光內同軸送粉立面堆積成形實驗研究

孟偉棟，石世宏，傅戈雁，王 濤，楊 軾，史建軍

(蘇州大學機電工程學院，蘇州215021)

引 言

激光立體成形技術融合了快速成形技術和激光熔覆技術，成為目前先進制造技術的一個重要方向，廣泛地應用于零件的制造和修復［1-7］。但是由于設備和工藝的限制，現有的激光立體成形技術多用在水平基面上，當立面堆積時，由于無支撐的熔池受重力作用發生流淌，導致坍塌成形失敗。本試驗利用中空激光光內同軸送粉熔覆技術［8-12］進行立面堆積回轉體試驗。

立面堆積變徑回轉體成形中，存在3個主要問題［13-16］:(1)以錯層的方式進行變徑，變徑范圍小，成形件表面粗糙度大;(2)熔覆層每層生長量與提升量Δz不匹配;(3)立面堆積激光功率控制。本文中針對上述問題重點研究和分析錯層、提升量Δz、激光功率對成形件表面質量的影響。

1 試驗材料和方法

Fig.1 Schematic of coaxial inside-beam powder feeding technology

圖1為光內同軸激光熔覆的原理示意圖，采用特殊的光學轉換系統將傳統的實心聚焦激光束轉換為中空聚焦激光束，送粉管居中放置，粉束外圍是保護氣體，環形保護氣外圍是同軸的環形激光。光能外移后，熔池的能量分布更均勻，熔道更平整，堆高性好;同時光能外移后，邊界能量增大，對前一層熔道有修邊作用，降低表面粗糙度，為立面堆積提供可能性。

試驗中采用YLS-2000-CT光纖激光器，KUKA機器人和控制臺組成的運動動力裝置，光內同軸送粉激光熔覆光頭，如圖2所示。基體選用304#不銹鋼尺寸為100mm×100mm×10mm，首先粗砂紙打磨基板表面，再用丙酮以及酒精清洗待加工表面。進行上述預處理，主要是清除表面的銹蝕以及油污，以滿足激光熔覆的需要。熔覆材料選用－140目/+200目(75μm～106μm)的Fe313合金粉，采用氮氣作為保護氣體。

Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

2 立面堆積模型建立

Fig.3 Schematics of laser cladding accumulation by means of two ways

如圖3a所示，傳統激光熔覆堆積變徑回轉體的過程中，激光光頭始終垂直與基體表面，與熔道生長方向不一致，變徑只能通過熔道的錯層來實現，但是熔道上下層的錯位造成成形件表面粗糙度變大。一方面上層熔道部分的光粉落在外面，錯位的熔池只能依靠張力存在，當偏移量過大時會出現熔覆層懸臂端坍塌，使得成形件報廢;另一方面下層熔道部分面積沒有繼續堆積，形成臺階狀，增大了成形件表面粗糙度。本試驗中提出了一種新的激光熔覆堆積變徑回轉體的方法，如圖3b所示。改變激光光頭姿態，使得堆積過程中，激光光頭始終與熔道表面垂直。在這一方法下，激光光頭的提升方向始終與熔道生長方向一致，上下層熔道完全結合，有效解決了因錯層造成的成形件表面粗糙度變大的問題。本實驗中設計了如圖4所示的立面變徑回轉體。其堆積的基本參量為:激光掃描速率v=5mm/s，送粉速率v1=8g/min，離焦量B= －4mm，激光功率P=600W～1000W。

