工藝參數對熔池溫度及成形尺寸的影響

張超 姜興宇 劉傲 王永

摘 要：本文探究了工藝參數對熔池溫度和熔覆層成形高度及寬度的影響規律，并結合實際工藝過程，選取激光功率作為熔池溫度控制的主要變量，為后續控制熔池溫度變量的選取以及工藝參數的選取提供了參考。試驗結果表明：在熔池溫度上，激光功率增大，熔池溫度升高;掃描速度和送粉速率增大，熔池溫度降低。在熔池尺寸上，激光功率和送粉速度增大，熔覆層的高度和寬度分別升高;掃描速度增大，熔覆層的高度和寬度分別降低。在高度上，影響關系大小依次為送粉速率、掃描速度、激光功率;在寬度上，影響關系大小依次為激光功率、掃描速度、送粉速率。

關鍵詞：激光熔覆;熔池溫度;工藝參數;雙色紅外測溫儀

中圖分類號：TN249文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0019-05

Influence of Process Parameters on Temperature and Forming Size of Molten Pool

ZHANG Chao JIANG Xingyu LIU Ao WANG Yong

（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： In this paper， the influence of process parameters on the temperature of molten pool and the forming height and width of cladding layer was explored. Combined with the actual process， the laser power was selected as the main variable of molten pool temperature control， which provides a reference for the selection of subsequent control variables of molten pool temperature and process parameters. The results showed that the temperature of molten pool decreases with the increase of laser power， and increases with the increase of scanning speed and powder feeding rate; The results showed that the height and width of cladding layer increase with the increase of laser power and powder feeding speed， while the height and width of cladding layer decrease with the increase of scanning speed; In height， the order of influence is powder feeding rate， scanning speed and laser power; In width， the order of influence is laser power， scanning speed and powder feeding rate.

Keywords： laser cladding;molten pool temperature;process parameters;infrared thermometer

激光熔覆是利用具有高能量、高密度的激光束射入基體，在基體表面形成熔池，實現材料與基板之間的冶金結合。激光熔覆已經廣泛應用于醫療設備、冶金制造、航空航天等領域[1-3]。激光熔覆成形試件是以單道單層熔覆層為基礎進行不斷累加最終制造成一種規則的試件，也就是說，單道單層熔覆層是組成激光熔覆成形件的基本單元。因此，在進行激光熔覆之前，選擇合適的工藝參數對最終成形件的質量具有重要影響。同時，熔池內部溫度也影響激光熔覆最終的成形質量[4-5]。準確地揭示工藝參數與熔覆層尺寸精度和熔池溫度之間的關系，可為熔池溫度反饋控制以及成形工藝參數的選取提供理論依據。

基于此，本文搭建激光熔覆測溫系統，分別設計和開展了單道單層熔覆成形試驗。利用雙色紅外測溫儀測量熔池溫度，并結合激光熔覆過程中對熔池溫度控制實施的難易程度，選擇合適的工藝參數作為熔池溫度控制系統的主要變量，為熔池溫度閉環反饋控制系統變量的選取提供理論依據。同時，分析工藝參數對熔覆層形貌影響的規律及主次因素，為激光熔覆過程工藝參數的選取提供參考。

1 激光熔覆成形試驗條件

圖1為激光熔覆測溫系統，主要設備包括YLR-1000型光纖激光器、VMC1100P型機床主體、RC-CAM型快速成型軟件以及數控系統構建的激光熔覆成形系統。其中，激光器的功率輸出為0～1 000 W，送粉方式為同軸四路光內送粉;熔池溫度測量采用STRONG-GR-4020型雙色紅外測溫儀，量程為400～2 200 ℃;選擇熔池溫度輸出方式為RS485輸出，利用485轉換器將溫度信息傳送至工控機中;試驗用基體材料為200 mm×200 mm×10 mm的45鋼板基板，試驗粉末采用304鐵基自融性合金粉末。

2 工藝參數對熔池溫度的影響

熔池溫度是影響熔覆最終成形質量的主要因素之一，因此，有必要了解加工過程中參數對熔池溫度的影響。

2.1 激光功率對熔池溫度的影響

設定單道單層熔覆長度為50 mm，激光功率（P）分別取550、750、950 W，掃描速度為480 mm/min，送粉速率為13 g/min。熔池溫度曲線變化如圖2所示。

從圖2可知，熔池的溫度隨激光功率的增大而增大。具體來說，激光功率由500 W逐漸增加至950 W時，熔池溫度的最大值由1 410 ℃逐漸增加至1 543 ℃;最小值由1 285 ℃逐漸增加至1 377 ℃;平均值由1 379 ℃逐漸增加至1 515.18 ℃，呈現出較好的單調遞增現象。這主要是因為熔池溫度與激光能量呈正相關變化，在熔覆過程中，輸入熔池的激光能量越大，熔池的溫度會越高?；诟鱾€采樣點熔池的溫度，采用比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）算法，改變激光功率，進而控制熔池溫度具有一定的可行性，因此，可以將激光功率作為激光熔覆過程中控制熔池溫度的主要變量。

2.2 掃描速度對熔池溫度的影響

設定單道單層熔覆長度為50 mm，掃描速度（F）分別取380、480、580 mm/min，激光功率為750 W，送粉速率為13 g/min。熔池溫度曲線變化如圖3所示。

