z軸單層行程對(duì)激光熔覆成形的影響

王鑫林，鄧德偉，胡　恒，宋弘韜，張洪潮

(1.大連理工大學(xué) 可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造研究所，大連 116024；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024)

z軸單層行程對(duì)激光熔覆成形的影響

王鑫林1，鄧德偉2*，胡恒1，宋弘韜1，張洪潮1

(1.大連理工大學(xué) 可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造研究所，大連 116024；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024)

摘要：為了探究z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度的匹配對(duì)激光熔覆成形的影響，采用了在不同的z軸單層行程Δz的情況下進(jìn)行激光熔覆成形試驗(yàn)的方法，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了不同z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度以及離焦量的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，z軸單層行程Δz存在一個(gè)以第2層熔覆層高度為基準(zhǔn)的最佳的取值范圍，在此范圍內(nèi)，熔覆過程能夠通過自身存在的反饋調(diào)節(jié)達(dá)到z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度相等的穩(wěn)定成形狀態(tài)。該研究給出z軸單層行程Δz選取時(shí)的推薦值為0.5d2≤Δz≤0.6d2。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；激光熔覆成形；z軸單層行程；單層熔覆層高度；反饋調(diào)節(jié)

*通訊聯(lián)系人。E-mail：deng@dlut.edu.cn

引言

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，其原理是利用激光束將粉末和基體表層快速熔化、凝固后形成稀釋率低、與基體冶金結(jié)合的熔覆層[1-3]?？焖俪尚图夹g(shù)是一種新型的數(shù)字化成型技術(shù)，它能夠直接利用CAD模型、無需特定模具而在特定時(shí)間內(nèi)制造復(fù)雜形狀的立體模型或?qū)嶓w。其原理是先將3維模型進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓，再按照這些等厚度的2維平面輪廓沿某一坐標(biāo)方向疊加成3維零件[4-6]。激光熔覆成形技術(shù)是將快速成型原理與激光熔覆技術(shù)結(jié)合起來，形成的一種能夠制造致密金屬零件的快速成型技術(shù)。激光熔覆成形技術(shù)具有較高的材料利用率、較低的能量消耗率，能夠成形出任意復(fù)雜程度的致密原型和零部件等優(yōu)點(diǎn)，其在航空航天、汽車工業(yè)、模具設(shè)計(jì)與制造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[7-8]。

z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度的匹配是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量激光熔覆成形的關(guān)鍵因素。嚴(yán)格地說，Δz的數(shù)值必須與單層熔覆層高度保持一致，這樣才能確保各層工藝條件完全相同。但是在實(shí)際的熔覆成形過程中，激光功率和送粉量的波動(dòng)以及基體熱積累等因素將導(dǎo)致熔覆層單層高度的變化，這使得Δz與單層熔覆層高度產(chǎn)生偏差。這種偏差會(huì)在后續(xù)的熔覆堆積過程中產(chǎn)生積累，進(jìn)而對(duì)熔覆堆積高度的一致性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致熔覆堆積無法進(jìn)行。因此，工藝參量Δz的確定十分重要[9-10]。ZHU等人[11]提出并驗(yàn)證了z軸單層行程模型，指出z軸單層行程是單道熔覆層寬度與高度的函數(shù)。WANG等人[12]得到偏移量Δx與提升量Δz之間的關(guān)系曲線，并成形出圓弧截面傾斜薄壁件。WANG等人[13]還研究了變送粉量法激光多層熔覆成形對(duì)斜坡薄壁件幾何形狀精度的影響，并建立了變厚度切片成形幾何模型。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以往的研究或是通過不斷改變?chǔ)實(shí)現(xiàn)薄壁件的直接熔覆成形，或是通過改變多個(gè)工藝參量配合實(shí)現(xiàn)熔覆成形，未見深入研究同一Δz條件下連續(xù)多層激光熔覆過程中，單層熔覆層高度以及離焦量隨熔覆層數(shù)的變化規(guī)律。

