影響金屬零件激光快速成型質(zhì)量的因素分析

陳光霞

CHEN Guang-xia

（江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)系，武漢 430056）

0 引言

激光快速成型技術(shù)綜合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、數(shù)控技術(shù)、激光熔覆技術(shù)和材料科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)，可以直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為實(shí)體零件，從而可以對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、方案修改及功能試驗(yàn)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，具有較大的生產(chǎn)柔性[1～4]。激光快速成型技術(shù)可以直接從三維CAD文件制造出復(fù)雜的近凈形致密金屬零件，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了加工效率[5]。研究表明，激光快速成型技術(shù)在特種材料制造與復(fù)雜形狀制造上也具有巨大的市場競爭力。

目前的激光快速成型技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)研究階段，激光快速成型技術(shù)的推廣應(yīng)用主要受兩方面的制約：1）加工效率，2）加工質(zhì)量。目前的研究主要集中在激光快速成型方法上， 而本文主要分析了光斑直徑、切片層厚、填充模式、激光能量密度、掃描速度、搭接率和被加工面的傾斜角度等諸多因素對(duì)金屬零件成型質(zhì)量的影響，進(jìn)而提出了一些解決辦法。

1 影響零件尺寸精度的因素分析

1.1 光斑直徑對(duì)成型零件尺寸精度的影響

在其它參數(shù)一定的條件下，激光光斑直徑對(duì)尺寸精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，激光光斑直徑越大，則尺寸誤差越大，反之則誤差越小。由于激光快速成型技術(shù)是一種“增量”制造即由線集合成面，由面集合成體。因此，一個(gè)金屬零件是由一個(gè)個(gè)的熔覆道（線）疊加而成。成型零件的尺寸精度取決于零件的輪廓加工精度。如果光斑是一個(gè)點(diǎn)，則加工的實(shí)際輪廓和理論輪廓重合，但由于激光光斑具有一定的大小，因此，如果直接按照理論輪廓進(jìn)行加工時(shí)，則外環(huán)輪廓和內(nèi)環(huán)輪廓尺寸會(huì)比理論輪廓大或者小一個(gè)光斑半徑，如圖1所示，

圖1 光斑直徑對(duì)尺寸精度的影響示意圖

其中實(shí)際加工輪廓用虛線表示，理論輪廓用粗實(shí)線表示。

為了避免由于光斑大小所帶來的尺寸誤差，在進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)先對(duì)所有外環(huán)輪廓向內(nèi)偏移半個(gè)光斑直徑的距離，對(duì)所有的內(nèi)環(huán)輪廓向外偏移半個(gè)光斑直徑的距離，從而可以避免由于光斑大小帶來的尺寸誤差。但對(duì)于輪廓尖點(diǎn)處的尺寸誤差還是不可避免，如圖2所示，所以，光斑直徑越小，尖點(diǎn)處的尺寸誤差越小，但仍存在約d/2的誤差。另外光斑直徑的測量，要在金屬粉末供給量、激光功率和掃描速度一定的條件下，以單道熔覆的寬度為依據(jù)。

圖2 輪廓尖點(diǎn)處加工示意圖

1.2 搭接率對(duì)尺寸精度的影響

搭接率的大小直接影響成型件的輪廓精度。如圖3所示，當(dāng)采用光柵掃描填充時(shí)，如果光斑直徑一定，則搭接率越大，輪廓成型精度越高。

圖3 搭接率對(duì)輪廓精度的影響示意圖

為了避免由于采用光柵填充模式進(jìn)行成型時(shí)所產(chǎn)生的尺寸誤差，應(yīng)對(duì)外圍輪廓進(jìn)行單獨(dú)加工，即當(dāng)這一切片層用光柵填充模式加工完成后，再加工一次外圍輪廓。

1.3 成型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)尺寸精度的影響

激光快速成型的方式不同，影響尺寸精度的主要因素也不一樣。如利用直接激光制造DLF（Direct Laser Fabrication）方式進(jìn)行快速成型時(shí)，數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度是影響尺寸精度的主要因素；而利用選擇性激光熔化SLM（Selective Laser Melting）方式進(jìn)行快速成型時(shí)，影響尺寸精度的主要因素為振鏡的運(yùn)動(dòng)精度。

2 影響成型零件機(jī)械性能的因素分析

2.1 填充模式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響分析

目前，比較成熟的填充模式主要有光柵填充模式(Raster fill)與輪廓偏置填充模式(Offset fill)。光柵填充模式又可分為沿X軸方向、Y軸方向及隨機(jī)方向等多種填充形式。對(duì)各種填充方式成型后的拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的平均值如圖4所示。

