金屬熔覆件側面激光銑削整形工藝的研究

施克明 楊桂林 王明娣 杜 秋

蘇州大學機電工程學院,蘇州,215021

金屬熔覆件側面激光銑削整形工藝的研究

施克明 楊桂林 王明娣 杜 秋

蘇州大學機電工程學院,蘇州,215021

為提高激光熔覆件的成形質量，采用激光銑削的處理方式來保證熔覆件側面的光滑平整。為此，對熔覆件側面銑削進行整形工藝試驗研究，選擇點間距、激光功率、脈寬和離焦量作為變量，通過正交試驗來探究各工藝參數(shù)的權重并進行參數(shù)優(yōu)化。用優(yōu)化后的參數(shù)對熔覆件側面進行銑削加工，得到銑削寬度為0.075 mm，面粗糙度為2.319 μm。相比原熔覆件，側面成形質量得到明顯改善，證明用激光銑削的方式提高熔覆件成形時側面的光滑性和平整度是可行的。

激光技術；激光銑削；工藝參數(shù)；正交試驗

0 引言

金屬零件直接成形技術受到國內(nèi)外研究者的普遍關注并在一些領域取得成功應用，但這類單工藝直接成形件普遍存在表面質量、尺寸精度無法達到工業(yè)化應用要求的問題，一般都需要后續(xù)的精整加工[1]。特別是在成形薄壁件時，由線到面的增長方式使得層與層之間存在明顯的臺階效應，且側面會存在刮渣，使得側面質量差[2-4]。為了保證成形質量，許多學者提出一種將金屬零件直接快速制造與機械銑削相結合的復合工藝，在成形過程中或成形后輔助機械銑削加工，這在一定程度上提高了成形件的側面質量和精度[5-7]，但是成形件因快速冷凝，零件表面硬度大，機械銑削加工難度大，對刀具要求較高，且需要安裝夾具，形狀復雜的零件機械加工更需多次裝夾，加工時間長，效率降低[8-9]。

激光具有較高的能量密度，在計算機的控制下無需多次安裝夾具即可按照一定規(guī)律掃描移動，可實現(xiàn)對難加工材料的激光銑削加工[10]。本文基于激光增材堆積與激光銑削減材相結合的思想，對激光熔覆件側面進行激光銑削試驗研究，探討用激光銑削方式對熔覆件側面進行修整的可行性，提高熔覆件側面成形質量與精度。

1 激光銑削熔覆件側面的整形機理

激光銑削的過程是材料表面吸收高能激光束轉化為熱能使材料熔化、氣化或產(chǎn)生等離子體從而發(fā)生質量遷移的過程[11]。激光銑削發(fā)生的物質轉移屬于激光誘導熔體噴射機理，即熔覆層表面或側面被激光束照射區(qū)域迅速熔化，形成熔池，并部分氣化甚至形成等離子體，在背景氣壓和蒸氣膨脹壓力的作用下，熔融物質快速噴射而出，完成質量的轉移。本文中，側面銑削屬于激光邊緣熔化切割，示意圖見圖1。銑削時光斑中心沿熔覆件邊緣走直線，在一定重疊率脈沖激光照射下，熔覆件被激光照射部分(即燒蝕前沿)的溫度在極短時間內(nèi)上升，迅速熔化及部分氣化，一部分熔融金屬在重力、蒸氣膨脹壓力及輔助氣體壓力的合力作用下以熔屑的形式被吹離熔覆件，一部分在側面均勻流淌并凝固成重鑄層依附在熔覆件側面，還有少量熔融金屬堆積在基板上，已加工表面上已經(jīng)不存在層與層之間的臺階效應，修正效果明顯。

圖1 激光銑削熔覆件側面平面示意圖Fig.1 Sketch of laser milling cladding parts

側面銑削旨在通過激光銑削這種減材的方式對熔覆件側面進行修整，其銑削模型及掃描路徑如圖2所示。從圖2中可以看出側面銑削質量的評價指標主要包括銑削寬度、側面粗糙度及宏觀形貌。