如果通過Δz的實(shí)時(shí)變化使得其與單層熔覆層高度保持恒定，則需要對(duì)Δz進(jìn)行精確地控制。這對(duì)硬件的要求很高，不僅過程復(fù)雜，而且增加附加成本。本文中對(duì)z軸單層行程Δz進(jìn)行了細(xì)致、深入的研究，得到了不同Δz條件下，熔覆層數(shù)、單層熔覆層高度以及離焦量的變化曲線，指出z軸單層行程Δz存在一個(gè)以第2層熔覆層高度為基準(zhǔn)的最佳取值范圍。在此范圍內(nèi)，激光熔覆成形存在負(fù)反饋，即使采用不變的Δz也能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)整，達(dá)到z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度相等的穩(wěn)定狀態(tài)。

1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)裝置為激光熔覆成形系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括德國(guó)Laserline公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)DF 4000-100、最大輸出功率為4.4kW的半導(dǎo)體激光器；德國(guó)KUKA公司生產(chǎn)的型號(hào)為KUKA ZH 30/60Ⅲ、最大抓取重量為40kg的六軸機(jī)器人；德國(guó)Precitec公司生產(chǎn)的YC52同軸激光熔覆頭；鞍山煜辰科技有限公司生產(chǎn)的載氣式同軸送粉器。試驗(yàn)中使用的基體材料為304L不銹鋼；激光熔覆粉末為Fe2合金粉末，其化學(xué)成分見表1。載粉氣體和保護(hù)氣體皆為高純度Ar氣。

Table 1　Chemical composition of Fe2powder

2試驗(yàn)方法、結(jié)果與分析

試驗(yàn)參量如下：激光功率為1300W，焦點(diǎn)平面處光斑直徑為3mm，激光掃描速率為0.005m/s，送粉量為3.35g/min，載氣流量為360L/h。

2.1　離焦量對(duì)單層熔覆層高度的影響

在激光熔覆成形的過程中，離焦量的變化將引起激光光斑、進(jìn)入熔池粉末數(shù)量以及能量密度的變化,進(jìn)而引起熔覆層高度的變化[14]。本試驗(yàn)中研究離焦量與單層熔覆層高度的關(guān)系，為下一步研究z軸單層行程Δz對(duì)熔覆成形的影響做準(zhǔn)備。

2.1.1試驗(yàn)方法試驗(yàn)過程中保持其它的工藝參量不變，只改變進(jìn)行第2層熔覆的離焦量。探究單層熔覆層的高度與離焦量的關(guān)系。第2層熔覆的離焦量依次為-4mm，-3mm，-2mm，-1mm，0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，共做9組試驗(yàn)。在每一組實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行雙層單道熔覆。保證進(jìn)行第1層熔覆時(shí)的離焦量為0mm，然后用游標(biāo)卡尺對(duì)第1層熔覆層的同一位置處高度多次測(cè)量，求得平均值。根據(jù)第1層熔覆層的高度調(diào)整熔覆頭的位置，改變進(jìn)行第2層熔覆的離焦量。熔覆完成后，用同樣的方法測(cè)得熔覆層的高度，然后通過計(jì)算得到第2層熔覆層的高度。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

Fig.1　Relationship between single cladding layer height and defocusing

2.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析如圖1所示，在正離焦情況下，離焦量從0mm增加到4mm，單層熔覆層的高度由0.50mm減小到0.26mm；在負(fù)離焦的情況下，離焦量從0mm減小到-4mm，單層熔覆層的高度由0.50mm減小到0.32mm。如圖2所示，假定激光焦點(diǎn)和粉末的匯聚點(diǎn)重合。當(dāng)基體在L1位置時(shí)為負(fù)離焦，且離焦量為a1；當(dāng)基體在L2位置時(shí)為正離焦，且離焦量為a2。因?yàn)闊o論正離焦量還是負(fù)離焦，離焦量絕對(duì)值的增加將使得進(jìn)入熔池的粉末減少，并且激光光斑直徑增加，激光能量密度減小，單層熔覆層的高度就會(huì)減小。

Fig.2　Schematic of interaction between laser beam and powder

分析圖1、圖2可知，在正離焦的情況下，如果Δz的值大于單層熔覆層的高度，則進(jìn)行下一層熔覆時(shí)的正離焦量增加，單層熔覆層的高度會(huì)減小，從而使進(jìn)行再下一層熔覆時(shí)的正離焦量進(jìn)一步增加，存在正反饋，最終破壞熔覆成形的穩(wěn)定狀態(tài)，不能熔覆成形。而在負(fù)離焦的情況下，如果Δz的值小于單層熔覆層的高度，那么進(jìn)行下一層熔覆時(shí)離焦量的絕對(duì)值增加，單層熔覆層的高度減小，進(jìn)行再下一層熔覆時(shí)離焦量的絕對(duì)值進(jìn)一步增加，存在負(fù)反饋過程，最終會(huì)達(dá)到Δz等于單層熔覆層高度的穩(wěn)定狀態(tài)[15]。

