來的。然而，就目前工業用大功率激光器而言，由于受制造技術的限制，激光束的模式不再是基模，而是多種低階模式混合而成的混合模激光束，在其傳輸與聚焦的過程中，受光束附加相移的影響，光束橫截面能量分布將發生變化［1］。

影響激光快速成形質量的加工參數很多，其中聚焦光斑在一定程度上決定了單道熔覆的質量及尺寸形貌，進而影響掃描間距、分層厚度的確定。而掃描間距和分層厚度是影響成形件內部質量的主要參數，因此非圓光斑的影響不能忽視。

1 非圓光斑的影響

1.1 非圓光斑存在現狀

圖1a所示為蘇州大學激光加工系統光束為多模時，在有機玻璃上通過燒斑法得到的光斑圖像［2］，可以發現光斑近似呈橢圓狀;圖1b為北京工業大學激光工程院國家產學研激光技術中心對國產HJ－4三軸激光加工系統的多模聚焦光斑進行測試所得的功率密度分布圖［3］;圖1c為華中科技大學為測試同軸送粉嘴在平面各方向上性能的一致性，熔覆的正八邊形圖案一部分［4］，把其圖片放到Microsoft Visio里對其熔覆寬度及熱影響區測量比較發現，其不同方向上的熔覆寬度及熱影響區寬度均不相等，這可能與光斑為非圓光斑有關;圖1d為南京航空航天大學光內送粉激光加工系統不同離焦量下的多模光斑照片［5］，觀察其環形光斑也近似成橢圓環。

1.2 非圓光斑對單道熔覆的影響

大量的研究表明，單道熔覆寬度和高度主要受激光功率、掃描速度、送粉量、光斑直徑和載氣流量等加工參數的影響。非圓光斑對單道熔覆的影響是指在加工參數相同的情況下，平面上不同方向單道熔覆出現各向異性。工藝參數相同條件下加工如圖2a所示圖形，測量各方向上單道熔覆的寬度結果如圖2b。從圖2可看出，由于本系統的光斑近似呈橢圓，導致相同加工參數情況下不同方向上單道熔覆的寬度不一。說明在一定的激光加工參數下非圓光斑垂直于掃描線的實際長度決定了熔覆寬度。

1.3 非圓光斑對掃描間距的影響

搭接率［6］（重疊系數）的計算公式如式（1），可以看出當搭接率一定時，單道熔覆的寬度將決定掃描間距的大小。

式中:W為單道熔覆的寬度;L為掃描間距;Ψ為搭接率。

激光加工參數相同的條件下，光斑形狀是一定的，如果不考慮同軸送粉嘴的方向異性及保護氣流的影響，垂直于掃描方向上光斑的實際寬度是影響單道熔覆寬度的主要因素，進而影響到對應方向上掃描間距的確定。

1.4 非圓光斑對層高的影響

實際上非圓光斑也對分層厚度有影響。例如在奇偶層上正交變化往復平行掃描時，如果X和Y方向單道熔覆寬度不同，當掃描間距都按同一值時，將造成實際的搭接率不同。搭接率過大會導致熔覆層高度增大，而熔覆高度一般不能超過光斑直徑的的1/3，否則容易出現熔合不良［7－8］;搭接率過小會導致熔覆的道與道之間結合力小，表面溝壑大，不利于下一層熔覆層生成。兩者都會在不同程度上影響成形效率，且使成形質量不穩定。

1.5 非圓光斑對成形件影響

本系統的光斑成橢圓形，長軸在X方向，所以導致平行于Y軸的單道熔覆寬度大;短軸在Y軸，導致平行X軸方向的單道熔覆寬度小。如果忽略非圓光斑造成的熔覆各向異性，掃描間距均按Y向的熔覆寬度來確定，此時Y方向平行掃所得熔覆層如圖3a，表面較平整;但是X方向平行掃描所得的熔覆層表面溝壑明顯，甚至沒有形成連續的表面如圖3b;圖3c為采用層間正交變向往復掃描加工的樣件截面，可以發現明顯的分層及熔合不良缺陷，這也是忽略非圓光斑情況下X向和Y向掃描間距不相等造成的。

2 非圓光斑不良影響的解決方法

2.1 硬件解決辦法

光斑能量密度分布不均勻是影響加工結果不一致的重要原因，因此提高光斑質量是提高激光快速成形件的基礎。更換性能更好的激光器等硬件或在光束傳輸過程中添加光攔都可以提高光斑質量，但前者需要大量的資金投入，后者要以損失光束能量為代價。本文將通過調整工藝參數的辦法來解決硬件設備的不足，延長設備的使用壽命。

2.2 變掃描間距法

當加工系統中光斑為非圓時，尤其X向和Y向單道熔覆寬度不同時，為了解決非圓光斑的影響，應當在不同方向變掃描間距加工。以本加工系統為例，X向和Y向的掃描間距分別采用不同的值以保證每一層的最優掃描間距。如圖4所示為采用變掃描間距法的層間正交變向往復掃描示意圖。

在相同的激光加工參數下，利用上述掃描方法，在厚度為10 mm的基板上分別加工層數為2、4、6的3個試件，用線切割割開試件并打磨截面。圖5為3試件的照片，從圖中可見成形件的表面較平整;3個成形件的高度近似成等差數列，說明成形精度提高;截面無明顯氣孔等內部缺陷，說明內部質量提高。

變掃描間距的實質就是在不同方向上分別利用最優掃描間距的確定方法，而大部分掃描方式都只涉及X和Y兩個方向，因此并不會給工藝參數的制定帶來多大的工作量，適合在試驗研究及工業生產中推廣應用，易于實現。

3 結語

非圓光斑對激光快速成形各向異性影響不能忽視。在不更換或調整硬件的情況下，通過變掃描間距法，可有效解決非圓光斑的不良影響，提高了成形件的綜合質量，降低了投入成本，延長了設備使用壽命。變掃描間距法與常用的層間正交變向往復掃描方式相結合，制定新的工藝參數只需考慮X和Y向即可，工作量小，易于推廣應用。

［1］王智勇，陳濤，左鐵川.延遲位相在大工率CO多模激光光束傳輸與聚焦中的重要性［J］.中國激光，1998，25（5）:391 －396.

［2］狄科云.激光熔覆快速成形光內同軸送粉斜壁堆積的初步研究［D］.蘇州:蘇州大學，2008:40－41.

［3］李強，雷訇，左鐵釧.幾種典型大功率激光的功率密度分布及其應用［J］.激光雜志.2001，22（5）:64 －65.

［4］李鵬.基于激光熔覆的三維金屬零件激光直接制造技術研究［D］.武漢:華中科技大學，2005.

［5］王明娣.基于光內送粉的激光熔覆快速制造機理與工藝研究［D］.南京:南京航空航天大學，2008:36－37.

［6］尚曉峰，劉偉軍，張凱，等.金屬粉末成形掃描間距優化方法［C］.2005年中國機械工程學會年會論文集:326－329.

［7］Zhang Kai，Liu Weijun，Shang Xiaofeng.Research on the processing experiments of laser metal deposition shaping［J］.Optics ＆ Laser Technology，2007，39:549 －557.

［8］黃衛東，林鑫，陳靜，等.激光立體成形［M］.西安:西北工業大學出版社，2007:57－60.