圖4 各種填充模式抗拉強(qiáng)度值

從圖4可以看出，不同的填充模式對(duì)零件的抗拉強(qiáng)度影響不大。

2.2 影響顯微硬度的因素分析

在非加工硬化的情況下，金屬材料的硬度和平均晶粒大小的關(guān)系[6]可以表示為：

式中：Hs為金屬材料的硬度；

Hi，K分別為與硬度測量有關(guān)的適當(dāng)常數(shù)；d為平均晶粒直徑。

由公式（1）可以看出，晶粒直徑（晶粒大小）影響零件的顯微硬度，而晶粒大小又受激光功率和掃描速度的影響。圖5為掃描平面內(nèi)的顯微硬度的變化曲線，其中熔覆道上的測點(diǎn)硬度高，如2點(diǎn)，搭接區(qū)的測點(diǎn)硬度低，如5點(diǎn)。原因是在兩條熔覆道搭接處，由于激光能量密度低，且存在重熔現(xiàn)象，組織較粗大，而且這個(gè)部位也是缺陷的聚集處，因此硬度偏低，相反在每道熔覆道的中部，組織細(xì)小均勻，顯微硬度較高。掃描速度對(duì)晶粒大小的影響為掃描速度越快，晶粒越小。由于掃描速度快，金屬粉末熔化與冷卻的速度也相對(duì)快，從而導(dǎo)致成型件晶粒細(xì)小，其硬度越高。

圖中P為激光功率，V為掃描速度，O為搭接率，T為切片層厚。

圖5 光柵掃描填充金屬零件掃描平面(XOY)顯微硬度變化曲線

圖6為垂直于掃描平面（XOY）的顯微硬度曲線，也是呈波浪性變化，層與層之間也存在有重熔現(xiàn)象，組織晶粒粗大，顯微硬度相對(duì)較低，如3號(hào)測點(diǎn)。

圖6 光柵掃描填充金屬零件YOZ平面顯微硬度變化曲線

3 影響表面粗糙度的因素分析

3.1 切片層厚對(duì)表面粗糙度的影響

在其他參數(shù)相同的條件下，切片層厚（T）會(huì)對(duì)成型零件的表面精度產(chǎn)生影響，如表1所示。從表中可以看出，切片層厚值越大，表面粗糙度越大。

表1 不同切片層厚情況下表面粗糙度

表2 激光快速成型件表面粗糙度測試正交實(shí)驗(yàn)表（不銹鋼粉末Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C（wt.%））

3.2 激光加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

表2所示是采用正交實(shí)驗(yàn)方法測得的在不同的激光功率、掃描速度和搭接率的情況下，被加工面的表面粗糙度值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1）搭接率是影響表面粗糙度的主要因素，搭接率越大，表面粗糙度越大。

搭接率為30%時(shí)，表面粗糙度三次平均值為5.72μm，40%的三次平均值為6.43μm，50%的三次平均值為9.11μm。表面粗糙度隨著搭接率的增大而增大，這是因?yàn)閮傻廊鄹矊又厝鄄糠衷黾拥母叨热绻蛦蔚廊鄹矊拥母叨炔幌嗟?，必然?huì)影響表面粗糙度值，而搭接率越大，重熔區(qū)的高度越高于單道熔覆層的高度，表面粗糙度值越大。

2） 當(dāng)搭接率小于50%且恒定時(shí)，能量密度增加，表面粗糙度值減小，表面質(zhì)量提高。

當(dāng)光斑直徑一定時(shí)，激光能量密度取決于P/V的值，由表2結(jié)果可知：當(dāng)搭接率小于50%且一定時(shí)，P/V值越大，熔池內(nèi)金屬的流動(dòng)性越好，表面粗糙度值越小。

3）當(dāng)搭接率大于等于50%時(shí)，能量密度增加，表面粗糙度值增加。

當(dāng)搭接率大于等于50%時(shí)，P/V值越大，重熔影響越大，球化現(xiàn)象增加，如圖7所示，表面粗糙度增大。

圖7 50%搭接率時(shí)不同P/V值條件下的激光熔覆層形貌

3.3 被加工面傾斜角度對(duì)表面粗糙度的影響

被加工面的傾斜角度對(duì)表面粗糙度的影響如表3所示。角度越大，表面粗糙度值越小。

表3 不同傾斜角度情況下傾斜面表面粗糙度

其中的傾斜角度為被加工面與水平面的夾角。

4 結(jié)論

激光快速成型零件的質(zhì)量主要從三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：尺寸精度、機(jī)械性能以及表面粗糙度。本文通過實(shí)驗(yàn)分析等方法，得出了在激光快速成型過程中，影響零件這三個(gè)方面性能的主要因素。尺寸精度主要與光斑直徑、搭接率及設(shè)備精度有關(guān)；顯微硬度主要與掃描速度與激光功率有關(guān)，掃描速度大、激光功率大，硬度高，填充模式對(duì)零件的抗拉強(qiáng)度影響較?。欢绊懕砻娲植诙鹊囊蛩剌^多，搭接率在30%-50%時(shí)，表面粗糙度隨搭接率增加而減小，隨P/V的增大而減小，搭接率大于等于50%時(shí)，表面粗糙度隨P/V的增大而增大。在實(shí)際加工中，要提高零件成型質(zhì)量必須合理選擇激光工藝參數(shù)、切片層厚及搭接率。

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