光絲耦合及工藝參數(shù)對(duì)激光填絲熔覆層成形特征的影響

伏文如 蘇國(guó)興 石玗 李廣 甘有祎 王雄

摘要：基于激光填絲熔覆不同工藝參數(shù)對(duì)Q235鋼熔覆層成形的影響，通過(guò)高速攝像系統(tǒng)拍攝了不同工藝參數(shù)下絲材的熔入過(guò)程，并分析了熔覆層形貌及橫截面，得出了絲材與激光斑點(diǎn)相對(duì)位置、激光功率、熔覆速度和送絲速度對(duì)熔覆層成形的影響。結(jié)果表明：（1）絲材與激光斑點(diǎn)相對(duì)位置是影響絲材熔入行為和熔覆層成形好壞的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用前置送絲，激光束與絲材部分重疊，送絲角度介于40°～70°時(shí)，熔覆過(guò)程穩(wěn)定且成形最好。（2）激光功率增大時(shí)，熔池尺寸增大，熔覆層寬度增加，余高減小。熔覆速度變大時(shí)，熔池凝固速度變快，從而使液橋變窄，熔覆層寬度和熔深減小、余高增大。送絲速度增大時(shí)，熔覆層熔深減小、余高增大。

關(guān)鍵詞：激光填絲熔覆;熔覆層成形;熔入過(guò)程;橫截面特征

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0030-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.05

0 前言

激光熔覆形成的熔覆層結(jié)合力強(qiáng)，可以顯著改善基體表面的耐蝕、耐磨、抗氧化性能，并避免材料的不必要浪費(fèi)，適合材料表面改性和修復(fù)需求，近年來(lái)在汽車(chē)制造、電子工業(yè)、航空航天、船舶重工等領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊[1-4]。激光熔覆根據(jù)填充金屬狀態(tài)分為填充粉末的激光粉末熔覆和填充絲材的激光填絲熔覆，激光粉末熔覆由于可以自由選擇不同的材料配比被國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量研究，但在熔覆過(guò)程中存在粉末利用率較低、工作環(huán)境差、熔覆層易產(chǎn)生微裂紋等缺陷。與前者相比，激光填絲熔覆具有以下特點(diǎn)：（1）絲材組織致密，使熔覆層表面光滑且沒(méi)有孔隙、夾雜等缺陷;（2）絲材的利用率是粉末的4～5倍;（3）避免了特殊場(chǎng)合的粉塵污染[5]。近年來(lái)激光填絲熔覆受到了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。

Peng Wen[6]通過(guò)在FV520B馬氏體析出硬化不銹鋼上激光熔覆ER410NiMo，優(yōu)化了送絲速度和預(yù)熱電流，使送絲穩(wěn)定，從而保證單道熔覆的成形質(zhì)量。李凱斌[7]等人研究了光纖激光器在不銹鋼表面進(jìn)行側(cè)向送絲熔覆修復(fù)過(guò)程，得出激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形貌的影響并確定了合適的多道搭接率取值范圍。Xiang Xu[8]等人對(duì)316L表面熔覆Inconel 625合金后的表面硬度、拉伸性能和抗腐蝕性能進(jìn)行了研究。上述研究主要集中在優(yōu)化各種工藝參數(shù)及熔覆層性能方面，對(duì)各種工藝參數(shù)下絲材熔化過(guò)程、液態(tài)金屬的過(guò)渡研究較少。

文中使用大光斑半導(dǎo)體激光在Q235鋼板上進(jìn)行激光填絲熔覆，通過(guò)高速攝像拍攝了各工藝參數(shù)下絲材熔化過(guò)程和液態(tài)金屬過(guò)渡形式，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆成形的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基材選用Q235板材，試樣尺寸100 mm×70 mm×4 mm。絲材選用E501T-1 低合金鋼藥芯焊絲。焊絲成分如表1所示，藥芯焊絲可以方便地通過(guò)調(diào)節(jié)成分來(lái)改變?nèi)鄹矊有阅堋?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

