激光熔覆鈷基合金的光學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)研究

雍耀維，趙瑞恒，張 帥，陳殿炳，鄧琦林

（1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

《中國制造2025》提出“大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，實(shí)施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進(jìn)產(chǎn)品認(rèn)定，促進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”[1]。通過再制造技術(shù)可以對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行專業(yè)化修復(fù)或升級(jí)改造，使其質(zhì)量特性達(dá)到或優(yōu)于原有新品。在諸多的再制造技術(shù)中，激光熔覆技術(shù)是典型的被逐漸廣泛采用的技術(shù)。激光熔覆是利用高能激光束在需要修復(fù)或者增強(qiáng)改進(jìn)的金屬表面生成符合要求的特殊性能的涂層技術(shù)。該技術(shù)利用高能激光束將涂覆材料全部熔化、與之接觸的基體材料熔化部分形成尺寸很小的熔池，最終以極小的稀釋率在涂覆材料和基體之間形成良好的結(jié)合。

熔覆的過程是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，熔覆層質(zhì)量取決于多種因素[2]，包括激光參數(shù)和工藝參數(shù)。激光參數(shù)如激光器種類，是氣體激光還是半導(dǎo)體激光。工藝參數(shù)有激光功率、粉末厚度、掃描速度等[2]。熔覆層的最終組織以及組織性能很大程度受限于熔覆的工藝參數(shù)。例如，有研究發(fā)現(xiàn)掃描速度對(duì)硬度的影響大于送粉量的影響[3]。還有研究發(fā)現(xiàn)，隨激光功率降低或掃描速率增加會(huì)導(dǎo)致TiC 增強(qiáng)Co 基合金熔覆層中的枝晶含量；枝晶間距增大，也使增強(qiáng)相TiC 含量顯著增加，尺寸變小，分布更均勻；在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨激光功率降低或掃描速率增加，熔覆層表層硬度增加，最高硬度為1 246.6 HV0.2，相對(duì)基體提升接近5 倍[4]。材料不同時(shí)，工藝參數(shù)同樣很重要。在7075 鋁合金表面制備Ti/TiBCN 復(fù)合涂層時(shí)，激光功率為1 000 W，掃描速度為3 mm/s，送粉率300 mg/min 時(shí)，復(fù)合涂層質(zhì)量最好[5]。不同材料也會(huì)影響熔覆層的質(zhì)量，例如在較難激光加工的青銅表面激光熔覆鎳基625 材料，激光功率比鋁合金的要大，取2 000 W。掃描速度為550 mm/s 時(shí)，可在青銅表面獲得熔覆質(zhì)量較高的625 合金涂層[6]。

而在實(shí)際生產(chǎn)中，激光熔覆層的成形不均勻、微觀裂紋、變形等諸多問題約束了激光熔覆在高精度方向的發(fā)展。目前市場以操作人員的經(jīng)驗(yàn)為主，無法形成科學(xué)的、可傳遞的系統(tǒng)的工藝方案。熔覆中熔池幾何特征參數(shù)能夠直接描述激光熔覆工藝過程的粉末吸收量、熔池內(nèi)部能量分布及冷卻速度，從而影響熔覆層幾何尺寸、微觀組織[7]和力學(xué)性能，所以對(duì)熔覆中熔池的直觀表達(dá)就顯得很重要。針對(duì)熔池，Song B 等[8]建立了激光輸入與熔池成型之間的物理模型，發(fā)現(xiàn)熔池的建立時(shí)間非常短暫而且是一個(gè)瞬態(tài)；Qi Y 等[9]通過搭建測試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LENS 過程的監(jiān)測控制，保證LENS 過程的穩(wěn)定；劉旭陽等[10]為了研究激光熔覆過程中熔池的形狀和尺寸信息，采用與激光頭同軸集成的CMOS 相機(jī)對(duì)熔池進(jìn)行拍攝，借助LabVIEW 視覺模塊的圖像采集和圖像處理功能，自主開發(fā)了一套激光熔覆熔池圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。本文針對(duì)Co 基合金的熔覆，搭建測試平臺(tái)對(duì)熔覆過程中的熔池信息進(jìn)行采集和監(jiān)測，通過OpenCV 進(jìn)行邊界提取測量，分析不同工藝參數(shù)下熔池的變化特征，為提高熔覆質(zhì)量打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

