Q235 薄板單向掃描激光熔覆變形研究

裴明源，烏日開(kāi)西·艾依提，王勝權(quán)

（ 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047 ）

激光熔覆技術(shù)通過(guò)表面硬處理和對(duì)磨損部件的修復(fù)，從而提高零件的使用壽命，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。 激光熔覆是以高度集中的熱源將粉末和基板同時(shí)熔化，冷卻過(guò)程中會(huì)在基板內(nèi)產(chǎn)生巨大的溫度梯度，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形[4-5]。 熔覆過(guò)程涉及到材料的局部加熱與冷卻是產(chǎn)生變形的主因[6]。 激光熔覆的溫度場(chǎng)分布極不均勻，具有瞬時(shí)性、復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，同時(shí)在基板內(nèi)產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力，引起基板體積變化產(chǎn)生彈塑性變形。 激光熔覆引起的變形一直是研究的熱點(diǎn)，屬于熱變形的共性難題之一。

本文采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)Q235 薄板激光熔覆產(chǎn)生的變形進(jìn)行了測(cè)量，分析薄板在雙邊約束條件下，激光熔覆單向掃描時(shí)產(chǎn)生的變形規(guī)律，為激光熔覆的變形控制奠定工藝基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為更好地觀察薄板的變形情況， 選取尺寸為200 mm×50 mm×4 mm 的 Q235 鋼板，因薄板表面光亮，會(huì)降低激光吸收率，熔覆前需對(duì)薄板進(jìn)行噴砂處理。 選用 100～270 目的 316L 不銹鋼粉末，放入干燥箱105 ℃下烘干處理4 h， 防止粉末受潮而影響熔覆層質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)采用HWF20 型激光熔覆3D 打印系統(tǒng)，利用 IPG 光纖激光器、Inspector06.08.06 型三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，以及氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，所采用的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 單向掃描路徑

為研究雙邊約束的薄板沿厚度方向的變形規(guī)律，分別采用橫向掃描和縱向掃描路徑在薄板中心熔覆60 mm×30 mm 的長(zhǎng)方形，具體示意見(jiàn)圖1。 以兩種路徑分別熔覆時(shí)， 每熔覆一道自然冷卻10 s，熔覆結(jié)束后自然冷卻10 min。

表1 工藝參數(shù)

圖1 單向掃描路徑

1.3 變形測(cè)量

為測(cè)量薄板熔覆完成后的變形，熔覆前在薄板的背面畫(huà)上網(wǎng)格， 每個(gè)網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，具體示意見(jiàn)圖2。因薄板表面光滑，默認(rèn)熔覆前薄板在網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)變形值為零，即各點(diǎn)變形值0.000 mm作為參考零點(diǎn)，熔覆完成后通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)薄板160 mm×46 mm 范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沿厚度方向的測(cè)量，其節(jié)點(diǎn)測(cè)量值與參考零點(diǎn)之差即可視為薄板沿厚度方向的變形值。

圖2 薄板背面網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 整體變形

實(shí)驗(yàn)主要分為熔覆和冷卻兩個(gè)階段，其中橫向掃描實(shí)際熔覆時(shí)間374 s、自然冷卻時(shí)間10 min，縱向掃描實(shí)際熔覆時(shí)間227 s、自然冷卻時(shí)間10 min。熔覆結(jié)束后，薄板都發(fā)生了不同程度的變形，利用特定夾具將熔覆后的薄板進(jìn)行固定，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別測(cè)量薄板的標(biāo)記點(diǎn)變形，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件繪制成三維變形圖， 具體見(jiàn)圖3，其中箭頭方向表示每道的熔覆掃描方向。