選用FL-DLight-1500 半導(dǎo)體激光器，光源參數(shù)如表2所示，光斑尺寸3 mm×1 mm。試驗(yàn)中絲材寬度為1.2 mm，相比于傳統(tǒng)的CO2和YAG激光器降低了對(duì)光絲耦合精度的要求。高速攝像系統(tǒng)使用Olympus i-Speed 3高速攝像機(jī)，選用波長(zhǎng)為 680 nm 的濾光片，高速攝像分辨率為 350×250，拍攝速率1 000幀/s，為提高清晰度，使用HSX-F300作為輔助光源。送絲系統(tǒng)使用改裝的華意隆SB-10送絲機(jī)，速度范圍為0～5 m/min。為避免熔覆層氧化，使用送氣裝置側(cè)吹氬氣進(jìn)行保護(hù)，氣體流量5 L/min。其他工藝參數(shù)預(yù)設(shè)如下：離焦量為0時(shí)激光光斑尺寸為3 mm×1 mm，絲材直徑1.2 mm，絲材干伸長(zhǎng)5 mm，絲材端部距母材表面距離3 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絲材與激光斑點(diǎn)相對(duì)位置對(duì)熔覆層成形的影響

2.1.1 送絲方式對(duì)熔覆層成形的影響

不同送絲方式以及不同送絲方式下熔覆層形貌及橫截面分別如圖1、圖2所示?？梢钥闯?，前置送絲時(shí)，熔覆層成型良好、表面光滑、無(wú)夾雜和氣孔等缺陷。此時(shí)大量的金屬蒸汽被保護(hù)氣體推向絲材對(duì)其預(yù)熱，從而增強(qiáng)了對(duì)激光熱量的吸收率，絲材在激光熱量和金屬蒸汽熱輻射共同作用下熔化充分。在相同工藝參數(shù)下后置送絲時(shí)，熔覆層表面出現(xiàn)了明顯的不連續(xù)層和凹槽等缺陷。此時(shí)，絲材在熔池?zé)醾鲗?dǎo)和金屬蒸汽熱輻射作用下不能充分熔化。隨著熔池的快速凝固造成粘絲，絲材也會(huì)在熔池的拖動(dòng)下受力彎曲偏離激光光斑，造成駐絲、堆絲，導(dǎo)致熔覆層形成明顯的凹槽等缺陷。

2.1.2 光絲間距（DX）對(duì)熔覆層成形的影響

光絲間距DX是指絲材端部中軸線與工件接觸點(diǎn)相對(duì)于激光光斑中心點(diǎn)之間在焊接方向上的距離。不同光絲間距下絲材的熔入過(guò)程和熔覆層形貌分別如圖3、圖4所示。針對(duì)光絲間距在-1～0.5 mm變化時(shí)熔覆層成形形貌進(jìn)行研究，其他工藝參數(shù)為：激光功率 1 500 W，焊接速度 120 mm/min，采用前置送絲且送絲速度保持1 m/min 穩(wěn)定不變。

當(dāng)Dx=-1 mm時(shí)，熔覆層熔深小且表面呈顆粒狀。這種情況下絲材完全遮擋激光束，母材表面接受激光能量很少，熔深很小;同時(shí)，絲材在激光束的直接作用下快速熔化形成熔滴，開(kāi)始時(shí)熔滴較小，無(wú)法與熔池接觸形成液橋過(guò)渡，只能附著在絲材端部。隨著絲材的送進(jìn)，熔滴快速長(zhǎng)大，在重力作用下以大滴狀滴落到熔池中，來(lái)不及充分鋪展快速凝固形成疤狀。

