基于分層變掃描路徑法修復薄壁缺口缺陷

賀超， 邱長軍

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

激光金屬直接成形技術是近幾年發展起來的一種先進的制造技術，它不同于一般的表面滲碳、熱噴涂等傳統的表面強化技術，在處理過程中能大幅改變基體的表面成分，從而得到一種組織和性能完全不同于基體的表面強化層[1]。利用該技術，一方面可對表面受損的零部件進行修復[2]，另一方面還可使材料或零部件直接成形[3]。J.del Val等[4]發現半導體激光發射裝置在側軸輸送粉末的狀態下，加工過程的參數（比如激光的功率與送粉噴嘴的運動速率的值）都對單軌道層的水平高度值和豎直寬度值存在一定的影響，同時其研究發現激光的功率和送粉噴嘴運動速率分別對單軌道的水平寬度值和豎直高度值有非常明顯的相互作用。El.Cheikh等[5]在同向輸送粉末的加工狀態下采用不同的激光能量密度、激光頭運動速率、輸送粉末速度來進行激光直接制造單軌道試驗，利用多元線性擬合的數學方法對單軌道輪廓和激光能量密度、激光頭運動速率、送粉速度之間的耦合作用進行分析，結果表明，單軌道輪廓形狀可以通過耦合作用預測。楊友文等[6]采取神經網絡系統與遺傳算法相結合的方法，建立熔融狀態下金屬的外輪廓形狀與激光能量密度、激光頭運動速度與和送粉量之間的數學模型與關系網絡。Li Xiangbo等[7]發現基材傾斜的角度對單軌道成形形狀具有一定程度的影響，通過建造單軌道幾何形狀與基材傾斜角度的數學關系式來預測軌道的幾何形狀。Gao Jian等[8]通過基于B樣條基函數極值參數化的曲面擴展算法在扭曲葉片表面成形磨損尖端。Kannan等[9]建立了激光成形件的幾何特征和加工參數的數學模型。李東升等[10]通過隨形分層分段變速的方法，在異形基面上激光熔覆成形平頂薄壁結構。然而，由于軌跡控制、激光成形技術等難點阻礙，目前對于激光直接制造的研究是以基面水平為前提進行的，基于不平整的薄壁軌道的激光直接成形方面的研究非常少。

本文采用控制變量的方法進行單道沉積層成形實驗，采用光學影像儀測量軌道的寬度值與高度值，利用線性回歸的數學方法得到加工參數與軌道外輪廓幾何參數的數學表達式，該數學表達式的建立可以有效預測單軌道的外輪廓，同時還可以為加工參數的選擇提供理論依據，采用水平等高分層、分層變掃描長度的方法在薄壁軌道的缺口成形上表面平整的成形件，成功修復帶有缺口的不同厚度薄壁軌道，該研究將極大地擴展激光直接制造技術在金屬件修復領域的應用范圍。

1 實驗條件與方法

1.1 實驗條件

激光熔覆成形系統包括同軸送粉熔覆噴頭、光纖激光器、送粉器、五軸聯動數控機床，保護氣和載氣均采用氮氣。激光從激光器發出，先通過準直鏡整形為平行光束，然后通過聚焦鏡聚焦成高能密度光束，最后到達激光熔覆噴頭。氮氣一部分作為載氣進入送粉器，另一部分作為保護氣進入熔覆噴頭，金屬粉末在送粉器的作用下由熔覆噴頭送至熔池，通過熔覆噴頭的掃描運動，在基體表面逐層堆積，最終成形為三維實體零件[11]。

實驗所用基板為Q235，成形材料為304合金粉末，其粒度為48～106 μm，化學成分（質量分數）為：0.13%～0.14%的C，1%～1.1%的Si，19%～19.1%的Cr，0.59%～0.61%的B，18.6%～18.7%的Ni，0.96%～0.97%的Mn，0.049%～0.051%的O，0.0029%～0.0031%的S，0.0089%～0.0091%的P，其余全為Fe。在成形實驗開始之前，粉末預先干燥以增強流動性，基板首先用砂紙打磨，然后用乙醇丙酮清洗，目的是去除表面油脂和污漬。

1.2 實驗方法

本文采用水平分層的方法，原理如圖1所示。將需要修補的異形基體豎直方向水平等高分層，根據薄壁凹槽幾何形狀確定增材層的形狀，確定每一高度沉積層的掃描長度和掃描道數。利用掃描長度對熔覆層長度的影響，在不同高度位置調整掃描長度以獲得不同的熔覆長度，通過多層堆積最終成形匹配薄壁凹槽幾何形狀的增材層，實現薄壁缺口缺陷的修復。

圖1 水平分層示意圖

2 成形過程

2.1 激光功率對熔覆寬度和高度的影響

選取離焦量為5 mm、激光頭運動速率為500 mm/min、送粉量為5.3 g/min的加工參數進行單軌道熔覆試驗，試驗結果如圖2、圖3所示。從圖2可知：在激光功率增大的過程中，單軌道的寬度值和高度值都表現近似線性增加的變化趨向，但是寬度增加的速率明顯超過高度。出現該現象的原因是：當激光功率持續增加的時候，熔池內部的能量密度增加，熔池的體積增大，與此同時，金屬粉末在單位時間里收獲的熱量增多，熔化的粉末量提高，致使單軌道熔覆層的寬度值與高度值增加，而軌道的高度首要取決于激光頭運動速率和送粉量，在成形的過程中，這2個參數屬于固定值，所以高度增加的速度低于寬度值。