基體材料為45 鋼，實(shí)驗(yàn)前，將工件表面清潔除銹；粉末材料為Co 基合金，主要化學(xué)成分w（C）=0.6%～0.8%，w（Si）=2.0%～2.5%，w（B）=1.7%，w（Cr）=29%，w（Fe）=8%～10%，w（Ni）=13.5%，余量為Co。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用半導(dǎo)體激光器，聚焦距離約為330 mm，見圖1。實(shí)驗(yàn)中，所有的熔覆采用單向熔覆。實(shí)驗(yàn)具體運(yùn)行參數(shù)見表1。熔覆實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用線切割對(duì)其橫截面進(jìn)行剖切，然后經(jīng)過鑲樣、粗磨、拋光等標(biāo)準(zhǔn)拋樣程序后，利用5%硝酸酒精對(duì)其腐蝕，檢驗(yàn)熔覆界面形貌。稀釋率根據(jù)下式定義：

表1 預(yù)置粉末實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1 熔覆中光斑的掃描方向

式中，Di 為稀釋率，%；H 為熔覆層最大高度，mm（圖2）；h 為熔覆層的稀釋深度，mm。由于h 在一個(gè)截面中會(huì)有所變化，所以每樣從左到右，取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，然后計(jì)算其均值即為最終的稀釋深度。

圖2 激光熔覆層典型尺寸

1.2 光學(xué)檢測硬件系統(tǒng)

激光熔覆實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)主要由激光器、機(jī)械手臂、圖像采集裝置和圖像處理系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中激光熔覆系統(tǒng)見圖3。攝像頭幀數(shù)為60 幀/s，分辨率640×480。鏡頭和熔池保持較遠(yuǎn)距離，焦距為60 mm 左右，通過鏡頭光圈調(diào)節(jié)適宜的進(jìn)光量，并利用2 塊透光率為2%的衰減片改善成像，經(jīng)過不斷優(yōu)化調(diào)整熔池圖像采集裝置的各項(xiàng)參數(shù)，以便得到較為清晰的圖像，再進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理操作。實(shí)驗(yàn)過程中處理前的熔池圖像見圖4a。處理后獲取的圖像邊界見圖4b。通過編程處理后，將獲得的熔池特征參數(shù)如熔池面積、寬度和長度及時(shí)保存并繪圖。圖5 中橢圓處為不同參數(shù)下的熔池面積。

圖3 激光熔覆視覺監(jiān)測系統(tǒng)

圖4 熔池圖像

圖5 不同預(yù)置粉末厚度下通過采集系統(tǒng)得到的熔池面積

2 結(jié)果與分析

2.1 激光功率影響分析

掃描速度為80 mm/min，預(yù)置粉末厚度為1 mm時(shí)，激光熔池面積、稀釋率和熱影響區(qū)（HAZ）隨激光功率變化的趨勢見圖6。在實(shí)際熔覆過程中發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的升高，熔覆過程的飛濺現(xiàn)象減緩，而且獲得的表面也非常光滑。熔覆Co 基粉末時(shí)，熔池的幾何參數(shù)隨激光功率的升高而變大，見圖6。熔覆稀釋率隨著激光功率的升高沒有呈現(xiàn)與熔池變化規(guī)律類似的趨勢，而是從較低功率升到中間功率范圍時(shí)，稀釋率稍有增加，僅約0.1%；功率繼續(xù)上升的時(shí)候，稀釋率快速增加，增加1%左右。熱影響區(qū)深度總體呈升高趨勢。

