光內(nèi)同軸送粉激光熔覆堆積扭曲薄壁件工藝參數(shù)的控制

傅戈雁，劉 宇，石世宏，王 晨

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021）

光內(nèi)同軸送粉激光熔覆堆積扭曲薄壁件工藝參數(shù)的控制

傅戈雁，劉 宇，石世宏，王 晨

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021）

基于光內(nèi)同軸送粉激光熔覆成形技術(shù)，在45鋼基體上進(jìn)行扭曲薄壁件的堆積。對(duì)扭曲薄壁件的傾斜角度、掃描路徑、Z軸增量、熔池溫度進(jìn)行控制，分析各自的影響因素。通過斜壁堆積模型和傾斜度試驗(yàn)，得到了熔覆堆積的極限傾斜角。針對(duì)扭曲薄壁件的成形過程，設(shè)計(jì)了光頭層間不停光連續(xù)掃描和光頭層間停光間斷掃描等2種掃描路徑，并確定光頭層間停光間斷掃描為合適的掃描路徑。通過對(duì)Z軸增量和熔池溫度的控制，得到了外觀光滑、表面粗糙度值低、壁厚均勻、成形質(zhì)量較高的成形件。

激光快速成形；光內(nèi)同軸送粉；扭曲薄壁件；工藝參數(shù)控制

扭曲薄壁件是一種具有顯著的薄壁結(jié)構(gòu)特征、較大的高寬比、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的零件，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。激光熔覆成形采用分層制造技術(shù)[1-2]，在加工過程中可通過調(diào)節(jié)激光功率、Z軸增量、掃描速率等工藝參數(shù)來改變?nèi)鄣赖母邔挶?，從而滿足不同零件的成形要求，非常適用于大高寬比零件的制造成形。此外，采用激光熔覆成形技術(shù)制造薄壁旋轉(zhuǎn)類零件，具有材料利用率高、成形速率快的優(yōu)點(diǎn)。

目前，針對(duì)激光熔覆成形薄壁零件的研究主要集中在光外送粉方面，本文則采用光內(nèi)同軸送粉方式[3]，討論了傾斜角對(duì)成形過程的影響，并對(duì)扭曲薄壁件堆積過程中的掃描路徑、Z軸增量、熔池溫度等的控制和影響進(jìn)行了研究和探索，最終堆積出質(zhì)量

較好的成形件。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用GS-TFL-10 kW高功率橫流CO2激光器，熔覆材料選用-140～+325目（45～109 μm）的Fe313合金粉，基體材料為45鋼，保護(hù)氣體為氮?dú)狻?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

利用中空環(huán)形激光進(jìn)行三維堆積試驗(yàn)。圖1是光內(nèi)送粉激光熔覆的原理示意圖，圓柱形光路經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換成中空的圓環(huán)形光束，粉管豎直放置于中空部位，使合金粉末正向垂直輸送到激光光斑中。該方案充分實(shí)現(xiàn)了粉、氣、光真正意義上的同軸，消除了光外送料出現(xiàn)的方向性問題。

圖1 光內(nèi)送粉激光熔覆的原理示意圖

薄壁的設(shè)計(jì)尺寸為：寬度2 mm，高度60 mm，水平截面內(nèi)長(zhǎng)度60 mm，頂層與底層的旋轉(zhuǎn)角θ= 40°（圖2）。

圖2 薄壁設(shè)計(jì)尺寸圖

2 成形件工藝參數(shù)的控制

2.1 零件傾斜角度的控制

激光熔覆成形是一種無支撐的立體成形方式，在堆積具有傾斜幾何特征的工件時(shí)，對(duì)零件的傾斜角度有一定的限制，堆積大斜度的零件往往會(huì)產(chǎn)生坍塌而導(dǎo)致成形失敗。

通過理論分析和大量試驗(yàn)，找到了激光熔覆工藝參數(shù)與傾斜角度之間的關(guān)系：傾斜角度α與偏移量△、掃描速度成正比，與送粉速率成反比；層間偏移率與層寬W和層高H有關(guān)，應(yīng)盡量小于6%。圖3是斜壁堆積模型，通過斜壁堆積實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型的正確性[4]。由圖3可知：