2.2　z軸單層行程Δz對(duì)熔覆成形的影響

2.2.1試驗(yàn)方法在試驗(yàn)中保持其它的工藝參量不變，只改變z軸單層行程Δz，進(jìn)而單一地研究z軸單層行程Δz對(duì)熔覆成形的影響。進(jìn)行單道多層熔覆成形試驗(yàn)，掃描路徑為直線，尺寸為60mm，熔覆成形件逐層堆積。第1層和第2層熔覆時(shí)離焦量為0mm，使用以上熔覆工藝參量得到的第2層熔覆層單層高度為0.50mm。試驗(yàn)時(shí)，首先在離焦量為0mm的情況下，熔覆得到第1層并測(cè)量第1層熔覆層的高度，并根據(jù)第1層熔覆層的高度調(diào)整熔覆頭的位置，使進(jìn)行第2層熔覆時(shí)的離焦量為0mm。從第3層開始，采用單道掃描，每走完一道激光頭提升一個(gè)不變的高度Δz，堆積過程采用“z”字形往返掃描方式。為了避免堆積過程中熱積累導(dǎo)致的坍陷，每熔覆一層停留2min，同時(shí)利用游標(biāo)卡尺測(cè)量熔覆層同一縱截面位置處的高度，進(jìn)行多次測(cè)量求得平均值，通過計(jì)算得到此Δz下，每一層的熔覆層的單層高度以及每一層熔覆層的離焦量。

依次取z軸單層行程Δz為0.55mm，0.50mm，0.45mm，0.35mm，0.30mm，0.25mm，0.20mm,0.15mm做8組試驗(yàn)，熔覆成形件和試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

Fig.3　Photographs of cladding parts at different Δz

Fig.4　Relationship of defocus, single cladding layer height and layer numbers at different Δz

2.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析如圖4a和圖4b所示，當(dāng)Δz=0.55mm和Δz=0.50mm時(shí)，Δz從第3層開始就大于單層熔覆層的高度，出現(xiàn)正離焦且正離焦量一直在增大，熔覆層單層高度在不斷減小。由第2.1節(jié)中的分析可知，隨著正離焦量的增大，單層熔覆層高度減小，而單層高度的減少會(huì)使下一層熔覆的正離焦量更大，如此往復(fù)會(huì)導(dǎo)致離焦量越來越大，單層高度越來越小，熔覆成形無法進(jìn)行。圖3a和圖3b是堆積15層的熔覆件。

如圖4c和圖4d所示，當(dāng)Δz=0.45mm和Δz=0.35mm時(shí)，單層熔覆層的高度隨著層數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并且一直波動(dòng)。在初始幾層，Δz小于單層高度，出現(xiàn)負(fù)離焦，單層高度減小，這使其與Δz的差值(d-Δz)變小，負(fù)離焦量減小，分別在第6層和第12層之后會(huì)出現(xiàn)正離焦。根據(jù)第2.1節(jié)中分析的結(jié)論，熔覆過程會(huì)在熔覆層單層高度等于Δz的負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下保持穩(wěn)定，但是由于激光功率，送粉量的波動(dòng)以及熔覆成形過程中離焦量的非連續(xù)性變化，熔覆層的單層高度發(fā)生波動(dòng)，熔覆過程由負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)波動(dòng)到正離焦?fàn)顟B(tài)，由穩(wěn)定的狀態(tài)波動(dòng)到非穩(wěn)定的狀態(tài)。圖3c和圖3d分別是堆積15層和20層的熔覆件。