圖2 側面銑削模型及掃描路徑Fig.2 The model of side milling and scanning path

2 試驗設備與方法

試驗所用設備為蘇州天弘激光有限公司生產(chǎn)的YAG:Nd-300 W脈沖固體激光器，波長為1064 nm，脈沖寬度范圍為0.1～10 ms，最小光斑直徑為0.2 mm，激光最大平均功率為500 W，脈沖頻率范圍為1～100 Hz。相比于連續(xù)CO2激光器，金屬熔覆件對較短波長的YAG脈沖激光吸收率更高，可以采用較小功率的YAG脈沖激光達到與用較大功率的CO2激光相同的加工效果，從而節(jié)約制造成本[11]。

加工試樣選用單道三層F313鐵基熔覆件。首先通過單因素試驗探究不同激光參數(shù)對熔覆件側面銑削寬度、熔覆件側面銑削質量的影響規(guī)律，根據(jù)以往試驗經(jīng)驗，單因素試驗中固定重復頻率f為30 Hz，激光功率初定在85～165 W，點間距0.06～0.14 mm，脈寬1～5 ms，離焦量-2～2 mm，側面銑削長度為5 mm。然后通過單因素試驗結果進行正交試驗來探究各工藝參數(shù)的權重，優(yōu)化工藝參數(shù)。用優(yōu)化后的工藝參數(shù)對熔覆件側面進行銑削，來證明用激光銑削的方式提高熔覆件成形時側面的光滑度和平整度是可行的。試驗中采用體視顯微鏡和AiE MocroXAM 3D形貌儀分別對激光銑削后熔覆件側面的低倍宏觀形貌和三維輪廓表面粗糙度進行觀察與測量。

3 試驗結果與分析

3.1單因素試驗結果與分析

通過單因素試驗探究不同激光參數(shù)對熔覆件側面銑削寬度、熔覆件側面粗糙度的影響規(guī)律，如圖3所示。

(a)點間距

(b)激光功率

(c)脈寬

(d)離焦量圖3 不同工藝參數(shù)與側面銑削寬度和側面粗糙度關系曲線Fig.3 The relationship between different parameters and milling width or roughness

從圖3a中可以看出，隨著點間距增大，側向銑削寬度逐漸變小，這是因為點間距變大后，在單脈沖能量相同的情況下，單位體積的熔覆件表面獲得更多的脈沖數(shù)，熔覆件側面獲得的能量更多，使更多的材料熔融或氣化，從而使側面銑削寬度增大；側面粗糙度隨著點間距的增大而變大，這是因為點間距小時，光斑之間搭接致密，銑削連續(xù)，而隨著點間距的增大，光斑之間搭接痕跡越來越明顯，從而粗糙度變大。

從圖3b中可以看出，銑削寬度隨激光功率的增大而增大，原因是激光輸出功率越大，照射到材料表面的單脈沖能量就越大，形成的單孔凹坑直徑變大，由多個單孔組成的銑削寬度越寬；側面粗糙度隨著功率的增大先減小后增大，這是因為當功率較小時，熔覆件得到的能量少，不足以將側面完全熔融，造成側面粗糙度較大，而當功率過高，熔覆件側面獲得的能量太大，產(chǎn)生大量的熔融物質，而這些熔融物質沒有被及時吹走而堆積在底部，造成側面粗糙度較大。

從圖3c中可以看出,隨著脈寬的增大，銑削寬度呈遞增趨勢，這是因為激光與材料的作用時間隨著脈寬的增大而延長，雖然峰值功率下降，但此時激光與材料作用時間延長所造成的熱積累效應明顯，對銑削寬度的影響起主導作用；粗糙度隨著脈寬的增大先減小后增大，原因主要是當脈寬較小時，雖然峰值功率變大，但此時激光與側面作用時間減少，形成的熱積累效應不明顯，不足以將側面材料充分熔融，當脈寬較大時，此時激光與熔覆件作用時間明顯延長，產(chǎn)生的熱積累效應尤為明顯且占據(jù)主導作用，產(chǎn)生大量熔體，有較多的熔渣無法被及時吹走而重凝成重鑄層，所以造成側面粗糙度較大。