式中：△為層間偏移量；H為單道熔覆層高度。

圖3 斜壁堆積模型圖

在扭曲薄壁件成形過程中，每一層單道熔覆后，轉(zhuǎn)盤需旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，根據(jù)初始設(shè)置參數(shù)可計(jì)算出其理論旋轉(zhuǎn)角度β=θ/n=0.2°。因此，扭曲薄壁件兩端會(huì)具有傾斜的幾何特征，所以要驗(yàn)證此傾斜度是否超出所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)的極限傾斜度。

由表1可知，在激光功率2500 W、掃描速度4 mm/s、送粉速率10.2 g/min、熔覆層寬度2.02 mm、熔覆層高度0.43 mm時(shí)，熔覆層堆積層間的極限傾斜度為15.594°～18.036°。當(dāng)層間傾斜度大于18.036°時(shí)，熔覆層將產(chǎn)生塌陷。

表1 不同傾斜度單道堆積結(jié)果

扭曲薄壁件激光熔覆成形過程中的層間最大傾斜度為薄壁端部的傾斜度。根據(jù)前文的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，相鄰兩熔覆層間轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角度很小，則層間理論偏移量的近似值為：

式中：L為水平截面內(nèi)的扭曲薄壁長(zhǎng)度，L=60 mm。經(jīng)計(jì)算可得：△?0.105 mm。

則根據(jù)式（1）可得層間理論傾斜度為：α=arctan(△/H)=13.723°。查表1可知，該傾斜度小于采用本激光熔覆工藝參數(shù)的極限傾斜度，滿足激光熔覆成形

的要求，成形件不會(huì)產(chǎn)生塌陷。

2.2 掃描路徑的選擇

根據(jù)成形零件設(shè)計(jì)了如圖4a所示的掃描路徑，激光光頭在每層之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。采用該掃描路徑進(jìn)行激光熔覆成形時(shí)，由于層間不停光、不停粉，光頭連續(xù)運(yùn)動(dòng)，一方面導(dǎo)致了熔覆層端部受激光束加載作用的時(shí)間較長(zhǎng)，熔池溫度較高，且高溫區(qū)域面積較大；另一方面，送粉時(shí)間較長(zhǎng)，送入熔池端部的粉末增多。因此，最終導(dǎo)致了熔池吸收熔化較多的粉末，使熔道的端部明顯高于且寬于熔道的中部。隨著熔覆層數(shù)的增加，尺寸偏差越來越明顯，最終導(dǎo)致熔覆成形的失敗。

針對(duì)上述激光光頭在層間不停光連續(xù)掃描的不足，設(shè)計(jì)了如圖4b所示的光頭層間停光間斷掃描的方式。其具體過程為：當(dāng)光頭掃描完一層后，關(guān)閉激光，光頭繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)一段距離，避免熔池溫度過高及粉末噴灑到尚未冷卻的熔覆層上，設(shè)置前進(jìn)距離為10 mm；然后，光頭沿高度方向向上抬升一個(gè)層高，接著往反方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到前一熔覆層的端點(diǎn)位置（即反向運(yùn)動(dòng)10 mm）時(shí)，打開激光，進(jìn)行第二層的熔覆成形；以此類推，從而實(shí)現(xiàn)熔覆層之間的疊加。

圖4 掃描路徑

采用第2種掃描路徑對(duì)成形過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。第30層熔池在端部的最高溫度比在中部時(shí)高500℃左右，這是由于熔池在端部時(shí)處于尖端位置，散熱較差，使熔池溫度升高。但由于采用了間隙式的熔覆路徑和功率的逐層降低，不同層熔池在端部時(shí)的溫度場(chǎng)最高溫度始終控制在2000～2400℃，有效防止了端部熔道可能因溫度過高而產(chǎn)生的塌陷和突起。

