45鋼送絲激光熔覆成型基礎工藝*

四庫孫進

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

目前，激光熔覆主要用于表面改性、表面修復和零件制造［1－2］，航天領域研究較多［3－5］。從材料的輸送方式來看其分為送粉（預先鋪置和送粉器送粉）［1，6］、送絲［2，7－8］和粉絲同送［9］3 大類。近年來，研究者聚焦于送粉激光熔覆技術上。然而，該技術難以達到和傳統制造相媲美的效率，且難以得到致密的金屬組織。聚焦于送絲激光熔覆技術上的研究多涉及的是Ti合金［8］等功能合金，并未涉及普通鋼材。本文旨在研究基于送絲技術的45鋼激光熔覆成型技術及其各種參數對熔道質量和熔覆效率的影響。

表1 45鋼化學成分

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要包括500 W的Nd:YAG激光器（1.06 μm）及光路傳輸系統、側送送絲裝置和數控臺。數控臺擁有4個自由度:x軸、y軸、z軸和送絲A軸。另外，該裝置還包括冷卻系統、攝像系統和氣體保護系統。聚焦系統設定焦距為75 mm，聚焦光斑直徑為0.3～0.6 mm，實驗裝置和送絲情況如圖1所示。

1.2 實驗材料

45鋼經調質處理可獲得良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等，且可作模具修復材料。45鋼具有良好的焊接性能，宜作為激光熔覆材料。本實驗將把絲徑為0.4 mm的45鋼鋼絲熔覆于厚度為3 mm的45鋼基板上。45鋼的化學成分見表1。

1.3 實驗設置

光束能量沿掃描方向成正態分布，送絲方向選定為此方向，如圖1所示。寬的光束可為絲材提供更大的振動容度，防止絲材偏出光束而熔化不充分，從而保證熔覆過程穩定進行。基于此擬定單熔道的長度為90 mm。實驗將按照以下3大步進行:第一步，根據熔道表面質量確定送絲方向和角度;第二步，研究激光掃描速度、送絲速度和激光功率對熔道質量和熔覆效率的影響，以及熔道間的最佳搭接率;第三步，在前兩步的基礎上研究熔道的微觀硬度和微觀組織特性。

1.4 式樣制備與表征

熔道完成后將其截斷并拋光，用超景深測量容道寬度和高度，以此評價熔覆效率。用HV－1000型顯微硬度儀測量微觀硬度，光學顯微鏡觀察熔道表面質量和缺陷。繼而將拋光的試樣用含氫弗酸2%硝酸5%的酒精溶液侵蝕，干燥后用4XC金相顯微鏡和掃描電鏡觀察微觀組織。最后，綜合評價熔覆效率和熔道質量，找出最佳工藝參數。

2 實驗結果和分析

2.1 送絲方向和角度的確定

1.3中確定送絲方向平行于掃描方向。圖2中a圖和b圖對比展示了前送和后送熔道質量情況，a圖熔覆表面較之b圖光滑，據此選定前送。后送熔覆過程中，絲材被送到熔池表面且遠離熔池，熔化不充分，如此形成瘤塊狀斷續的波紋熔道。前送熔覆過程中，絲材經預熱被送進熔池，充分熔化后結晶凝固又經邊緣低能光束回火可得到光滑的熔道。

前送方式下，設定激光輸入電流I為300 A，掃描速度Vf為 300 mm/min，送絲速度Vc為 30 mm/min，送絲角度 α 分別為15°、45°、60°，實驗獲得的3條熔道如圖3所示。送絲角度為15°時，絲材與熔池間的空間極小，其未經充分熔化就觸碰到已凝固的熔道而折彎偏出熔道，熔道表面質量極差。送絲角度為45°時，絲材與光束的作用位置良好，可得到光滑的熔道。送絲角度為60°時，絲材與激光接觸時間增長，熔道的波紋度加大，表面質量變差。根據以上結論選定送絲角度為 45°。

2.2 激光功率、掃描速度和送絲速度度對熔道的影響

圖4為熔道截面草圖，用作截面尺寸測量參照。設定掃描速度Vf為300 mm/min、送絲速度Vc為 30 mm/min，變換激光功率進行實驗，熔道寬度和高度測量值如圖5所示;設定激光器電流I為300 A，Vc為30 mm/min，變換掃描速度進行單道熔覆實驗，熔道寬度和高度測量值如圖6所示;設定激光器電流I為300 A，Vf為300 mm/min，變換送絲速度進行單道熔覆實驗，熔道寬度和高度測量值如圖7所示。

圖5顯示，隨著激光功率增大熔道寬度增大、高度減小，由于受到掃描速度和送絲速度的限制總體堆積效率不變，但是該趨勢有利于多道搭接以及多層熔覆。圖6顯示，隨著掃描速度增大，熔道寬度和高度都減小，堆積效率降低。圖7顯示，隨著送絲速度增大，熔道寬度和高度增大，堆積效率提高，但是送絲速度過大將造成熔化不充分現象。圖8是上述情況的直觀顯示。

2.3 搭接率對熔覆層的影響

在選定送絲方向為前送，送絲角度α為45°，激光輸入電流I為300 A，掃描速度Vf為300 mm/min，送絲速度Vc為30 mm/min的情況下進行搭接實驗，搭接率分別為15%、20% 和30%，圖9顯示了其實驗結果。當搭接率為15%時，熔道間明顯凹陷;搭接率為30%時，熔道后道蓋過前道，出現熔道逐漸抬高的現象;搭接率為20%時，搭接情況良好。另外，從熔道高度標準差也可看出搭接率為20%時搭接情況良好。

2.4 熔道的微觀組織

圖10顯示了整個熔道截面區的柱狀微觀組織，晶粒生長方向從熔道中心向四周擴展，與傳熱方向一致。由c區和b區金相組織對比可得c區重熔區的晶粒度明顯小于b區熔道區，這是c區熱傳導效率明顯高于b區的緣故。由單道微觀組織圖和多道搭接處的微觀組織圖可知，熔道處無組織缺陷，送絲激光熔覆成型技術可得到致密的金屬組織。

2.5 熔道的微觀硬度

設定基體表面為基面，基面偏向熔道的方向為“+”，分別在熔道、重熔區和熱影響區選定多點進行微觀硬度測量，測量結果如圖11所示。激光熔覆時重熔區和熔道屬于快熔快凝過程，類似于淬火處理。由于不同區域的散熱情況不同，其硬度值也不同。圖11顯示最高硬度值出現在重熔區。該區域熱量向各個方向傳導，較之熔道傳熱效率更高，晶粒度相對較細小，硬度值自然相對較高。而熔道中心由于散熱較慢，晶粒度相對較大，硬度值最低。

3 結語

本文通過45鋼鋼絲的激光熔覆成型基礎工藝研究，可得出以下結論:

45鋼送絲法激光熔覆成型可得到致密無孔松的金屬組織，光滑的金屬表面。送絲最佳方向為前送，最佳角度為45°。最佳工藝參數搭配為激光輸入電流300 A，掃描速度300 mm/min，送絲速度30 mm/min。熔道截面區生成柱狀晶粒，其生長方向從熔道中心向四周擴展與傳熱方向一致。微觀硬度值由重熔區向上下兩端遞減，其中熔道中心硬度值最低。

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