當(dāng)Dx=-0.5 mm或Dx=0 mm時(shí)，此時(shí)激光束與絲材部分重疊，作用在母材表面的激光熱量增大，所以熔深增大。絲材在激光作用下完全熔化形成熔滴，光絲間距使熔滴與熔池之間距離變小，熔滴能夠與熔池接觸形成液橋，液態(tài)金屬沿液橋流入熔池。激光束與絲材部分重疊時(shí)，在很寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)絲材均能完全熔化形成穩(wěn)定的液橋過(guò)渡，液橋過(guò)渡時(shí)熔滴對(duì)熔池的沖擊作用小且能充分鋪展，所以熔覆層表面均勻成形質(zhì)量好。

當(dāng)Dx=0.5 mm時(shí)，激光束與絲材完全分離，激光熱量幾乎全部作用在母材上。當(dāng)送絲速度較大時(shí)，絲材無(wú)法完全熔化，熔覆過(guò)程無(wú)法進(jìn)行;當(dāng)送絲速度較小時(shí)，絲材端部在金屬蒸汽熱輻射作用下熔化或者絲材進(jìn)入熔池在熔池?zé)醾鲗?dǎo)作用下熔化鋪展。由于過(guò)渡到熔池中的金屬體積很小，所以熔覆層表面魚(yú)鱗紋粗大，余高很小，類(lèi)似于自熔焊;激光熱量幾乎全部作用在母材上，熔深較大。

2.1.3 送絲角度對(duì)熔覆層成形的影響

送絲角度示意如圖5所示，送絲角度為α，將送絲速度vf分解為與激光入射方向垂直的速度vfx和平行的速度vfy，可得

vfx=vfcos（α-15°）

vfy=vfsin（α-15°）

vfx通過(guò)改變單位時(shí)間內(nèi)絲材的熔化量影響絲材對(duì)激光熱量的吸收率，平行于激光束的分速度vfy決定過(guò)渡到熔池的液態(tài)金屬對(duì)熔池的沖擊和攪拌作用。不同送絲角度下絲材熔入過(guò)程如圖6所示。送絲角度較小時(shí)（α=30°），絲材沿與激光入射方向垂直的送進(jìn)分速度vfx較大，作用于單位長(zhǎng)度絲材上的激光能量相對(duì)較少，絲材熔化不充分，熔覆過(guò)程不穩(wěn)定，熔覆層表面魚(yú)鱗紋粗大且易出現(xiàn)咬邊等缺陷。隨著送絲角度的增大，vfx減小而vfy增大，單位長(zhǎng)度絲材吸收的激光能量增多，絲材能夠完全熔化，液態(tài)金屬在重力、表面張力和保護(hù)氣體吹力作用下以液橋過(guò)渡的方式過(guò)渡到熔池中，熔覆過(guò)程穩(wěn)定且熔覆層表面均勻、成形質(zhì)量好，如圖7b、7c所示。送絲角度繼續(xù)增大（α=75°），沿激光束的照射方向受激光照射的絲材變長(zhǎng)，且絲材吸收激光能量增加使傳輸?shù)侥覆牡募す饽芰拷档?，絲材熔化不充分，如圖7d所示;同時(shí)，送絲角度增大時(shí)，vfy增大且絲材熔化形成的液態(tài)金屬到熔池的距離變大，液態(tài)金屬過(guò)渡時(shí)對(duì)熔池的沖擊作用變強(qiáng)，熔覆過(guò)程不穩(wěn)定，熔覆層表面高低波動(dòng)明顯。所以，當(dāng)送絲角度介于40°～70°時(shí)，熔覆過(guò)程穩(wěn)定且熔覆層成形質(zhì)量好。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形形貌的影響

前面討論了絲材與激光斑點(diǎn)相對(duì)位置對(duì)熔覆層成形形貌的影響，下面將在最優(yōu)位置關(guān)系（前置送絲，Dx=0 mm，送絲角度45°）下探討工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形形貌的影響。

