半導(dǎo)體激光熔覆成形過程的特征行為檢測與分析

朱明 王博 顏步云 楊騫 石玗

摘要：為檢測半導(dǎo)體激光熔覆動態(tài)成形過程，搭建了基于高速攝像的熔覆成形過程采集系統(tǒng)，進行了不同工藝參數(shù)下的半導(dǎo)體激光熔覆實驗。通過分析采集到的照片提取了該過程存在的典型特征行為，并分析了工藝參數(shù)對不同特征行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明：一個完整的熔覆成形過程存在4個典型的特征行為：①粉末粘結(jié)出現(xiàn)顆粒團聚物;②出現(xiàn)直徑較小的液態(tài)金屬小球;③直徑較小的液態(tài)金屬小球匯集形成更大尺寸的小球;④更大尺寸的小球潤濕鋪展形成熔覆金屬。激光功率的提高顯著降低了特征行為③的持續(xù)時間，離焦量增大對4個特征行為的持續(xù)時間均有提高作用，粉末粒徑大于300目時可顯著降低各特征行為的持續(xù)時間。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光;表面熔覆;成形過程;高速攝像

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.01

0 前言

半導(dǎo)體激光熔覆具有成形稀釋率低、裂紋缺陷少等優(yōu)點，逐步成為部件強化、修復(fù)的有效手段之一[1]。在工程應(yīng)用中，隨著金屬部件的表面形貌與狀態(tài)日益復(fù)雜，對激光熔覆成形的精度與質(zhì)量提出了更高的要求;同時，為了降低熔覆層打磨等后續(xù)機加工難度、縮短處理流程，要求熔覆過程由“近形”轉(zhuǎn)變?yōu)榫_成形控制[2-3]。但是，由于缺乏對熔覆成形機理及控制理論的深入研究，目前半導(dǎo)體激光熔覆只能依靠大量試驗來發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)與成形尺寸的對應(yīng)規(guī)律并制定合理的工藝規(guī)范，再結(jié)合經(jīng)驗進行現(xiàn)場判斷與優(yōu)化調(diào)整。在上述工程背景下，如何按照設(shè)計要求提高熔覆成形精度成為重大技術(shù)瓶頸。因此，從熔覆過程入手研究影響熔覆層成形質(zhì)量的內(nèi)在因素對實現(xiàn)熔覆成形質(zhì)量精確控制具有重要意義。文獻[4]研究了金屬熔體的球化規(guī)律及抑制方法，通過優(yōu)化粉體與氣氛因素可減少氧化行為并改善熔體的潤濕性。文獻[5]研究熔覆金屬對激光吸收率的動態(tài)變化行為，從熔覆金屬在激光作用下發(fā)生物態(tài)變化入手解釋了吸收率動態(tài)變化的原因。文獻[6]利用高速攝像研究了熔覆層成形過程，但由于圖像采集存在問題，得到的現(xiàn)象并不明顯。文獻[7]關(guān)于選區(qū)激光熔化的球化模型可以解釋熔覆過程中熱力行為對球化現(xiàn)象的影響規(guī)律，利用文獻[8]的靜態(tài)潤濕機制可以分析熔覆過程中金屬液滴的鋪展行為。

以上研究旨在分析熔覆金屬的球化行為及抑制球化以改善其潤濕鋪展行為，并未從成形過程片段化處理角度研究工藝參數(shù)對此過程的影響。文中利用高速攝像采集熔覆成形動態(tài)過程，提取該過程中的特征行為，并分析了工藝參數(shù)對不同特征行為的影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗選用牌號為Ni60A的自熔性合金粉末作為熔覆材料，化學(xué)成分如表1所示?；w材料選用尺寸為120 mm×80 mm×8 mm的45號鋼板，實驗前，采用機械打磨的方式去除表面氧化皮，并用丙酮去除油污后用吹風(fēng)機烘干表面。

1.2 實驗方法

實驗選用FL-DLight3 直接輸出型半導(dǎo)體激光器，光斑尺寸1 mm×3 mm，最大輸出功率1 500 W，焦距275 mm，工作波長976±10 nm。熔覆成形過程采集使用OLYMPUS i-speed3型高速攝像機和WD

105型工業(yè)顯微鏡鏡頭。為了更好地觀察成形過程，便于后期的圖像處理分析，選用波長650 mm的窄帶濾光片濾除強光，并用HSX-F300型氙燈作為輔助光源，實驗系統(tǒng)如圖1所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 熔覆成形過程特征行為提取

通過分析發(fā)現(xiàn)，一個完整的粉末顆粒從固態(tài)到形成熔覆層存在如圖2所示的特征過程：①激光作用在粉末上，粉末顆粒吸收激光能量后發(fā)生顆粒之間的相互粘結(jié)與匯集，出現(xiàn)明顯的顆粒團聚物;②激光持續(xù)作用，粉末團聚物受熱熔化，出現(xiàn)液態(tài)金屬小球;③液態(tài)金屬小球發(fā)生融合，形成更大的液態(tài)金屬小球;④大量液態(tài)金屬小球和粉末顆粒匯入激光作用中心區(qū)域，形成液態(tài)熔覆金屬鋪展在基體上，最終冷卻凝固形成熔覆層。