從圖3可知，熔池溫度隨著掃描速度的增加隨之降低。這主要是因為掃描速度增加后，在相同時間內進入熔池的能量相應減少，熔池的溫度隨之降低，最終可能因為掃描速度過大，導致熔覆層無法形成。在實際成形試驗過程中，可以考慮在熔覆路徑末端與拐點處通過掃描速度變速來補償熔池單位時間能量的輸入，但這增加了熔池溫度控制難度。因此，不能將掃描速度作為控制激光熔覆熔池溫度的主要變量。

2.3 送粉速率對熔池溫度的影響

設定單道單層熔覆長度為50 mm，送粉送率分別取5、9、13 g/min，激光功率為750 W，掃描速度為480 mm/min。熔池溫度變化如圖4所示。

從圖4可知，熔池溫度隨著送粉速率的增加隨之降低。通過大量試驗發現，熔覆材料粉末在進入熔池時會吸收激光的大部分能量，熔池的溫度隨之降低;同時，在輸出控制信號傳達到送粉器后，需要經過一定時間才能有粉末噴出。因此，不能將送粉速率作為控制激光熔覆熔池溫度的主要變量。

通過試驗分析各個參數對熔池溫度的影響，并結合在激光熔覆過程中對熔池溫度控制實施的難易程度，選擇激光功率作為控制激光熔覆過程中熔池溫度的主要變量?？刂葡到y根據實時測量得到的熔池溫度調節激光功率，確保熔池溫度的穩定性，獲得成形質量較好的成形件，達到控形的目的。

3 工藝參數對形貌尺寸的影響

為了使熔覆成形后的熔覆寬度以及高度更加一致，保證成形狀態良好，需要研究工藝參數對形貌尺寸的影響。

3.1 激光功率對熔覆層形貌尺寸的影響

設計激光功率對熔覆層形貌尺寸影響的分析實驗，采用游標卡尺對熔覆層高度和寬度進行測量，并統計、記錄結果。參數及試驗測量結果如表1所示。同時，利用Origin軟件繪制影響關系圖，結果如圖5所示。

從表1和圖5（a）可知，單道單層熔覆層高度與激光功率呈正相關，且增加速率逐漸減小。這主要是因為隨著激光功率的增加，激光輸入能量變大，粉末利用率變大，導致高度增大，但送粉量是一定的，當激光功率增加到一定值時，受送粉量定值的影響，熔池內粉末的利用率接近飽和狀態，導致增加速率變小。

從表1和圖5（b）可知，單道單層熔覆層寬度與激光功率呈正相關。這主要是因為激光輸入的能量變大，造成熔池尺寸變大，寬度變大。從圖中還可以發現，當激光功率大于900 W時，寬度增加速率變大，這主要是因為激光輸入能量增加到一定值時，熔池存在的時間變長，寬度增加量也隨之變大。

3.2 掃描速度對熔覆層形貌尺寸的影響

設計掃描速度對熔覆層的形貌尺寸影響的分析試驗，采用游標卡尺對熔覆層高度和寬度進行測量，并統計、記錄結果。參數及試驗測量結果如表2所示。同時，利用Origin軟件繪制其影響關系圖，如圖6所示。

從表2和圖6（a）可知，單道單層熔覆層高度隨著掃描速度的增大而減小。主要原因是：在此情況下，激光與熔覆材料之間的接觸時間變短，激光快速走到下一個作用點，同時進入熔池的粉末量減少，導致熔覆層高度減小。

從表2和圖6（b）可知，單道單層熔覆層寬度隨著掃描速度的增大而減小。主要原因是：隨著掃描速度增加，激光能量在基板上存在的時間縮短，造成熔池存在的時間變短，從而導致熔覆層寬度減小。

3.3 送粉速率對熔覆層形貌尺寸的影響

設計送粉速率對熔覆層的形貌尺寸影響的分析試驗，采用游標卡尺對熔覆層高度和寬度進行測量，并統計、記錄結果。參數及試驗測量結果如表3所示。同時，利用Origin軟件繪制其影響關系圖，如圖7所示。

從表3和圖7（a）（b）可知，單道單層熔覆層高度和寬度均隨送粉速率的增大而增大。主要原因是：在單位時間內，送粉量增大，進入熔池內的粉末增多，造成粉末累積，導致高度與寬度均增加。但是，隨著送粉量不斷增大，熔池會達到一種飽和狀態，最終使熔覆層寬度增加的速率逐漸減小。

3.4 工藝參數對熔覆層形貌尺寸的綜合影響

在實際熔覆中，各參數均對結果有所影響，因此，利用正交試驗尋找其影響關系，對熔覆層高度和寬度進行測量、統計。試驗參數及試驗測量結果如表4所示，其影響關系如圖8所示。

從表4和圖8（a）可知，在高度方面，影響關系大小依次為：送粉速率、掃描速度、激光功率。從表4和圖8（b）可知，在寬度方面，影響關系大小依次為：激光功率、掃描速度、送粉速率。

4 結論

①在熔池溫度上，激光功率增大，熔池溫度升高，掃描速度和送粉速率增大，熔池溫度降低。從控制熔池溫度的角度出發，結合對熔池溫度控制過程中實施的難易程度，可選擇激光功率作為激光熔覆熔池溫度控制的主要控制變量。

②在熔覆層形貌上，激光功率和送粉速度增大，熔覆層的高度和寬度分別升高;掃描速度增大，熔覆層的高度和寬度分別降低。同時，在熔覆層高度上，影響關系大小依次為：送粉速率、掃描速度、激光功率;在熔覆層寬度上，影響關系大小依次為：激光功率、掃描速度、送粉速率。

參考文獻：

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