激光金屬沉積成形中焦點位置不重合研究*＊

田鳳杰 尚曉峰 韓 輝

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159)

激光金屬沉積成形技術(LMDS)是指利用高能激光光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時將金屬粉末送入熔池快速熔融-凝固后形成與基體金屬冶金結(jié)合且稀釋率很低的新金屬層的方法，根據(jù)CAD 給定的路線用數(shù)控系統(tǒng)控制激光光束來回掃描，便可逐線、逐層地熔覆堆積出任意形狀的功能性金屬實體零件。它融合了快速成形技術和激光熔覆技術，以“離散- 堆積”、“添加式制造”的成形原理為基礎，突破了傳統(tǒng)快速成形工藝方法和成形材料的局限，是目前快速成形諸多方法中研究最多、最有發(fā)展前途的新型制造技術之一［1-2］。目前比較成熟的激光送粉技術是側(cè)向送粉，但其不適用于3D 制造。同軸送粉克服了側(cè)向送粉的缺點，能很好地適應掃描方向的變化，輸出的粉末流具有直接制造所需要的各向同性的功能，可進行3D制造或達到特殊的加工效果，是直接成形制造的熱點研究問題［3-5］。同軸送粉要求激光光束中心線和粉末會聚中心線重合，這樣即使掃描速度方向發(fā)生變化，但粉末流相對于工件的空間分布始終是一致的，能得到各向均勻一致的熔覆成形層，能很好地適應掃描方向的變化，消除粉末輸送方向?qū)θ鄹矊有螤畹挠绊?，確保制造零件的精度。在以往進行的激光沉積成形研究和試驗中，對各種成形的工藝參數(shù)和試樣都進行了詳細的分析和總結(jié)，但未有文獻對激光光束和粉末會聚焦點位置是否重合進行研究報道［1-9］。

1 試驗研究

分別進行了單道單層、多道三層、單道多層薄壁件和環(huán)形薄壁件掃描成形的試驗研究。試驗選用Ni60A合金粉末，粒度-150 ～300 目，工藝參數(shù)為:激光功率為1.3 kW，掃描速度3.0 mm/s，送粉速率15 g/min，光束直徑3.0 mm，氬氣保護激光掃描區(qū)。進行單道單層和單道薄壁件掃描成形時，發(fā)現(xiàn)零件兩側(cè)表面質(zhì)量有很大差別。圖1 是單道單層熔覆帶實物圖，熔覆帶左側(cè)面光潔平整、無附屬金屬顆粒;右側(cè)面粗糙不平、附著一層粒度大小不一的金屬顆粒，且熔覆層左側(cè)高度略低于右側(cè)。圖2 是多道三層熔覆層的形貌圖，熔覆層高低不平，較明顯地呈現(xiàn)溝隆形態(tài);表面粗糙且附著較多的金屬顆粒，這些金屬顆粒大部分可在簡單處理中被去除，但仍有一部分牢牢粘結(jié)在表面上，影響到后續(xù)加工的表面質(zhì)量。

除了零件側(cè)面和表面質(zhì)量差別外，成形加工過程中堆高速度和厚度也有較大的差別。單道薄壁件的成形長度是80 mm，高度為60 mm，但沿長度方向兩側(cè)邊緣高度差達到13 mm，如圖3 所示。對于環(huán)形薄壁件，直徑對應方向的形貌也不相同，在兩個接近垂直的直徑方向，兩個成形堆積高度明顯大于另外兩個對應方向的堆積高度，而且截面壁厚也不同，左右兩側(cè)比較厚而前后兩側(cè)相對較薄，厚度差最大值為0.9 mm，截面較厚的部分正好對應著堆積高度較高的部分，但總體上同一直徑對應方向處厚度基本一致，如圖4 所示。

2 試驗結(jié)果分析

在激光金屬沉積成形過程中，加工基體表面存在兩個圓——激光光束圓(激光光束經(jīng)過凸透鏡聚焦作用在基體加工表面上形成的聚焦光斑圓，即熔池表面圓)和粉末匯聚圓(金屬成形粉末流經(jīng)噴嘴形成均勻圓錐狀的粉流與基體表面的相交圓)，激光光束圓直徑略小于噴粉匯聚圓直徑(80% ～85%);激光光束焦點是指激光光束圓的圓心，粉末匯聚焦點則是粉末匯聚圓的圓心，見圖5。當光束圓與匯聚圓焦點重合時，粉末可以覆蓋式進入全部熔池，這樣激光熔覆沉積成形部分的面積是整個的光束圓的面積，如圖6 所示。當光束圓與匯聚圓焦點不重合時兩圓相交，則在加工中實際熔覆沉積成形部分即為兩圓相交部分，如圖7中陰影部分所示。

