掃描路徑對(duì)薄壁件激光熔覆涂層形變的影響

梁志剛，戰(zhàn)金明，師文慶*，謝玉萍，黃 江，安芬菊

（1.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，湛江524088；2.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，湛江524088）

引 言

隨著中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向機(jī)械化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，聯(lián)合收割機(jī)以其優(yōu)秀的性能在全國(guó)范圍的應(yīng)用越來(lái)越多。其中割刀是保障收割機(jī)性能的關(guān)鍵部件，也是故障頻發(fā)、極易磨損的部件，其質(zhì)量對(duì)于聯(lián)合收割機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量有著極大的影響。激光熔覆是一種新興的表面改性技術(shù)，它可以在割刀表面制備所需要的高性能合金熔覆涂層，從而提高割刀的性能和使用壽命，如硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化性等［1］。但割刀是屬于薄壁鋼材器具，其屈服強(qiáng)度極限較低［2］。在應(yīng)用激光熔覆技術(shù)提升其所需性能時(shí)，割刀薄壁處極容易產(chǎn)生形變，影響割刀的使用性能。

激光熔覆是由多種變量相互作用的過(guò)程，例如激光功率、掃描速率、光斑大小等。這些變量稱為激光工藝參量，是基材產(chǎn)生形變的主要因素［3-4］。通過(guò)優(yōu)化激光工藝參量，可以有效地控制激光的熱能量輸入和基體的形變［5-7］。在此基礎(chǔ)上，選擇不同的掃描路徑同樣也會(huì)對(duì)熔覆效率、熔覆的精度、表面質(zhì)量和基材變形產(chǎn)生巨大影響［8］。LIU等人［9］通過(guò)建立激光熔覆溫度場(chǎng)／應(yīng)力場(chǎng)有限元分析模型，對(duì)比分析不同掃描路徑對(duì)基材溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和形變的影響。HAN等人［10］利用SYSWELD軟件模擬304不銹鋼在不同掃描路徑下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)的變化情況，以優(yōu)化激光熔覆工藝參量。目前，掃描路徑對(duì)基材形變的研究，多在數(shù)值模擬上進(jìn)行分析，而實(shí)驗(yàn)分析則研究較少［11-14］。本文中擬在模擬分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去研究和驗(yàn)證不同掃描路徑對(duì)薄壁件激光熔覆鐵基合金涂層形變的實(shí)際影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)割刀的工作特點(diǎn)，割刀在高速旋轉(zhuǎn)工作的條件下會(huì)受到多次小能量的沖擊。為保證其使用壽命，一般選用碳素工具鋼和彈簧鋼制作。故本次實(shí)驗(yàn)基體材料為T9A高級(jí)碳素工具鋼，試樣尺寸為100mm×50mm×2mm，熔覆前試樣表面用100#砂紙磨光，并用酒精清洗干凈。為提升鐵基熔覆涂層的性能，本實(shí)驗(yàn)中選用的熔覆粉末為鐵基粉末和單晶硅粉按40∶1比例混合而成的復(fù)合粉末。鐵基粉末選用牌號(hào)為Fe60的鐵基Fe-Cr-B-Si自溶性合金粉末（成分見(jiàn)表1）。

Table 1 Chemical composition（mass fraction）of Fe60

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用XL-800WF光纖傳輸YAG激光加工系統(tǒng)以不同的掃描路徑進(jìn)行預(yù)置粉末式多道激光熔覆實(shí)驗(yàn)，具體工藝參量如表2所示。設(shè)定掃描行距為1.5mm，熔覆涂層面積大小均為22.5mm×22.5mm。觀察鐵基合金熔覆涂層的宏觀形貌和形變程度，并測(cè)量熔池深度。本文中選擇的3種掃描路徑如圖1所示，分別為Hilbert分形式、輪廓偏置式和光柵式。

Table 2 The technological parameters of the laser cladding experiment

Fig.1 Scanning path diagramsa—Hilbert fracta—contour offse—grating

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆涂層表面宏觀形貌

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，成功在基材上分別制備了3種熔覆涂層，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，Hilbert分形式掃描制備的熔覆涂層質(zhì)量較差，表面不平整。Hilbert分形式從路徑上來(lái)看像由多個(gè)“凹”字組成，激光束行走到“凹”字中心處時(shí)，激光照射處附近單位面積上的能量供給極其不均勻，熔覆層產(chǎn)生較大高度差導(dǎo)致涂層表面不平整；輪廓偏置式四周形成良好的熔覆涂層，但涂層中心有較大的凹陷。這是由于激光束在四周掃描時(shí)，能量均勻供給，沒(méi)有形成能量堆積。而激光束到達(dá)中心點(diǎn)時(shí)，在熱累積的作用下，中心溫度變得很高，導(dǎo)致熔覆涂層過(guò)燒，合金元素蒸發(fā)，從而產(chǎn)生凹陷；與其它掃描方式相比，光柵式掃描在基材表面形成了致密的熔覆涂層，表面平整、整潔度高，沒(méi)有裂紋和氣孔。

Fig.2 The macroscopic feature of cladding coatingsa—Hilbert fracta—contour offse—grating

2.2 熔覆涂層形變分析

Fig.3 Deformation of different scanning paths in z-axis directiona—Hilbert fracta—contour offse—grating