圖2 功率對軌道寬度和高度的影響

圖3 不同激光功率的軌道

單軌道的熔覆寬度與激光功率在一定范圍內近似表現線性關系，設函數表達式為

式中：W為熔覆層寬度；a與b為待定系數；P為激光功率。

取離焦量f=5 mm，掃描速度v=500 mm /min，送粉速度MP=5.3 g/min，獲得不同激光功率下單軌道熔覆層的寬度值，隨后用線性回歸的方式處理單軌道的寬度數據，獲得W關于P的函數表達式為

2.2 掃描速度對熔覆寬度和高度的影響

選取離焦量為5 mm、功率為130 W、送粉量為5.3 g/min的加工參數，開展單軌道熔覆試驗，試驗的結果如圖4、圖5所示。從圖4可知：在激光頭運動速率由300 mm/min提高到400 mm/min的過程中，單軌道寬度值不斷下降；當激光頭運動速率超過400 mm/min之后，單軌道的寬度值基本穩定在0.317 mm。產生該現象的原因為：激光頭運動速率較小時，能量密度大，同時單位時間里熔池積累的粉末量多，導致單軌道被寬化；在激光頭運動速率繼續降低的過程中，熔池收獲的粉末量和能量都變小，致使軌道寬度值降低，但是單軌道的熔覆寬度首先取決于激光功率，因此單軌道的寬度最終會處于穩定狀態。從圖5可以看出：軌道的高度值在激光頭運動速率增大的時候表現出下降的特征，產生該現象的原因：在提高激光頭運動速率的過程中，激光的能量密度會隨之減小，導致被熔池熔化的金屬粉末的數量減少，與此同時，單位時間里，熔池獲得的金屬粉末量減少，所以單軌道豎直方向的高度值處于持續降低的狀態。綜上所述，激光頭運動速率對于單軌道的寬度影響較小，但是該參數對軌道高度的影響比較大。

圖4 激光頭運動速度對軌道寬度和高度的影響

圖5 不同激光頭運動速率的軌道

因為單軌道高度與激光頭運動速率在一定范圍表現近似線性關系，所以設函數表達式為

選用離焦量為f=5 mm，激光功率為P=130 W，送粉速度為MP=5.3 g/min，獲得不同激光頭運動速率對應的單軌道豎直方向的高度值，隨后采用線性回歸的方式處理單軌道的高度數據，整理得到H關于v的函數表達式為

3 檢測與分析結果

3.1 基于薄壁凹槽的增材層堆積

以尺寸為30 mm×4 mm（長×寬）的不同厚度（0.5 mm、1.5 mm 和3 mm）的Q235薄壁板為例，為模擬薄壁零件常見的“掉塊”損傷，在薄壁板上設計了上底為14 mm、下底為10 mm、高為2 mm的梯形凹槽，如圖6（a）所示。在激光功率為130 W、離焦量為5 mm、激光頭運動速率為500 mm/min、送粉量為5.3 g/min、搭接50%的工藝參數下，采用水平等高分層、分層變掃描長度的方法進行修復，修復材料為304不銹鋼粉末。在此工藝參數下，單道熔覆的寬度為0.33 mm，高度為0.2 mm。不同厚度（0.5 mm、1.5 mm 和3 mm）的薄板掃描道數分別為2道、8道和17道，掃描層數均為10層，且每提高一層掃描長度增加0.4 mm，當增加到第10層時，掃描長度增加到14 mm，與薄壁板梯形凹槽的上底重合，完成薄壁板的損傷的修復，如圖6（b）所示，不同厚度薄壁均與增材層形成了良好的冶金結合。

圖6 薄壁零件

3.2 尺寸誤差分析

采用光學影像儀測得薄壁凹槽處增材層的長度、寬度和高度隨沉積高度的變化。對于0.5 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.032 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.074 mm，高度的最大尺寸誤差為0.097 mm；對于1.5 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.019 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.046 mm，高度的最大尺寸誤差為0.073 mm；對于3 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.098 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.015 mm，高度的最大尺寸誤差為0.022 mm。

3.3 顯微硬度分析

采用顯微硬度計分別測得不同厚度薄壁增材層的硬度，硬度均保持在276～317 HV，為薄壁基板硬度的2.12～2.44倍。

3.4 顯微組織分析

選擇尺寸精度最高3 mm厚度薄壁增材層取樣，經鑲樣、打磨、拋光、腐蝕后，采用掃描電鏡觀察顯微組織，如圖7所示。從整體上可以看出，在不同成形區域，晶粒大小略有不同，但整體差別較小，故能夠保證組織、性能具有較好的一致性。各部分組織致密均勻，無明顯裂紋、氣孔等缺陷。

圖7 顯微組織金相圖

4 結語

通過同步送粉激光金屬直接成形技術，在缺口薄壁成形金屬增材層。采用線性回歸的方法得到激光功率關于熔覆層寬度的函數表達式及掃描速度關于熔覆層高度的函數表達式，采用分層變掃描路徑的方法成功堆積成形修復區域。根據結果和分析，可以得出以下結論：1）薄壁凹槽修復層的最大長度尺寸誤差為0.019 mm，最大寬度尺寸誤差為0.015 mm，最大高度尺寸誤差為0.022 mm；2）增材層硬度均保持在276～317 HV，為薄壁基板硬度的2.12～2.44倍；3）增材層顯微組織致密均勻、無氣孔和裂紋，沉積層與薄壁缺口缺陷形成較好的冶金結合。