2.3 層高的控制

熔覆過程中，激光光頭每一層的提升量ΔZ由單道熔覆層的寬度和高度決定，其理論值為[5]：

式中：H為單道熔覆層高度；W為單道熔覆層寬度。將工藝參數(shù)代入式（4），可得激光光頭在每一層沿Z軸的提升量ΔZ=0.297 mm，故將ΔZ的理論值設(shè)置為0.3 mm。在零件成形過程中，系統(tǒng)誤差和實(shí)際工藝會(huì)造成離焦量發(fā)生變化，導(dǎo)致ΔZ偏離理論值，所以需對(duì)零件的層高進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。采用CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光噴頭與成形零件[6]，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)程序中的ΔZ進(jìn)行相應(yīng)的修改，其修改值見圖5?？煽闯?，在扭曲薄壁件的熔覆成形前期，即前20層熔覆過程中，這一數(shù)值明顯小于實(shí)際熔覆層的層高增加量。其原因是前期熔池的溫度在增加，熔池的高溫區(qū)域在擴(kuò)大，所以有較多的粉末被吸附熔化，導(dǎo)致熔覆層高度增大。所以在熔覆成形的前期需修改程序中的ΔZ，由CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將其值增加到0.5 mm。之后，隨著層數(shù)的增加，激光功率逐漸降低且趨于穩(wěn)定，熔池的溫度及其高溫區(qū)域基本保持恒定，因此，每一層熔覆層的層高增加量基本維持穩(wěn)定。在熔覆成形了20層以后，ΔZ的設(shè)置值基本沒有太大的變化，在0.3 mm上下浮動(dòng)0.1 mm。該狀態(tài)一直維持到扭曲薄壁件熔覆成形結(jié)束。

圖5 ΔZ隨層數(shù)的變化圖

2.4 熔池溫度的控制

在進(jìn)行高層零件的激光熔覆成形時(shí)，隨著成形高度的增加，需通過降低激光功率值來保持熔池溫度的穩(wěn)定，防止熔池溫度過高而導(dǎo)致成形失敗。但功率的改變只是在熔覆成形的前半部分，一般熔覆成形十幾層后，熔池吸熱和散熱可保持平衡，熔池溫度基本保持穩(wěn)定，激光功率則不再需要改變[6]。

在扭曲薄壁件的成形過程中，需要不斷地降低激光器的功率輸出值，從而保證熔池溫度的基本穩(wěn)定。通過ANSYS軟件模擬成形過程，得到了每層熔池中心的平均溫度值，其數(shù)值是由每一層中3個(gè)位置提取的熔池中心溫度值計(jì)算得到（圖6）。根據(jù)每層熔池中心的平均溫度，采用條件判斷語句，對(duì)激光功率的輸入值進(jìn)行控制，得到每層激光功率的數(shù)值（圖7）。當(dāng)熔覆到某一層時(shí)，將功率大小調(diào)節(jié)到圖7所示的數(shù)值。50層以后，熔池溫度基本穩(wěn)定，激光功率值不再需要進(jìn)行改變，其數(shù)值基本維持在850 W左右，直至熔覆成形結(jié)束。

3 成形件表面粗糙度分析

圖6 每層熔池中心平均溫度值

圖7 每層激光功率值

在激光熔覆三維成形中，表面粗糙度是衡量成形件質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)通過對(duì)扭曲薄壁件工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，最終得到的成形零件見圖8，其形狀和尺寸與試驗(yàn)前設(shè)計(jì)的數(shù)值基本相符。同時(shí)，利用雙管顯微鏡測(cè)得扭曲薄壁件外表面粗糙度值Ra為6.3 μm，成形件表面精度較高。

圖8 扭曲薄壁成形件

激光熔覆成形高層零件時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)零件上下厚度不均勻的問題。對(duì)本試驗(yàn)成形的扭曲薄壁件沿高度方向由下而上，每隔5 mm測(cè)量一次壁厚，得到扭曲薄壁件在不同測(cè)試點(diǎn)的厚度變化情況 （圖9），其厚度基本保持在2 mm左右。在成形件的底部，薄壁厚度大于設(shè)計(jì)的初始值2.02 mm，是因?yàn)樵谇皫讓拥娜鄹渤尚芜^程中，激光功率較大，熔池溫度較高，熔池范圍較大，吸收熔化的粉末較多，從而導(dǎo)致熔道寬度較大，所以薄壁的厚度會(huì)大于2.02 mm。