觀察試樣，3種掃描路徑在x軸和y軸方向上均沒(méi)有觀察到明顯的形變，故不考慮x軸和y軸方向上的形變量。而在z軸方向上，Hilbert分形式和輪廓偏置式掃描路徑制備的鐵基熔覆層在自然冷卻后都有不同程度的形變，形變特征都是中間凹陷，四周翹曲；而光柵式掃描路徑則幾乎沒(méi)有形變，如圖3所示。經(jīng)測(cè)量，輪廓偏置式掃描路徑在z軸上的形變量較大，達(dá)到了0.30mm。輪廓偏置式熔覆結(jié)束時(shí)的位置位于試樣的中心處，同時(shí)該處是整個(gè)試樣的最大形變點(diǎn)，這是因?yàn)槿鄹矊又行奶幍臏囟仁亲罡叩?。?dāng)激光束到達(dá)中心處后，熔覆隨即結(jié)束，溫度開(kāi)始急劇下降，產(chǎn)生較大的溫度梯度和熱應(yīng)力，導(dǎo)致基材發(fā)生較大的形變。而Hilbert分形式和光柵式在激光掃描時(shí)并沒(méi)有趨向于某一點(diǎn)，熱量相對(duì)容易分散，故沒(méi)有明顯的最大形變點(diǎn)。Hilbert分形式掃描路徑在 z軸上的形變量為0.12mm，而光柵式掃描路徑則幾乎沒(méi)有發(fā)生形變。

2.3 熔覆涂層熱應(yīng)力分析

熔覆涂層的熱應(yīng)力σth可由下式［15］判定：

式中，E為熔覆層的彈性模量；Δα為基材和材料的線膨脹系數(shù)之差；ΔT是熔覆溫度與室溫的差值；γ為泊松比。由（1）式可見(jiàn)，室溫保持不變，而熔覆溫度越高，那么ΔT就會(huì)越大，熔覆層熱應(yīng)力就會(huì)越大。

激光熔覆過(guò)程的溫度是急劇變化著的，一般很難在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接測(cè)得實(shí)時(shí)的熔覆溫度。但有相關(guān)研究表明熔池深度和溫度成正相關(guān)的關(guān)系，也就是說(shuō)溫度越高，熔池深度也越大［16］。因此通過(guò)分析熔池深度的大小，可以探究激光熔覆過(guò)程中熱應(yīng)力的分布狀況。

垂直于x軸，在熔覆層x方向上的中心處截取橫截面。沿著y軸方向分別測(cè)量熔池深度，可以得到不同掃描路徑在y方向上熔池深度的變化曲線，如圖4所示。

Fig.4 The curves of bath depth with different scanning paths

由圖4可見(jiàn)，在輪廓偏置式掃描路徑下，熔池深度曲線呈現(xiàn)單個(gè)駝峰狀，且峰值位于中心處，達(dá)到了0.75mm。這是由于隨著熔覆的進(jìn)行，熔覆一圈的周期越來(lái)越短，熔覆涂層沒(méi)有足夠的時(shí)間去分散熱量，同時(shí)熔覆涂層熱傳導(dǎo)條件不佳，導(dǎo)致熱量在中心處累積，使其溫度越來(lái)越高，熔池深度在中心處達(dá)到峰值；光柵式掃描路徑的熔池深度隨著距離增大而逐漸遞增，熔覆完成時(shí)熔池深度最大，約為0.60mm。這是由于激光束在掃過(guò)中線后，到再次返回的過(guò)程中有一個(gè)散熱的時(shí)間差，但這個(gè)時(shí)間不足以完全將熱量發(fā)散掉，會(huì)有部分熱量累積到下一道熔覆，故熔池深度隨著熔覆進(jìn)行而越來(lái)越高；而Hilbert分形式掃描路徑的熔池深度較小，在0.02mm～0.10mm之間浮動(dòng)。

結(jié)合不同掃描路徑的形變量，可以發(fā)現(xiàn)Hilbert分形式的熔池深度是最小，但其形變量卻不是最小?？傮w來(lái)看，Hilbert分形式掃描分為上下兩個(gè)部分。激光束先完成下部區(qū)域的掃描，再掃描上部區(qū)域。對(duì)于單獨(dú)一個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，Hilbert分形式可以使待熔覆區(qū)域進(jìn)行有效的預(yù)熱，減少溫度梯度，故熔池深度較小。但進(jìn)行上部區(qū)域掃描時(shí)，下部區(qū)域熔覆已經(jīng)完成并冷卻凝固了。此時(shí)上下兩個(gè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，從而仍然有一定的形變傾向。

3 結(jié) 論

（1）激光熔覆過(guò)程中熔池與其附近區(qū)域的溫度梯度和基材形變量有著正相關(guān)的關(guān)系。熔覆時(shí)，溫度梯度越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大，基材就越容易產(chǎn)生形變。

（2）輪廓偏置式和Hilbert分形式熔覆涂層質(zhì)量均不佳，或是表面不夠平整，或是中心會(huì)有凹陷，都有著較大的形變傾向，因而不適合用于割刀等薄壁件的激光熔覆；光柵式掃描路徑既可以預(yù)熱下一道單道熔覆，又有足夠時(shí)間發(fā)散多余的熱量，熔池溫度不至于過(guò)高，故所制備的熔覆涂層表面平整，且潔凈度高，且對(duì)基材的形變傾向最弱，可以滿足薄壁件激光熔覆對(duì)熔覆涂層質(zhì)量的要求。