進行單道單層熔覆，激光光束焦點與粉末匯聚焦點不重合時，實際掃描熔覆的寬度略小于激光焦點圓直徑，靠近激光光束一側(cè)的粉末全部進入熔池而熔融成形，因無過剩粉末而形成如圖所示的光潔側(cè)表面;遠離一側(cè)則有一部分粉末不能進入熔池熔融而剩余，產(chǎn)生金屬顆粒堆積現(xiàn)象，從而形成這側(cè)粗糙的結(jié)果，且掃描寬度會隨掃描運動方向不同而發(fā)生改變。進行單道多層薄壁件熔覆沉積成形時，激光光束與粉末匯聚焦點不重合使得薄壁件一側(cè)邊緣由于沒有粉末進入熔池，不能形成添加堆積而造成兩側(cè)邊緣的高度差。

當進行環(huán)形薄壁零件成形制造時，兩焦點圓繞定點做圓周軌跡掃描時，會出現(xiàn)圖8 所示的掃描路徑示意圖。圖中呈現(xiàn)出圓環(huán)壁厚不均勻且周期性變化，在路徑邊界外圓與邊界內(nèi)圓之間產(chǎn)生尺寸誤差，造成厚度不一致。對比圖4 和圖8 可見做圓環(huán)掃描運動時壁厚變化規(guī)律完全一致，充分說明激光光束焦點與噴粉焦點位置不重合是造成圖4 所示成形件側(cè)表面粗糙、截面厚度不均勻和尺寸誤差的直接原因。堆積高度周期性波動則是因為在壁厚處粉末全部進入熔池熔融-凝固，實現(xiàn)正常堆積，而壁薄處由于部分粉末未能進入熔池熔融-凝固，使得壁厚變薄，成形高度減小(熔池內(nèi)熔融態(tài)的粉末金屬存在對流，但由于激光熔覆時熔池溫度變化速度是105～107℃/s，在熔池內(nèi)不能形成良好的充分對流)，多層累積后形成較大的高度差異，造成圖4 所示截面較薄部分正好對應堆積高度較低部分現(xiàn)象發(fā)生。

3 檢測方法

上述分析是焦點位置沿X軸方向上的不重合，但實際中可能存在任意方向上的不重合。為了檢測光束圓與匯聚圓焦點位置不重合的方向和角度差異，可采用全方位測量法［10］。試驗掃描軌跡加工如圖9a 所示，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，掃描方向與X軸方向分別成0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°這8 個角度進行一定長度的單道單層熔覆試驗。根據(jù)熔覆帶兩側(cè)殘留粉末的多少進行初步分析兩圓的偏移方向，然后取每一條熔覆帶上5 個位置進行高度和寬度的測量，對8 個方向上測量數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)高度和寬度的差異性進一步準確分析不重合的方向性和角度。試驗選用Ni60A 合金粉末，粒度-150 ～300 目，熔覆長度為75 mm，工藝參數(shù)為:激光功率1.0 kW，掃描速度5.0 mm/s，送粉速率10 g/min，光束直徑3.0 mm，氬氣保護激光掃描區(qū)。圖9b 是調(diào)整后全方位檢測試驗效果實物圖，可以看出各條熔覆帶的幾何尺寸接近、外觀形貌相似，各方向熔覆高度和寬度的標準差僅為0.012 8 mm 和0.019 9 mm，說明了調(diào)整后焦點位置重合符合要求，同時也證實了同軸送粉方式的熔覆效果不受成形掃描方向的影響。

4 結(jié)語

通過試驗和分析，激光光束焦點與同軸噴嘴粉末匯聚焦點位置的不重合將直接影響成形零件形狀、尺寸和表面質(zhì)量，并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。采用全方位檢測方法，通過比較各個方向上的高度和寬度的差異性，可以較容易地分析在成形加工過程中激光焦點與噴粉焦點不重合的方向和角度，指導焦點位置重合的調(diào)整。

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