光內(nèi)同軸送粉立面堆積成形實(shí)驗(yàn)研究

孟偉棟，石世宏，傅戈雁，王 濤，楊 軾，史建軍

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州215021)

引 言

激光立體成形技術(shù)融合了快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，成為目前先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要方向，廣泛地應(yīng)用于零件的制造和修復(fù)［1-7］。但是由于設(shè)備和工藝的限制，現(xiàn)有的激光立體成形技術(shù)多用在水平基面上，當(dāng)立面堆積時(shí)，由于無(wú)支撐的熔池受重力作用發(fā)生流淌，導(dǎo)致坍塌成形失敗。本試驗(yàn)利用中空激光光內(nèi)同軸送粉熔覆技術(shù)［8-12］進(jìn)行立面堆積回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)。

立面堆積變徑回轉(zhuǎn)體成形中，存在3個(gè)主要問(wèn)題［13-16］:(1)以錯(cuò)層的方式進(jìn)行變徑，變徑范圍小，成形件表面粗糙度大;(2)熔覆層每層生長(zhǎng)量與提升量Δz不匹配;(3)立面堆積激光功率控制。本文中針對(duì)上述問(wèn)題重點(diǎn)研究和分析錯(cuò)層、提升量Δz、激光功率對(duì)成形件表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

Fig.1 Schematic of coaxial inside-beam powder feeding technology

圖1為光內(nèi)同軸激光熔覆的原理示意圖，采用特殊的光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將傳統(tǒng)的實(shí)心聚焦激光束轉(zhuǎn)換為中空聚焦激光束，送粉管居中放置，粉束外圍是保護(hù)氣體，環(huán)形保護(hù)氣外圍是同軸的環(huán)形激光。光能外移后，熔池的能量分布更均勻，熔道更平整，堆高性好;同時(shí)光能外移后，邊界能量增大，對(duì)前一層熔道有修邊作用，降低表面粗糙度，為立面堆積提供可能性。

試驗(yàn)中采用YLS-2000-CT光纖激光器，KUKA機(jī)器人和控制臺(tái)組成的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力裝置，光內(nèi)同軸送粉激光熔覆光頭，如圖2所示?；w選用304#不銹鋼尺寸為100mm×100mm×10mm，首先粗砂紙打磨基板表面，再用丙酮以及酒精清洗待加工表面。進(jìn)行上述預(yù)處理，主要是清除表面的銹蝕以及油污，以滿足激光熔覆的需要。熔覆材料選用－140目/+200目(75μm～106μm)的Fe313合金粉，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。

Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

2 立面堆積模型建立

Fig.3 Schematics of laser cladding accumulation by means of two ways

如圖3a所示，傳統(tǒng)激光熔覆堆積變徑回轉(zhuǎn)體的過(guò)程中，激光光頭始終垂直與基體表面，與熔道生長(zhǎng)方向不一致，變徑只能通過(guò)熔道的錯(cuò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是熔道上下層的錯(cuò)位造成成形件表面粗糙度變大。一方面上層熔道部分的光粉落在外面，錯(cuò)位的熔池只能依靠張力存在，當(dāng)偏移量過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)熔覆層懸臂端坍塌，使得成形件報(bào)廢;另一方面下層熔道部分面積沒(méi)有繼續(xù)堆積，形成臺(tái)階狀，增大了成形件表面粗糙度。本試驗(yàn)中提出了一種新的激光熔覆堆積變徑回轉(zhuǎn)體的方法，如圖3b所示。改變激光光頭姿態(tài)，使得堆積過(guò)程中，激光光頭始終與熔道表面垂直。在這一方法下，激光光頭的提升方向始終與熔道生長(zhǎng)方向一致，上下層熔道完全結(jié)合，有效解決了因錯(cuò)層造成的成形件表面粗糙度變大的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了如圖4所示的立面變徑回轉(zhuǎn)體。其堆積的基本參量為:激光掃描速率v=5mm/s，送粉速率v1=8g/min，離焦量B= －4mm，激光功率P=600W～1000W。

Fig.4 Model and photo of vertical surface accumulation

3 Δz的控制

嚴(yán)格地說(shuō)，激光光頭每層提升量Δz的數(shù)值必須與單層生長(zhǎng)量保持一致，這樣才能確保每層的工藝條件完全相同。實(shí)際的立面堆積過(guò)程中，熔道每層生長(zhǎng)量是動(dòng)態(tài)變化的，固定的提升量Δz與生長(zhǎng)量不匹配，引起離焦量的變化，使得成形件表面粗糙度變大。當(dāng)Δz大于單層生長(zhǎng)量時(shí)，光斑直徑變小，激光能量密度變大，熔道的厚度變小，成型件表面高低不平;當(dāng)Δz小于單層生長(zhǎng)量時(shí)，光斑直徑變大，激光能量密度變小，使得熔池邊緣的粉末不能充分熔化，黏附在成形件表面造成表面粗糙。所以Δz是否與生長(zhǎng)量匹配直接影響成形件表面粗糙度。在本試驗(yàn)中，采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量激光光頭與加工熔池之間的距離，把測(cè)得的距離實(shí)時(shí)傳遞到機(jī)器人中，機(jī)器人根據(jù)所測(cè)得距離實(shí)時(shí)調(diào)整激光光頭的提升量Δz，從而確保激光光頭與熔池之間距離恒定;保證離焦量不變。