從圖3d中可以看出,銑削寬度隨著離焦量的增大呈先增大后減小的趨勢，當離焦量為-1 mm時，激光焦點靠近適中位置，熔覆件側面單位面積所獲得的平均能量很大，使更多的材料熔融或氣化，側面銑削寬度較大；側面粗糙度隨著離焦量的增加呈先減小后增大的趨勢，當離焦量為-1 mm時，激光焦點處于適中位置，熔覆件側面單位面積所獲得的平均能量很大，側面材料充分熔融，此時粗糙度最小，隨著離焦量的減小或增大，激光焦點處于超前和滯后位置，且離適中位置越來越遠，熔覆件側面單位面積所獲得的平均能量不斷減小，熔覆件側面底部存在未完全熔融的區(qū)域，側面銑削不完整，造成側面粗糙度增大。

3.2正交試驗優(yōu)化

本試驗確定研究的熔覆件側面銑削工藝參數(shù)有:點間距(mm)、平均功率(W)、脈寬(ms)和離焦量(mm),依次用A、B、C、D表示，各個因素均取3個水平值。根據(jù)上述單因素試驗結果，安排各銑削要素的因素水平如表1所示。根據(jù)表1中的激光工藝參數(shù)進行試驗，試驗結果如表2及圖4所示。

熔覆層側面激光銑削的兩個指標(銑削寬度和粗糙度)隨因素變化情況各異，不能同時使兩者達到最優(yōu)，所以只能在矛盾的規(guī)律中尋求最佳的平衡。根據(jù)表2的極差分析結果，分別分析激光參數(shù)對銑削寬度及側面粗糙度的影響大小。比較銑削寬度這一指標之下各因素的極差值R，可得出4個因素對銑削寬度的影響順序從大到小依次為B、C、A、D，即功率B影響最大，離焦量D影響最小。此外，通過極差分析還可以得到銑削寬度的最佳參數(shù)組合為A1B3C3D1，即點間距0.08 mm、平均功率135 W、脈沖寬度3.5 ms、離焦量-1.5 mm。比較側面粗糙度這一指標之下各因素的極差值R，可得出4個因素對側面粗糙度的影響順序從大到小依次為A、C、B、D，即點間距A影響最大，離焦量D影響最小。此外，通過極差分析還可以得到側面粗糙度的最佳參數(shù)組合A1B1C1D2，即點間距取0.08 mm，平均功率取115 W，脈沖寬度取2.5 ms，離焦量取-1 mm。

表1 因素水平表

圖4 熔覆件側面激光銑削后宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphologies of cladding surfaceafter milling

采用綜合平衡法選擇兩指標最優(yōu)組合[11]。

(1)A：當因素A取A1時，銑削寬度與側面粗糙度均達到最優(yōu)，因此因素A取第一水平。

(2)B：因素B是影響側向銑削寬度的最重要參數(shù)，對面粗糙度的影響僅排在第三位，該因素取B3時的粗糙度值k3比取B1時的粗糙度值k1增加了52%，而銑削寬度增加102%，因素B對銑削寬度的影響要遠大于面粗糙度，故因素B取第三水平。

(3)C：因素C同時是影響銑削側面粗糙度及側向寬度的次要因素，該因素取C3時的粗糙度k3比取C1時的粗糙度k1增加了41%，而銑削深度增加了44%，兩者相差并不大，考慮到激光銑削熔覆件為微整形，側面銑削寬度一般不大于0.5 mm，面粗糙度就顯得更加重要，故因素C取第一水平。

(4)D：因素D對側面粗糙度及寬度的影響均為最小，該因素取D1時的粗糙度k1比取D2時的粗糙度k2增加了11%，而銑削寬度增加了5%，因素D對銑削寬度的影響要小于面粗糙度，固因素D取第二水平。

綜合考慮兩指標的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C1D2，即點間距0.08 mm、平均功率135 W、脈沖寬度2.5 ms、離焦量-1 mm。

3.3試驗驗證

用優(yōu)化后的側面銑削參數(shù)對熔覆件側面進行銑削，銑削寬度為0.075 mm；銑削后側面的低倍圖、高倍圖及面粗糙度如圖5所示。由低倍圖可以看出，銑削后側面層與層之間的臺階效應基本消失，表面光亮；對比銑削前后的高倍圖，銑削前的大塊凸起區(qū)域變得平緩；由5d、圖5e可以看出，銑削前最高點與最低點高度差為60 μm，銑削后高度差為16 μm，側面粗糙度從11.132 μm降低到2.319 μm，相比原熔覆件側面質量改善明顯。