圖6 不同功率下激光熔池面積、稀釋率和HAZ 變化

隨著激光功率的增加，基體預(yù)置的粉末吸收到的能量增加。由于兩側(cè)散熱體積大，所以相對(duì)熱梯度大，熱量向著垂直于進(jìn)給方向的兩側(cè)傳遞，使熔化區(qū)域?qū)挾仍黾?，熔池面積也不斷擴(kuò)展變大。由于激光功率與比能量（單位面積的輻照能量）成正比例關(guān)系，功率的增大使更多的熱量傳遞到熔池下的基體，熔池的攪拌和對(duì)流作用加強(qiáng)，進(jìn)而使稀釋增加，最終影響重熔后涂層的微觀組織和性能。材料對(duì)激光吸收率很低，當(dāng)功率增加后，被粉末所吸收的變化量卻很小，隨著熔覆繼續(xù)進(jìn)行，熱量積累，溫度上升，傳遞到基體的熱量略有增加，使得HAZ 和稀釋率少量增加。激光功率增加到1 800 W 時(shí)，能量主要用于熔化粉末，同時(shí)傳遞至基體，但熱量不足以熔化基體，所以HAZ 增加明顯但稀釋率幾乎不變。隨著激光功率進(jìn)一步提高，材料溫度升高，激光的吸收率也增加[11]。能量除了熔化粉末之外，更多能量輸入到基體，使稀釋率明顯增加，所以在保證熔覆質(zhì)量和熔覆效率的前提下，功率選擇1 800 W 為佳。

2.2 掃描速度對(duì)熔池和熔覆層的影響

輸入功率為1 800 W，預(yù)置粉末厚度為1 mm時(shí)，激光熔池面積、稀釋率和熱影響區(qū)（HAZ）在不同掃描速度下的變化見圖7。在實(shí)際熔覆中，速度從40 mm/min 增加到120 mm/min，熔覆過程逐漸變得穩(wěn)定，飛濺減弱。由圖7 可知，熔池面積在低速時(shí)最大，可達(dá)33.05 mm2。當(dāng)速度為80 mm/min 時(shí)，熔池面積急速減小，若速度進(jìn)一步增加，則其數(shù)值接近光斑的面積。隨著掃描速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)單位體積的材料獲得的輸入能量降低，所以被吸收熔化形成熔池的面積也隨之減小。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際熔覆過程中熔池波動(dòng)情況看，40 mm/min 時(shí)，波動(dòng)比較強(qiáng)烈，而120 mm/min 時(shí)波動(dòng)比較平穩(wěn)。這主要是因?yàn)樵谳^低的掃描速度下，激光的能量輸入太高，致使溫度過高且超過材料的汽化點(diǎn)，導(dǎo)致涂層材料中的雜質(zhì)、等離子體等飛離熔池，熔池內(nèi)金屬溶液飛濺、漂浮在熔池上表面。在對(duì)流作用下，金屬溶液留在熔池的邊緣處，呈現(xiàn)高亮度，一同被檢測元件計(jì)入到熔池面積內(nèi)，所以低速時(shí)在監(jiān)測系統(tǒng)中檢測到的數(shù)值會(huì)略大，而到達(dá)中高速時(shí)熔池面積則變化較緩。不同的掃描速度意味著不同的能量輸入。高速掃描時(shí)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)駐留時(shí)間變短，能量輸入相對(duì)減弱，熔池的溫度提升減緩，使熔池變小，熔覆區(qū)域同樣減??；而掃描速度減緩，更多的熱能輸入到基體的內(nèi)部，熱影響區(qū)（HAZ）增大，同時(shí)使稀釋率也有明顯增加。隨著掃描速度的增大，在一個(gè)區(qū)域駐留的時(shí)間相對(duì)較短，因而熱量不能大量積聚，熔池溫度比低速時(shí)降低，傳遞到基體更深處的熱量減小，所以HAZ 深度和稀釋率都較低。