對上述過程中的特征行為做如下標定：①粉末顆粒之間粘結(jié)，出現(xiàn)顆粒團聚物;②出現(xiàn)直徑1.27～1.90 mm的液態(tài)金屬小球;③出現(xiàn)直徑3.80～7.25 mm的液態(tài)金屬小球，且周圍圍繞一個或多個直徑小于2.54 mm的液態(tài)金屬小球;④出現(xiàn)寬度為9.52～12.50 mm的液態(tài)金屬，如圖3所示。

2.2 工藝參數(shù)對不同特征行為影響分析

2.2.1 激光功率對特征行為的影響

在離焦量+10 mm，掃描速度2 mm/s，粉末層厚度1.5 mm，粉末平均大小300目下，研究了激光功率對不同特征行為持續(xù)時間的影響，如圖4所示?？梢钥闯?，相同激光功率下，特征行為①、②、③持續(xù)時間都存在逐漸變大的趨勢，說明在同一激光功率下完成不同特征行為所需要的時間越來越長。此外，特征行為①、②受激光功率的影響不大，而提高激光功率明顯加快了特征行為③的持續(xù)時間，說明幾個稍大球熔合的過程相比其他過程完成較慢，需要很大的能量才能加速其進行。

為解釋激光功率對不同特征行為持續(xù)時間的影響，分別提取出同一特征行為在不同激光功率相同時刻的高速攝像圖片，如圖5所示。

由圖5可知，隨著激光功率的提高，形成特征行為②的液態(tài)金屬小球數(shù)量增多，特征行為③的液態(tài)金屬小球直徑增大且特征行為④的熔覆金屬寬度逐漸提高。這是由于激光功率提高使得激光功率密度變大，粉末需要的熔化時間減少，顆粒之間由點接觸轉(zhuǎn)化為面接觸的驅(qū)動力變大，形成黏結(jié)面的速率提高，因此粉末顆粒的熔化速率加快，在相等時間內(nèi)出現(xiàn)特征行為②的液態(tài)金屬小球數(shù)量增多，液態(tài)金屬小球匯聚熔合趨勢增大且周圍形成的直徑較小的液態(tài)金屬小球也逐漸增多并持續(xù)匯入中心的液態(tài)金屬小球，最終導(dǎo)致特征行為③的小球直徑和特征行為④的熔覆金屬寬度隨激光功率的提高而增大。

2.2.2 離焦量對特征行為的影響

在激光功率1 300 W、掃描速度2 mm/s、粉末顆粒平均大小300目、粉末層厚度1.5 mm時，研究了離焦量對不同特征行為持續(xù)時間的影響，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，越靠后的過程所需時間越長。并且隨離焦量的增大，每個特征行為持續(xù)時間變長。

為解釋離焦量對不同特征行為持續(xù)時間的影響，分別提取出同一特征行為在不同離焦量相同時刻的高速攝像圖片對其進行具體分析，如圖7所示。

由圖7可知，隨正離焦量增加，特征行為②的液態(tài)金屬小球數(shù)量減少，當(dāng)正離焦量過大時，幾乎沒有特征行為②的液態(tài)金屬小球;特征行為③的液態(tài)金屬小球直徑減小;特征行為④的熔覆金屬寬度先增大后減小并趨于穩(wěn)定。這是由于隨正離焦量增大，相同光斑下同一位置處激光功率密度較小，金屬粉末吸收能量并不能立刻使粉末發(fā)生熔化形成液態(tài)金屬小球，而只能形成一層團聚物。同時，隨離焦量增大，光斑面積也相應(yīng)變大，使得激光作用區(qū)域變大，導(dǎo)致粉末團聚的寬度增加。另外，離焦量增大時，液態(tài)金屬小球發(fā)生匯聚熔合形成更大直徑的金屬球所用的時間也越長，甚至由于光斑能量分散較為嚴重，出現(xiàn)未能熔合成一個金屬球的情況，最終導(dǎo)致特征行為③的小球直徑越小和特征行為④的熔覆金屬寬度先增大后較小并趨于穩(wěn)定。

2.2.3 粉末粒徑對特征行為的影響

在激光功率1 300 W、離焦量+10 mm、掃描速度2 mm/s、粉末層厚度1.5 mm下，研究了粉末粒徑對不同特征行為持續(xù)時間的影響，如圖8所示。可以看出，粉末粒徑對特征行為也存在過程越靠后所需時間越長的規(guī)律。此外，粉末粒徑300目時，各特征行為的持續(xù)時間發(fā)生明顯變化，且粉末粒徑越小各特征行為持續(xù)的時間越短。