圖3 單向掃描整體三維變形圖

在激光熔覆過(guò)程中， 薄板熔覆區(qū)域被急劇加熱，產(chǎn)生局部熔化。 熔覆區(qū)域受熱膨脹，周?chē)牧弦虼耸艿嚼鞖堄鄳?yīng)力作用，同時(shí)受周?chē)^冷區(qū)域材料的約束，熔覆區(qū)域受到壓縮殘余應(yīng)力作用。 薄板的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而降低，若產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致薄板產(chǎn)生彎曲變形。 在熔覆區(qū)域冷卻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生急劇收縮，導(dǎo)致周?chē)牧鲜艿綁嚎s殘余應(yīng)力作用，熔覆區(qū)域會(huì)受到周?chē)牧辖o予的拉伸殘余應(yīng)力。 若冷卻過(guò)程中薄板受到的壓縮殘余應(yīng)力大于加熱過(guò)程中受到的拉伸殘余應(yīng)力，則會(huì)導(dǎo)致薄板凸起變形。 薄板不同部位的溫度梯度不同，其產(chǎn)生的熱膨脹及冷卻收縮各有差異。

結(jié)合圖3 可知， 在橫向掃描和縱向掃描中，薄板均受到了較大的拉伸殘余應(yīng)力作用，導(dǎo)致薄板整體產(chǎn)生了彎曲變形。 橫向掃描變形較為單一，由于薄板兩邊約束限制和熔覆區(qū)域溫度梯度較大，導(dǎo)致薄板中間區(qū)域產(chǎn)生的塑性變形最大。 相較于橫向掃描， 縱向掃描產(chǎn)生的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力更加復(fù)雜，導(dǎo)致薄板熔覆區(qū)域產(chǎn)生較大的彎曲變形；隨著熔覆道數(shù)增加，熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力不斷變大，薄板橫向變形累積收縮，導(dǎo)致邊緣產(chǎn)生凸起變形。

2.2 沿指定路徑變形

為研究橫向掃描和縱向掃描的薄板沿同一指定路徑下的變形， 分別比較橫向路徑A1C1、D1D2、A2C2 下的薄板變形和縱向路徑A1A2、B1B2、C1C2的薄板變形， 得到的結(jié)果見(jiàn)圖4， 其中T 為橫向掃描，L 為縱向掃描。

圖4 沿指定路徑變形

如圖4a 所示，當(dāng)沿橫向路徑時(shí)，橫向掃描沿TD1D2 路徑呈現(xiàn)中間低兩邊高的彎曲變形， 最大變形值為-2.168 mm；T-A1C1 路徑沿熔覆方向從A1點(diǎn)至C1 點(diǎn)呈彎曲變形， 最大變形值為-0.515 mm；TA2C2 路徑沿熔覆方向從A2 點(diǎn)至C2 點(diǎn)呈凸起變形，最大變形值為-0.430 mm；比較可知，在橫向掃描熔覆時(shí)，T-D1D2 路徑可達(dá)最大變形?？v向掃描沿L-D1D2 路徑呈中間低兩邊高的彎曲變形， 且熔覆起點(diǎn)處的薄板邊緣變形值明顯大于終點(diǎn)處薄板邊緣變形值，最大變形值為-1.160 mm，小于T-D1D2路徑的最大變形值；L-A1C1 路徑沿熔覆方向從A1點(diǎn)至C1 點(diǎn)呈彎曲變形， 最大變形值為-0.289 mm，小于T-A1C1 路徑的最大變形值；L-A2C2 路徑沿熔覆方向從A2 點(diǎn)至C2 點(diǎn)呈凸起變形，最大變形值為-0.254 mm，小于T-A2C2 路徑的最大變形值；比較可知，在縱向掃描熔覆時(shí)，L-D1D2 路徑可達(dá)最大變形。 因此，在沿橫向路徑時(shí)，指定路徑的縱向掃描熔覆變形值均小于橫向掃描熔覆， 且均在D1D2 路徑中心線上產(chǎn)生最大變形。

如圖4b 所示，當(dāng)沿縱向路徑時(shí)，橫向掃描沿TA1A2、T-B1B2、T-C1C2 路徑的變形趨勢(shì)均呈中間低、兩邊高的彎曲變形，且T-A1A2 路徑的變形趨勢(shì)近似等于T-C1C2， 變形最大值分別為-2.097 mm和-2.090 mm， 說(shuō)明橫向掃描熔覆薄板邊緣溫度場(chǎng)分布均勻，產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力近似相等；在指定三條路徑中，T-B1B2 達(dá)到最大變形值-2.229 mm，這是因?yàn)樽畲笞冃翁幇l(fā)生在殘余應(yīng)力最大的熔覆區(qū)域；比較可知，在橫向掃描熔覆時(shí)，T-B1B2 路徑可達(dá)最大變形。