圖9 扭曲薄壁件厚度沿高度方向的變化情況

隨著熔覆層數(shù)的增加，一方面激光功率持續(xù)減小，熔池溫度逐漸降低到適當(dāng)數(shù)值，并保持穩(wěn)定；另一方面，熔覆支撐面并非平面，而是近圓弧面，隨著熔覆層數(shù)的增加，支撐面會(huì)越來越小，熔池大小也會(huì)有緩慢的減小趨勢(shì)，導(dǎo)致成形件上部的厚度小于2.02 mm。但由于采用了降功率控制溫度的工藝方法，顯著減小了熔池大小的變化，使扭曲薄壁件的厚度基本保持在2 mm左右，達(dá)到了成形的要求。

4 結(jié)論

在扭曲薄壁件的堆積過程中，通過斜壁堆積模型和傾斜度試驗(yàn)，計(jì)算出熔覆層堆積層間的極限傾斜度為15.594°～18.036°。在扭曲薄壁件的堆積過程中，采用光頭層間停光間斷掃描路徑，避免了熔覆層端部的熱量累加效應(yīng)、熔池溫度過高及粉末噴灑到尚未冷卻的熔覆層上。通過CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了層高控制的準(zhǔn)確，并通過ANSYS軟件對(duì)成形過程進(jìn)行模擬，指導(dǎo)成形過程中的溫度控制，使成形過程更精確。試驗(yàn)得到的成形件表面光滑，無明顯粉末黏附，表面粗糙度值較低（Ra6.3 μm）。扭曲薄壁件的厚度保持在2 mm左右，達(dá)到了成形要求。

[1] 李鵬.基于激光熔覆的三維金屬零件激光直接制造技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2] 蔡偉，傅戈雁，石世宏，等.基于離焦技術(shù)的光內(nèi)送粉堆積變徑體壁厚控制研究 [J].中國(guó)激光，2012，39（7）：0703003.

[3] 邵其文.基于光內(nèi)送粉的激光熔覆快速成形技術(shù)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

[4] 李洪遠(yuǎn)，石世宏，傅戈雁，等.光內(nèi)送粉激光熔覆堆積變徑回轉(zhuǎn)體工藝參數(shù)的控制 [J].中國(guó)激光，2011，38（8）：0803012.

[5] 朱剛賢，張安峰，李滌塵，等.激光金屬制造薄壁零件Z軸單層行程模型[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（8）：57-60.

[6] 崔洪武.基于光內(nèi)同軸送粉光粉耦合及高層成形技術(shù)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.

Control of Process Parameters for Accumulate Screwy Thin-walled Part by Laser Cladding with Coaxial Inside-beam Powder Feeding

Based on the technology of laser cladding manufacturing process with coaxial insidebeam powder feeding，a screwy thin-walled part is accumulated on the substrate of 45#steel.Under controlling the angle of inclination，scanning paths，Z axis incremental and the temperature of molten bath，their influences are analysed.Through the inclined wall accumulation model and tests of inclination，limiting angle of the cladding accumulation is obtained.According to the forming process of screwy thin-walled part，two scanning paths are designed，which include continuous laser scanning between each layer and intermittent laser scanning between each layer，the better scanning path is gained by analyzing each path.A good forming part is obtained by controlling Z axis incremental and power.The forming part is higher with smooth appearance，lower roughness，and wall thickness is uniformed.

laser rapid forming；coaxial inside-beam powder feeding；screwy thin-walled part；control of process parameters

TG66

A

1009－279X（2014）02－0043-04

Fu Geyan，Liu Yu，Shi Shihong，Wang Chen
（Soochow University，Suzhou 215021，China）

2013-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （50975187，11172191）；江蘇省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（BE2012068）

傅戈雁，女，1959年生，教授。