2.2.1 激光功率對(duì)熔覆層成形形貌的影響

不同激光功率（800～1 500 W）下絲材的熔入過(guò)程和熔覆層形貌及橫截面特征分別如圖8、圖9所示。當(dāng)P=800 W時(shí)，由于激光功率較小，絲材在激光熱量的作用下熔化不充分，且母材表面的激光熱量無(wú)法使母材熔化，未形成熔池，且熔化了的絲材在母材表面冷卻速度快不能充分鋪展與母材形成粘連，熔覆層寬度較小、余高較大且在內(nèi)部出現(xiàn)熔合不良等缺陷。隨著激光功率的增大（P=1 000 W），母材表面開(kāi)始熔化形成熔池，但激光熱量依然無(wú)法完全熔化絲材，隨著絲材的送進(jìn)，絲材未熔化部分插入熔池并在熔池?zé)醾鲗?dǎo)作用下充分熔化鋪展形成熔覆層;該情況下所形成熔覆層的成形質(zhì)量與焊接速度緊密相關(guān)：焊速較小時(shí)，激光熱量對(duì)母材以及熔池對(duì)絲材的熱作用都比較充分，形成的熔覆層質(zhì)量較好，焊速較大時(shí)，插入熔池的絲材由于熱作用不充分依然熔化困難，熔覆層表面出現(xiàn)凹槽、熔覆層內(nèi)部出現(xiàn)未熔合等缺陷。當(dāng)激光功率較大時(shí)（P>1 000 W），絲材在激光熱量作用下完全熔化，根據(jù)光絲間距、送絲速度、絲材端部距母材表面之間的距離，液態(tài)金屬在重力、表面張力、保護(hù)氣體吹力的共同作用下以液橋過(guò)渡的方式過(guò)渡到熔池中;且激光功率增大，熔化金屬體積增多，對(duì)激光的吸收率顯著提高，在金屬蒸汽膨脹壓力的作用下熔池向下凹陷，熔池尺寸和熔深均增大，過(guò)渡到熔池中的液態(tài)金屬與熔池作用更加充分，熔覆層成形質(zhì)量更好。

2.2.2 焊接速度對(duì)熔覆層成形形貌的影響

不同焊接速度下絲材的熔入過(guò)程和熔覆層形貌及橫截面特征分別如圖10、圖11所示。由2.1.2節(jié)討論可知，在最優(yōu)位置關(guān)系下（光絲間距0 mm），一部分激光熱量加熱熔化絲材，另一部分激光熱量作用于母材形成熔池，激光熱量是熔化絲材的主導(dǎo)熱量。在激光功率1 500 W下，隨著焊接速度的變化，絲材的熔化機(jī)制幾乎不受影響，絲材在激光熱量和金屬蒸汽熱輻射作用下充分熔化以液橋形式過(guò)渡到熔池中。焊接速度越小，單位時(shí)間內(nèi)過(guò)渡到熔池中的液態(tài)金屬體積越大，液橋越寬（見(jiàn)圖10）。焊速主要影響母材的熔化和液態(tài)金屬在熔池中的鋪展，焊速較小時(shí)，母材獲得的熱輸入相對(duì)增大，母材熔化形成的液態(tài)金屬體積大、吸收的激光熱量多，在熱傳導(dǎo)的作用下熔池尺寸增大，且熔池因熱量高而存在的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且凝固緩慢，過(guò)渡到熔池中的液態(tài)金屬和熔池相互作用充分且鋪展良好，熔覆層寬度和熔深大而余高?。ㄒ?jiàn)圖11a、11b）;隨著焊接速度的增大，作用在母材上的焊接熱輸入減小，熔池尺寸減小且凝固速度加快，過(guò)渡到熔池中的液態(tài)金屬在熔池中作用鋪展不充分，使得熔覆層熔寬和熔深減小、余高增大（見(jiàn)圖11c～11e）。