縱向掃描沿L-A1A2、L-B1B2 路徑的變形趨勢(shì)與橫向掃描相同，都是呈中間低、兩邊高的彎曲變形， 最大變形值分別為-0.832 mm 和-1.050 mm，且分別小于沿T-A1A2、T-B1B2 路徑時(shí)的變形；LC1C2 路徑沿縱向呈“W”型變形，各點(diǎn)的變形相對(duì)而言均呈彎曲變形，最大變形值為-0.626 mm，小于沿T-C1C2 路徑的最大變形值；比較可知，縱向掃描熔覆時(shí)，L-B1B2 路徑可達(dá)最大變形。 因此，在沿縱向路徑時(shí)，指定路徑的縱向掃描熔覆變形值均小于橫向掃描熔覆， 且均在B1B2 路徑中心線上產(chǎn)生最大變形。

2.3 整體最大變形

對(duì)每塊薄板測(cè)得的119 個(gè)數(shù)據(jù)分別選出3 個(gè)最大變形值，求平均值作為薄板的最大變形。由表2可見(jiàn)，橫向掃描產(chǎn)生的最大彎曲變形為-2.214 mm，縱向掃描產(chǎn)生的最大彎曲變形為-1.139 mm，因此，橫向掃描的最大彎曲變形大于縱向掃描。

2.4 表面質(zhì)量

在橫向掃描和縱向掃描路徑中，激光束熱量會(huì)沿不同的方向進(jìn)行擴(kuò)散。 由于溫度累積效應(yīng)，薄板溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生表面氧化現(xiàn)象，造成熔覆層質(zhì)量下降。 圖5 是實(shí)驗(yàn)后的薄板，橫向掃描和縱向掃描熔覆的薄板均無(wú)明顯的裂紋產(chǎn)生，熔覆層表面基本未粘附粉末顆粒。 同時(shí)觀察可見(jiàn)，橫向掃描熔覆層光澤度較好，未產(chǎn)生表面氧化現(xiàn)象，而縱向掃描熔覆層上端有輕度的表面氧化現(xiàn)象。 這是由于橫向掃描時(shí)熔覆道數(shù)多而產(chǎn)生的冷卻時(shí)間大于縱向掃描，且橫向掃描造成的薄板彎曲變形值大于縱向掃描，造成了熔覆過(guò)程中橫向掃描的激光束離焦量大于縱向掃描，減小了薄板對(duì)激光的吸收率。

表2 不同掃描方式下最大變形值

圖5 雙向掃描的薄板表面質(zhì)量

3 結(jié)論

采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)薄板熔覆產(chǎn)生的整體變形、沿指定路徑變形進(jìn)行了測(cè)量，分析了薄板在雙邊約束條件下，激光熔覆單向掃描時(shí)產(chǎn)生的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）橫向掃描和縱向掃描的薄板均承受較大的拉伸殘余應(yīng)力， 導(dǎo)致薄板整體都產(chǎn)生了彎曲變形，且縱向掃描熔覆區(qū)呈彎曲變形，薄板邊緣因橫向收縮呈凸起變形。

（2）在沿橫向路徑時(shí)，指定路徑的縱向掃描熔覆變形值小于橫向掃描，且在薄板橫向中心線上產(chǎn)生最大變形；在沿縱向路徑時(shí)，指定路徑的縱向掃描熔覆變形值小于橫向掃描，且在薄板縱向中心線上產(chǎn)生最大變形。 橫向掃描的最大彎曲變形值大于縱向掃描。

（3）由于橫向掃描冷卻時(shí)間長(zhǎng)，激光吸收率小于縱向掃描，造成橫向掃描熔覆層光澤度好，沒(méi)有產(chǎn)生表面氧化現(xiàn)象，而縱向掃描熔覆層上部邊緣有輕度的表面氧化現(xiàn)象。