圖7 不同掃描速度下激光熔池面積、稀釋率和HAZ 變化

2.3 粉末厚度對(duì)熔池和熔覆層的影響

輸入功率為1 800 W，掃描速度為80 mm/min時(shí)，激光熔池面積、稀釋率和熱影響區(qū)（HAZ）隨預(yù)置粉末厚度變化的趨勢圖見圖8。

圖8 不同鋪粉厚度下激光熔池面積、稀釋率和HAZ 變化

由圖8 可知，當(dāng)預(yù)置粉末厚度增加后，所形成熔池面積增加，而HAZ 的深度則隨著預(yù)置粉末的增加先增加后降低。檢測到的熔池面積隨著粉末厚度增加而變大，當(dāng)厚度為0.5 mm，熔池面積為27.97 mm2；粉末厚度為1 mm 時(shí)，熔池面積稍有增加，為28.17 mm2；但當(dāng)粉末厚度繼續(xù)增加到1.5 mm 時(shí)，熔池面積快速上升到29.93 mm2。隨著粉末厚度的增加，吸收熱量的顆粒數(shù)目也相應(yīng)增加。在同樣的吸收率下，激光束輻照在粉末顆粒上，總體熱量累積增加，熔池中心溫度也隨著增大，進(jìn)而溫度的升高使熔池面積增大。同時(shí)，隨著粉末厚度的增加，其熔覆層的熱影響區(qū)HAZ 呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，而稀釋率則隨著粉末厚度的增加明顯下降。

結(jié)合HAZ 和稀釋率結(jié)果分析，在粉末厚度較小時(shí)，激光輸入被粉末吸收后，除了用于熔化粉末形成熔池，很大一部分能量傳遞到基體材料上，使基體材料也被直接熔化，導(dǎo)致稀釋率很大。隨著粉末厚度增加，傳遞至基體的能量不能促使更多的基體材料熔化，所以更多熱量傳遞至基體深處，稀釋率隨之降低，但熱影響區(qū)深度增加。當(dāng)粉末厚度增加到1.5 mm時(shí)，輸入能量首先加熱粉末的上表面，上表面熔化形成熔池，然后逐漸熔化形成更大的熔池，到達(dá)基體結(jié)合面，形成冶金結(jié)合的熔覆層。傳入基體的熱量是決定熱影響區(qū)深度的主要因素，預(yù)置粉末層越厚，熔化粉末形成熔池需要的熱量就越大，傳遞到基體的熱量就會(huì)減小，因此熱影響區(qū)深度就越來越淺，相應(yīng)的稀釋率也會(huì)降低。

3 結(jié)論

通過建立可靠的激光熔覆過程監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)熔池圖像面積進(jìn)行識(shí)別。通過調(diào)整工藝參數(shù)，對(duì)熔池面積的變化規(guī)律進(jìn)行了比較，并得到以下結(jié)論：

（1）熔池面積和熱影響區(qū)深度都隨激光功率的增大而增大，而熔覆層稀釋率隨功率增大快速增加。熔覆時(shí)要保證輸入激光功率在1 800 W 為佳。

（2）掃描速度對(duì)熔池面積和熱影響區(qū)深度以及熔覆層稀釋率造成影響。熔池面積隨著掃描速度的增加逐漸減小，而熱影響區(qū)的深度隨著掃描速度增大越來越淺，熔覆層稀釋率也隨掃描速度的增大而減小。

（3）預(yù)置粉末厚度變化時(shí)，熔池的平均面積隨著粉末厚度的增加變大，而熱影響區(qū)的深度隨粉末厚度的增加變淺，熔覆層的稀釋率隨粉末厚度的增加減小。

（4）實(shí)驗(yàn)采用激光熔覆監(jiān)測系統(tǒng)可靠有效，可直觀地判別熔池大小和工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的影響，但還需在熔池大小和工藝參數(shù)之間定量分析上進(jìn)行拓展。