2.2.3 送絲速度對(duì)熔覆層成形形貌的影響

不同送絲速度下絲材熔入過(guò)程和熔覆層形貌及橫截面分別如圖12、圖13所示。送絲速度很小時(shí)，由于過(guò)渡到熔池中的液態(tài)金屬量不足，熔池中合金元素的燒損得不到有效補(bǔ)充，熔覆層類(lèi)似于自熔焊，表面易出現(xiàn)下塌、咬邊等缺陷（見(jiàn)圖13a）。送絲速度較小時(shí)（vf≤1.8 m/min），送進(jìn)的絲材在激光熱量作用下能夠完全熔化后通過(guò)液橋過(guò)渡到熔池中，熔覆過(guò)程穩(wěn)定。送絲速度小，單位時(shí)間送進(jìn)的絲材長(zhǎng)度較小，單位長(zhǎng)度絲材接收到的激光熱量大，絲材被快速充分熔化且液態(tài)金屬的溫度顯著升高，對(duì)激光的吸收率增大，由于送絲速度較小，過(guò)渡到熔池的液態(tài)金屬體積小且在熔池中充分鋪展，熔覆層的熔寬和熔深較大、余高小（見(jiàn)圖13a～13d）;送絲速度過(guò)大（vf≥2.0 m/min）時(shí)，激光熱量不足以熔化絲材（見(jiàn)圖12f），未熔化的部分絲材插入熔池受到母材的阻礙作用，熔覆層表面出現(xiàn)未熔合（見(jiàn)圖13f）。試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際送絲速度小于設(shè)定值，絲材無(wú)法及時(shí)完全熔化導(dǎo)致絲材指向性變差，熔覆過(guò)程不穩(wěn)定且易造成夾雜、熔合不良等缺陷。

3 結(jié)論

（1）送絲方式及絲材與激光斑點(diǎn)的相對(duì)位置是影響絲材熔入行為和熔覆層成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用前置送絲方式，激光束與絲材部分重疊，送絲角度介于40°～70°時(shí)，能夠在很寬的工藝范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的液橋過(guò)渡，熔覆過(guò)程穩(wěn)定且熔覆層表面成形均勻光滑，無(wú)明顯缺陷。

（2）在優(yōu)化了絲材與激光斑點(diǎn)相對(duì)位置（前置送絲，Dx=0 mm，送絲角度為45°）后，研究了激光功率、焊接速度和送絲速度等工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形形貌的影響。隨著激光功率的增大，熔池尺寸增大，熔覆層寬度增大，余高減小。焊接速度主要影響熔池冷卻速度和液橋過(guò)渡時(shí)的液橋?qū)挾?。焊速越大，熔池凝固速度越快，液橋變窄，熔覆層寬度和熔深減小、余高增大。送絲速度越大，熔化絲材所需的熱量越大，傳輸?shù)侥覆牡募す鉄崃繙p少，使熔覆層熔深減小余高增大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳影，劉艷，陳文靜，等. 超高速激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J]. 電焊機(jī)，2020，50（3）：1-10.

[2] 辛先峰，董闖，龐廠，等. 涂層和薄膜態(tài)準(zhǔn)晶材料的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 表面技術(shù)，2020，49（5）：19-25.

[3] Kathuria Y P. Some aspects of laser surface cladding in theturbine industry[J]. Surface & Coatings Technology，2000，132（2）：262-269.

[4] 周建忠，劉會(huì)霞. 激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5] 尹研，王勻，許楨英，等. 基于激光填絲熔覆的Cr12MoV模具修復(fù)及性能表征[J]. 表面技術(shù)，2019，48（11）：312-319.

[6] Peng Wen. Formation quality optimization of laser hot wirecladding for repairing mart[J]. Optics & Laser Technology，2015（65）：180-188.

[7] 李凱斌，李東，劉東宇，等. 光纖激光送絲熔覆修復(fù)工藝研究[J]. 中國(guó)激光，2014，41（11）：1-6.

[8] Xiang Xu，MI Gaoyang，XIONG Lingda，et al. Morpholog-ies，microstructures and properties of TiC particle reinfo-rced Inconel 625 coatings obtained by laser cladding withwire[J]. Journal of Alloys and Compounds，2018，740（5）：16-27.