Fig.4 Model and photo of vertical surface accumulation

3 Δz的控制

嚴格地說，激光光頭每層提升量Δz的數值必須與單層生長量保持一致，這樣才能確保每層的工藝條件完全相同。實際的立面堆積過程中，熔道每層生長量是動態變化的，固定的提升量Δz與生長量不匹配，引起離焦量的變化，使得成形件表面粗糙度變大。當Δz大于單層生長量時，光斑直徑變小，激光能量密度變大，熔道的厚度變小，成型件表面高低不平;當Δz小于單層生長量時，光斑直徑變大，激光能量密度變小，使得熔池邊緣的粉末不能充分熔化，黏附在成形件表面造成表面粗糙。所以Δz是否與生長量匹配直接影響成形件表面粗糙度。在本試驗中，采用機器視覺系統實時測量激光光頭與加工熔池之間的距離，把測得的距離實時傳遞到機器人中，機器人根據所測得距離實時調整激光光頭的提升量Δz，從而確保激光光頭與熔池之間距離恒定;保證離焦量不變。

Fig.5 Increment in z axis Δz vs.number of cladding layers

圖5為立面堆積過程中提升量Δz變化散點圖。從圖中散點趨勢可見，第0層到大約第100層，由于熔池由3維散熱變為2維散熱，熔池溫度逐漸上升，粉末的液態相變大，使得熔覆層的生長量逐漸變大，所以Δz逐漸增大;第100層之后，隨著熔道層數繼續增加，熔池的達到熱平衡，熔池的溫度趨于穩定，使得熔道的生長量趨于穩定，所以Δz逐漸趨于穩定。

4 功率的控制

在立面堆積成形過程中，隨著堆積層數的增加，激光束的能量不斷地在材料中累積，材料內部的溫度將越來越高，因而熔池的體積會越來越大，進入熔池的金屬粉末數量也會逐漸增加，從而導致堆積厚度和寬度逐漸增大，影響成形件的宏觀形貌。

在高層立面堆積過程中，成形件表面的粗糙度與激光能量密度密切相關，激光功率過低造成熔池溫度過低，熔池邊緣的粉末熔化不充分，使粉末黏附在成形件表面，增大表面粗糙度;激光功率過高會造成熔覆層過燒，熔池熱影響區變大，未進入熔池的粉末就會與溫度較高的熱影響區發生碰撞，速度較低或尺寸較小的粉末顆粒就會黏附在成形件表面上，增大成形件表面粗糙度。

在激光熔覆過程中的能量轉化遵守能量守恒法則，即:

式中，E0為入射到基板表面的激光能量，Er為材料反射的能量以及基板吸收的能量，Ea為熔池吸收的能量，Et為透過材料的能量。對于立面堆積而言，激光束不能穿透材料，那么Et=0。其中Ea主要決定熔池的溫度，Er主要由熔池的散熱情況決定，隨著堆積層數的增加，熔池由3維散熱變成2維散熱，Er變小，為了使熔池吸收能量Ea在堆積過程中保持不變，需要相應地減小。

中空環形激光的能量密度計算公式為:

式中，E為激光能量密度，P為激光功率，D為環形光斑外圓直徑。由公式可知，當在激光掃描速率v和激光熔覆離焦量不變的前提下，只有通過調整激光功率P才能保證激光功率密度E的不變。

如圖6所示，立面堆積初期時，因為基體沒有經過預熱其溫度為室溫，熔池的熱量迅速傳向基體，為了保持熔池溫度，所以需要在一段時間內保持較高的功率1000W。隨著堆積層數的增加，熔池從初期的3維散熱變為2維散熱，熔道的散熱量也來越小，熔池的熱量不斷累積，需要將功率逐漸下降。堆積層數繼續增加，熔池的吸熱和散熱逐漸保持平衡，熔池的溫度基本保持穩定，激光功率不需要再改變，最終穩定在600W。

Fig.6 Power vs.number of cladding layers in the accumulation process

5 成形件表面質量

Fig.7 Size of facade adjustable rotator

Fig.8 Roughness measurement position

Table 1 Surface roughness of a molding rotator

在立面堆積成形中，表面粗糙度時衡量成形件質量的重要標準。本試驗中通過改變光頭姿態，使光頭在堆積過程中始終與熔道表面垂直，以及對光頭提升量Δz、激光功率的實時控制，得到如圖7所示的成形件。在成形件表面等距離地取8個點如圖8所示。通過TR200手持式粗糙度儀測得其粗糙度如表1所示，成形件表面粗糙度Ra=(0.497～2.163)μm;Rz=(1.992 ～7.447)μm，達到半精加工表面，成形效果良好。