為解釋粉末粒徑對不同特征行為持續(xù)時間的影響，分別提取出同一特征行為在不同粉末平均粒徑相同時刻的高速攝像圖片，如圖9所示。

由圖9可知，隨著粉末粒徑的減小，形成特征行為②的液態(tài)金屬小球數(shù)量增多;特征行為③的液態(tài)金屬小球直徑變大;特征行為④的熔覆金屬寬度逐漸提高。這是由于顆粒半徑越小，本身熔化所需的能量就越少，相同位置下的粉末顆粒本身的能量很快達到熔化溫度，所以粉末顆粒越小，特征行為①的液態(tài)金屬小球數(shù)量越多。另外，粉末顆粒半徑越小，其吸收的激光能量越多，形成的液態(tài)金屬小球本身具備的能量也就越大，所以導(dǎo)致小球向外熱交換的能量也增大，影響小球周圍粉末向其匯聚的驅(qū)動能量，最終導(dǎo)致特征行為③的液態(tài)金屬小球的直徑和特征行為④的熔覆金屬寬度隨粉末粒徑的減小而增大。

2.3 典型特征行為持續(xù)時間對熔覆層成形質(zhì)量影響

各同特征行為持續(xù)時間會影響最終熔覆層成形質(zhì)量。提高特征行為①和特征行為②持續(xù)時間會導(dǎo)致特征行為③和特征行為④持續(xù)時間縮短甚至消失，導(dǎo)致特征行為②下的液態(tài)金屬小球無法匯集形成特征行為③下的液態(tài)金屬小球，最終冷卻凝固形成的熔覆層宏觀形貌如圖10a所示;通過改變工藝參數(shù)縮短特征行為①和特征行為②的持續(xù)時間會使特征行為②中的液態(tài)金屬小球匯集形成特征行為③中更大的液態(tài)金屬球后冷卻凝固形成余高和潤濕角較大的熔覆層宏觀形貌，如圖10b所示;進一步縮短特征行為①、特征行為②和特征行為③的持續(xù)時間，而提高特征行為④的持續(xù)時間，會使特征行為④下的液態(tài)金屬良好潤濕鋪展在基體上，形成的熔覆層宏觀形貌如圖10c所示。

3 結(jié)論

（1）半導(dǎo)體激光熔覆成形過程存在4個典型特征行為：①粉末顆粒之間相互粘結(jié)，出現(xiàn)顆粒團聚物;②出現(xiàn)直徑在1.27～1.90 mm的液態(tài)金屬小球;③出現(xiàn)直徑在3.80～7.25 mm的液態(tài)金屬小球;④出現(xiàn)尺寸在9.52～12.50 mm的液態(tài)金屬。

（2）特征行為①、②、③持續(xù)時間越來越長，即粉末由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)熔滴的過程對能量需求不大，而后續(xù)的液態(tài)熔滴匯集和長大對激光能量有較大要求，在能量密度較小或粉末粒徑過大的情況下進行緩慢，這將影響最終熔覆層的成形質(zhì)量。

參考文獻：

[1] Liu S，Bora T C，Stelta A A V D，et al. Friction Surface Cladding;an exploratory study of a new solid state cladding process[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015 （229）：769-784.

[2] 郭士銳，陳智君，張群莉，等. 大功率半導(dǎo)體激光表面改性 的研究進展[J]. 激光與光電子學(xué)進展，2013，50（5）：51-58.

[3] Bachmann F. Industrial applications of high power diode lasers in materials processing[J]. Applied Surface ence， 2003，208/209（5）：125-136.

[4] Ruidi Li，Jinhui Liu，Yusheng Shi. Balling behavior of stainless steel and nickel powder during selective laser melting process[J]. Int J Adv Manuf Technol.，2012（59）：10251035.

[5] Yoshimi Kizaki，Hirozumi Azuma，Satoshi Yamazaki，et al. Phenomenological Studies in Laser Cladding. Part I. TimeResolved Measurements of the Absorptivity of Metal Powder[J]. Japanese Journal of Applied Physics，1993，32（Part 1，No. 1A）：205-212.

[6] Yoshimi Kizaki，Hirozumi Azuma，Satoshi Yamazaki，et al.Phenomenological Studies in Laser Cladding. Part II. Thermometrical Experiments on the Melt Pool[J]. Japanese?Journal of Applied Physics，1993，32（Part 1，No. 1A）：213220.

[7] Oyar Perihan. Laser Sintering Technology and Balling Phenomenon[J]. Photomedicine & Laser Surgery，2017：pho.2017：4311.

[8] Gopinath M，Karmakar D P，Nath A K. Monitoring and assessment of tungsten carbide wettability in laser cladded?metal matrix composite coating using an IR pyrometer[J]. Journal of Alloys and Compounds，2017：S0925838817314640.

收稿日期：2020-05-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51805234）;甘肅省引導(dǎo)科技創(chuàng)新發(fā)展專項（2019ZX-08）;蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年人才支持計劃

作者簡介：朱 明（1984— ），男，博士，副研究員，主要從事新型焊接方法、自動化以及激光表面加工的研究。E-mail：zhumings@yeah.net。