如圖4e和圖4f所示，當(dāng)Δz=0.30mm和Δz=0.25mm時(shí)，前期熔覆層的單層高度隨層數(shù)的增加有減小的趨勢(shì)，但是隨著層數(shù)的增加，達(dá)到了Δz等于單層熔覆層高度的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)Δz=0.30mm時(shí)，單層熔覆層高度在19層之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此狀態(tài)下，離焦量為-0.34mm，熔覆層的單層高度與Δz相等且值為0.3mm；當(dāng)Δz=0.25mm時(shí)，單層熔覆層厚度在23層之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此狀態(tài)下，離焦量為-1.40mm，熔覆層的單層高度為與Δz相等且值為0.25mm。根據(jù)第2.1節(jié)中分析的結(jié)論可知，因?yàn)榍捌诔霈F(xiàn)了負(fù)離焦，并且負(fù)離焦量的絕對(duì)值不斷地增加，單層高度不斷地減小，最后減小到和Δz值相同。后續(xù)的熔覆過程中離焦量不再發(fā)生變化，單層熔覆層的高度也將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖3e和圖3f是堆積25層的熔覆件。

如圖4g和圖4h所示，當(dāng)Δz=0.20mm和Δz=0.15mm時(shí)，從第3層開始Δz的值就一直小于單層熔覆層的高度，所以離焦量一直為負(fù)離焦，且離焦量的絕對(duì)值會(huì)一直增加。堆積到第29層的時(shí)候，負(fù)離焦量達(dá)到-4.1mm，激光熔覆頭距離基體的距離已經(jīng)很小，但仍然未達(dá)到Δz與單程高度相等的穩(wěn)定狀態(tài)。考慮到熔覆成形過程中的熔覆頭的安全以及熔覆成形的效率，認(rèn)為在本次實(shí)驗(yàn)中Δz不是合理的選擇。圖3g和圖3h是堆積29層的熔覆件。

對(duì)比各圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)?層熔覆層高度d2與z軸單層行程Δz的差值為負(fù)(Δz≥d2)時(shí)，隨著熔覆層數(shù)的增加，正離焦量會(huì)越來越大，單層高度越來越小，熔覆過程偏離穩(wěn)定狀態(tài)，最終不能熔覆成形。當(dāng)0.7d2≤Δz

3結(jié)論

(1)無論是在正離焦還是負(fù)離焦的情況下，離焦量絕對(duì)值的增加將使進(jìn)入熔池的粉末減少、激光光斑直徑增加、激光能量密度減小，最終導(dǎo)致單層熔覆層的高度減小。

(2)在激光熔覆成形中，z軸單層行程Δz對(duì)單層熔覆高度以及離焦量有很大的影響。當(dāng)0.7d2≤Δz時(shí)，熔覆過程不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不能很好地熔覆成形，熔覆件表現(xiàn)出表面波浪起伏。而當(dāng)0.5d2≤Δz≤0.6d2時(shí)，多層激光熔覆過程存在負(fù)反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)整達(dá)到Δz與單層高度相等的穩(wěn)定狀態(tài)，熔覆件表面較為平整。另外，Δz與d2差值越大出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)需要熔覆的層數(shù)就越多，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的離焦量的絕對(duì)值越大，魯棒性越好。當(dāng)0.3d2≤Δz≤0.4d2時(shí)，熔覆成形過程效率低且存在較大的安全隱患，即使理論上存在魯棒性更好的穩(wěn)定性，也不推薦采用。

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Effect of singlez-increment on laser cladding forming

WANGXinlin1,DENGDewei2,HUHeng1,SONGHongtao1,ZHANGHongchao1

(1.Institute on Sustainable Design and Manufacturing, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract：To study effect of the matching ofz-axis single increment (Δz) with single cladding layer height on laser cladding forming, experiments of laser cladding forming were carried out at different Δz. The relationship curves of different Δz, single cladding layer height and defocusing were obtained after theoretical analysis and experimental verification. The results show that the optimal range of Δzis based on the second cladding layer height. In this range, the process of cladding would reach a steady forming state by feedback regulation. A recommended value of Δz(0.5d2≤Δz≤0.6d2) is provided.

Key words:laser technique; laser cladding forming;z-axis single increment; height of single cladding layer; feedback regulation

收稿日期：2014-07-27；收到修改稿日期：2014-09-23

作者簡(jiǎn)介：王鑫林(1989-)，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事激光熔覆的研究。

中圖分類號(hào)：TG665

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.025

文章編號(hào)：1001-3806(2015)05-0702-04