(a)銑削后的熔覆件低倍形貌圖

(b)銑削前的熔覆件側面高倍圖

(c)銑削后的熔覆件側面高倍圖

(d)銑削前的熔覆件側面粗糙度

(e)銑削后的熔覆件側面粗糙度圖5 熔覆件側面激光銑削前后的對比圖Fig.5 The comparison chart of cladding surface between before milling and after milling

(a)銑削前熔覆層

(b)銑削后細化區(qū)圖6 熔覆件側面激光銑削前后微觀組織對比圖Fig.6 The comparison chart of cladding surface microstructure between before milling and after milling

為了觀察激光銑削是否會對熔覆件側面的組織結構造成影響，對其進行微觀組織分析，如圖6所示。由圖可以看出，熔覆件側面銑削前微觀組織為相對粗大的不規(guī)則胞狀、棒狀晶粒；銑削后側面組織為非常致密的細小枝晶，且有帶方向性的針狀晶粒出現(xiàn)，存在明顯的晶粒細化區(qū)域，呈現(xiàn)白亮色。這是由于激光銑削采用高能激光束照射到熔覆件表面或側面，使照射區(qū)域熔融、氣化產(chǎn)生質量遷移，照射區(qū)域經(jīng)歷了一個快速熔化-凝固的過程，晶粒得到細化，其對組織的影響與激光重熔硬化相似，因此照射區(qū)域硬度得到顯著提高[12]。由此說明激光銑削對熔覆件組織有明顯的細化作用。

4 結論

(1)本文基于激光銑削對激光熔覆件側面整形工藝參數(shù)優(yōu)化進行了試驗研究，初步探究了不同工藝參數(shù)對側面銑削寬度及側面銑削質量的影響規(guī)律，平均功率對側面銑削寬度影響最大，脈沖和點間距對側面激光銑削后的粗糙度影響最大。

(2)根據(jù)不同工藝參數(shù)對側面銑削寬度及側面銑削質量的影響規(guī)律進行正交試驗，得出了優(yōu)化參數(shù)，即點間距取0.08 mm，平均功率取135 W，脈沖寬度取2.5 ms，離焦量取-1 mm。用優(yōu)化后的側面銑削參數(shù)對熔覆件側面進行銑削，銑削寬度為0.075 mm，粗糙度為2.319 μm。相比原熔覆件，側面成形質量得到明顯改善，而且激光銑削對熔覆件組織有明顯的細化作用。

(3)采用機械銑削，銑削后的表面粗糙度一般能達到2 μm[13]。與機械銑削相比，激光銑削的精度雖然較低，但無需多次安裝夾具即可實現(xiàn)高效銑削，而且對比銑削后的熔覆件側面可以看出，側面層與層之間的臺階效應消失，激光銑削后的側面質量明顯優(yōu)于未銑削時的質量，證明用激光銑削的方式提高熔覆件成形時側面的光滑性和平整度是可行的。

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(編輯王旻玥)

StudyonLaserMillingProcessParametersforSidesofLaserCladdingParts

SHI Keming YANG Guilin WANG Mingdi DU Qiu

School of Mechanical and Electric Engineering,Soochow University,Suzhou,Jiangsu,215021

In order to improve the quality of cladding parts, a method of laser milling was adopted herein to obtain smooth and flat plains of cladding parts. The technology of flank milling process of cladding parts was researched, and point space, laser power, pulse duration and defocusing amount were chosen as variables. The weight and optimization of process parameters were researched by orthogonal experiments. Then the optimized parameters were used to process cladding parts, milling width 0.075 mm and surface roughness 2.319 μm were obtained. Compared with original cladding parts, the qualities of processed parts are better apparently, which proves the feasibility of improving surface quality by laser milling.

laser technique; laser milling; process parameter; orthogonal experiment

V261.8

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.22.018

2016-11-23

國家自然科學基金資助項目(51675360);江蘇省自然科學基金資助項目(BK20151194);2015～2016江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室開放基金資助項目

施克明，男，1991年生。蘇州大學機電工程學院碩士研究生。主要研究方向為激光加工。楊桂林，男，1991年生。蘇州大學機電工程學院碩士研究生。王明娣(通信作者)，女，1975年生。蘇州大學機電工程學院教授。E-mail: wangmingdi@suda.edu.cn。杜秋，男，1990年生。蘇州大學機電工程學院碩士研究生。