Fig.5 Increment in z axis Δz vs.number of cladding layers

圖5為立面堆積過(guò)程中提升量Δz變化散點(diǎn)圖。從圖中散點(diǎn)趨勢(shì)可見(jiàn)，第0層到大約第100層，由于熔池由3維散熱變?yōu)?維散熱，熔池溫度逐漸上升，粉末的液態(tài)相變大，使得熔覆層的生長(zhǎng)量逐漸變大，所以Δz逐漸增大;第100層之后，隨著熔道層數(shù)繼續(xù)增加，熔池的達(dá)到熱平衡，熔池的溫度趨于穩(wěn)定，使得熔道的生長(zhǎng)量趨于穩(wěn)定，所以Δz逐漸趨于穩(wěn)定。

4 功率的控制

在立面堆積成形過(guò)程中，隨著堆積層數(shù)的增加，激光束的能量不斷地在材料中累積，材料內(nèi)部的溫度將越來(lái)越高，因而熔池的體積會(huì)越來(lái)越大，進(jìn)入熔池的金屬粉末數(shù)量也會(huì)逐漸增加，從而導(dǎo)致堆積厚度和寬度逐漸增大，影響成形件的宏觀形貌。

在高層立面堆積過(guò)程中，成形件表面的粗糙度與激光能量密度密切相關(guān)，激光功率過(guò)低造成熔池溫度過(guò)低，熔池邊緣的粉末熔化不充分，使粉末黏附在成形件表面，增大表面粗糙度;激光功率過(guò)高會(huì)造成熔覆層過(guò)燒，熔池?zé)嵊绊憛^(qū)變大，未進(jìn)入熔池的粉末就會(huì)與溫度較高的熱影響區(qū)發(fā)生碰撞，速度較低或尺寸較小的粉末顆粒就會(huì)黏附在成形件表面上，增大成形件表面粗糙度。

在激光熔覆過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化遵守能量守恒法則，即:

式中，E0為入射到基板表面的激光能量，Er為材料反射的能量以及基板吸收的能量，Ea為熔池吸收的能量，Et為透過(guò)材料的能量。對(duì)于立面堆積而言，激光束不能穿透材料，那么Et=0。其中Ea主要決定熔池的溫度，Er主要由熔池的散熱情況決定，隨著堆積層數(shù)的增加，熔池由3維散熱變成2維散熱，Er變小，為了使熔池吸收能量Ea在堆積過(guò)程中保持不變，需要相應(yīng)地減小。

中空環(huán)形激光的能量密度計(jì)算公式為:

式中，E為激光能量密度，P為激光功率，D為環(huán)形光斑外圓直徑。由公式可知，當(dāng)在激光掃描速率v和激光熔覆離焦量不變的前提下，只有通過(guò)調(diào)整激光功率P才能保證激光功率密度E的不變。

如圖6所示，立面堆積初期時(shí)，因?yàn)榛w沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱其溫度為室溫，熔池的熱量迅速傳向基體，為了保持熔池溫度，所以需要在一段時(shí)間內(nèi)保持較高的功率1000W。隨著堆積層數(shù)的增加，熔池從初期的3維散熱變?yōu)?維散熱，熔道的散熱量也來(lái)越小，熔池的熱量不斷累積，需要將功率逐漸下降。堆積層數(shù)繼續(xù)增加，熔池的吸熱和散熱逐漸保持平衡，熔池的溫度基本保持穩(wěn)定，激光功率不需要再改變，最終穩(wěn)定在600W。

Fig.6 Power vs.number of cladding layers in the accumulation process

5 成形件表面質(zhì)量

Fig.7 Size of facade adjustable rotator

Fig.8 Roughness measurement position

Table 1 Surface roughness of a molding rotator

在立面堆積成形中，表面粗糙度時(shí)衡量成形件質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)中通過(guò)改變光頭姿態(tài)，使光頭在堆積過(guò)程中始終與熔道表面垂直，以及對(duì)光頭提升量Δz、激光功率的實(shí)時(shí)控制，得到如圖7所示的成形件。在成形件表面等距離地取8個(gè)點(diǎn)如圖8所示。通過(guò)TR200手持式粗糙度儀測(cè)得其粗糙度如表1所示，成形件表面粗糙度Ra=(0.497～2.163)μm;Rz=(1.992 ～7.447)μm，達(dá)到半精加工表面，成形效果良好。

6 結(jié)論

在中空激光光內(nèi)同軸送粉熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了立面堆積變徑回轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵參量的控制。試驗(yàn)表明:(1)改變激光光頭姿態(tài)，使其始終與熔道表面垂直，解決了錯(cuò)層引起的成形件表面質(zhì)量低的問(wèn)題;(2)在堆積過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離焦量大小來(lái)調(diào)節(jié)z軸的生長(zhǎng)量Δz，真正實(shí)現(xiàn)了Δz的數(shù)值與每層生長(zhǎng)量保持一致，保證了成形件表面質(zhì)量;(3)熔覆堆積過(guò)程中，通過(guò)功率的調(diào)節(jié)保證熔池溫度的相對(duì)不變。得到的立面成形件表面光滑，無(wú)明顯的粉末黏附，粗糙度低，成形件表面粗糙度Ra=(0.497 ～2.163)μm，Rz=(1.992 ～7.447)μm。

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