6 結論

在中空激光光內同軸送粉熔覆技術的基礎上，研究了立面堆積變徑回轉體的關鍵參量的控制。試驗表明:(1)改變激光光頭姿態，使其始終與熔道表面垂直，解決了錯層引起的成形件表面質量低的問題;(2)在堆積過程中，實時監測離焦量大小來調節z軸的生長量Δz，真正實現了Δz的數值與每層生長量保持一致，保證了成形件表面質量;(3)熔覆堆積過程中，通過功率的調節保證熔池溫度的相對不變。得到的立面成形件表面光滑，無明顯的粉末黏附，粗糙度低，成形件表面粗糙度Ra=(0.497 ～2.163)μm，Rz=(1.992 ～7.447)μm。

［1］ LI C Y，ZHANG S，KANG Y P，et al.Comment on material system for laser cladding［J］.Laser Journal，2002，23(3):5-9(in Chinese).

［2］ SONG J L，LI Y T，DENG Q L，et al.Research progress of laser cladding forming technology［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(14):29-39(in Chinese).

［3］ YUAN Q L，FENG X D，CAO J L，et al.research progress in laser cladding technology［J］.Materials Review，2010，24(3):112-116(in Chinese).

［4］ ZHANG K W.Introduce on materials，processing parameters，microstructure and properties of foreign laser cladding［J］.Heat Treatment of Metals，2002，27(6):1-7(in Chinese).

［5］ ZHONG M L，NING G Q，LIN W J.Research and development on laser direct manufacturing metallic components［J］Laser Technology，2002，26(5):388-391(in Chinese).

［6］ LI Y L，JIN H X，BAI X B，et al.Research progress and development trend of laser cladding technology［J］.Heat Treatment Technology and Equipment，2009，30(4):1-5(in Chinese).

［7］ XU P，LIN C X，ZHOU C Y，et al.Wear and corrosion resistance of laser cladding AISI 304 stainless steel/Al2O3composite coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2014，23(8):9-14.

［8］ BALDRIDGE T，POLING G，FOROOZMEHR E，et al.Laser cladding of inconel 690 on inconel 600 super alloy for corrosion protection in nuclear applications［J］.Optics and Lasers in Engineering，2013，51(2):180-184.

［9］ HUANG W D，LI Y M，FENG L P，et al.Laser solid forming of metal powder materials［J］.Journal of Materials Engineering，2002，30(3):40-43(in Chinese).

［10］ LI B L，WEN Z Y，LIU X H，et al.An Experimental study of laser cladding technology applied for axle surface repair［J］.Applied Laser，2007，27(4):290-294(in Chinese).

［11］ JI S Q，LI P，ZENG X Y.Microstructure and mechanical property analyses of the metal parts direct fabricated by laser cladding ［J］.Laser Technology，2006，30(2):130-132(in Chinese).

［12］ CAI Q F，SHI S H，LE C S，et al.Study on inside-laser powder feeding of laser cladding rapid prototyping［J］.Journal of Suzhou University(Engineering Science Edition)，2009，29(2):43-45(in Chinese).

［13］ LI S，HU Q W，ZENG X Y.Research development of Fe-based alloy powder for laser cladding［J］.Laser Technology，2004，28(6):591-594(in Chinese).

［14］ LIU J C，LI L J.Experimental study on fabrication of thin-wall metallic features by laser cladding［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，40(10):185-188(in Chinese).

［15］ YANG N，YANG F.Effect of laser cladding parameters on the quality of cladding layer［J］.Heat Treatment Technology and Equipment，2010，31(4):17-19(in Chinese).

［16］ WANG M D，ZUO D W，WANG M，et al.Process in single-layer laser cladding using coaxial inside-beam powder feeding［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics＆ Astronautics，2009，41(3):354-357(in Chinese).