工藝參數(shù)對熔池溫度及成形尺寸的影響

張超 姜興宇 劉傲 王永

摘 要：本文探究了工藝參數(shù)對熔池溫度和熔覆層成形高度及寬度的影響規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際工藝過程，選取激光功率作為熔池溫度控制的主要變量，為后續(xù)控制熔池溫度變量的選取以及工藝參數(shù)的選取提供了參考。試驗(yàn)結(jié)果表明：在熔池溫度上，激光功率增大，熔池溫度升高;掃描速度和送粉速率增大，熔池溫度降低。在熔池尺寸上，激光功率和送粉速度增大，熔覆層的高度和寬度分別升高;掃描速度增大，熔覆層的高度和寬度分別降低。在高度上，影響關(guān)系大小依次為送粉速率、掃描速度、激光功率;在寬度上，影響關(guān)系大小依次為激光功率、掃描速度、送粉速率。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;熔池溫度;工藝參數(shù);雙色紅外測溫儀

中圖分類號：TN249文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0019-05

Influence of Process Parameters on Temperature and Forming Size of Molten Pool

ZHANG Chao JIANG Xingyu LIU Ao WANG Yong

（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： In this paper， the influence of process parameters on the temperature of molten pool and the forming height and width of cladding layer was explored. Combined with the actual process， the laser power was selected as the main variable of molten pool temperature control， which provides a reference for the selection of subsequent control variables of molten pool temperature and process parameters. The results showed that the temperature of molten pool decreases with the increase of laser power， and increases with the increase of scanning speed and powder feeding rate; The results showed that the height and width of cladding layer increase with the increase of laser power and powder feeding speed， while the height and width of cladding layer decrease with the increase of scanning speed; In height， the order of influence is powder feeding rate， scanning speed and laser power; In width， the order of influence is laser power， scanning speed and powder feeding rate.

Keywords： laser cladding;molten pool temperature;process parameters;infrared thermometer

激光熔覆是利用具有高能量、高密度的激光束射入基體，在基體表面形成熔池，實(shí)現(xiàn)材料與基板之間的冶金結(jié)合。激光熔覆已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、冶金制造、航空航天等領(lǐng)域[1-3]。激光熔覆成形試件是以單道單層熔覆層為基礎(chǔ)進(jìn)行不斷累加最終制造成一種規(guī)則的試件，也就是說，單道單層熔覆層是組成激光熔覆成形件的基本單元。因此，在進(jìn)行激光熔覆之前，選擇合適的工藝參數(shù)對最終成形件的質(zhì)量具有重要影響。同時(shí)，熔池內(nèi)部溫度也影響激光熔覆最終的成形質(zhì)量[4-5]。準(zhǔn)確地揭示工藝參數(shù)與熔覆層尺寸精度和熔池溫度之間的關(guān)系，可為熔池溫度反饋控制以及成形工藝參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

基于此，本文搭建激光熔覆測溫系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)和開展了單道單層熔覆成形試驗(yàn)。利用雙色紅外測溫儀測量熔池溫度，并結(jié)合激光熔覆過程中對熔池溫度控制實(shí)施的難易程度，選擇合適的工藝參數(shù)作為熔池溫度控制系統(tǒng)的主要變量，為熔池溫度閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變量的選取提供理論依據(jù)。同時(shí)，分析工藝參數(shù)對熔覆層形貌影響的規(guī)律及主次因素，為激光熔覆過程工藝參數(shù)的選取提供參考。

1 激光熔覆成形試驗(yàn)條件

圖1為激光熔覆測溫系統(tǒng)，主要設(shè)備包括YLR-1000型光纖激光器、VMC1100P型機(jī)床主體、RC-CAM型快速成型軟件以及數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建的激光熔覆成形系統(tǒng)。其中，激光器的功率輸出為0～1 000 W，送粉方式為同軸四路光內(nèi)送粉;熔池溫度測量采用STRONG-GR-4020型雙色紅外測溫儀，量程為400～2 200 ℃;選擇熔池溫度輸出方式為RS485輸出，利用485轉(zhuǎn)換器將溫度信息傳送至工控機(jī)中;試驗(yàn)用基體材料為200 mm×200 mm×10 mm的45鋼板基板，試驗(yàn)粉末采用304鐵基自融性合金粉末。

2 工藝參數(shù)對熔池溫度的影響

熔池溫度是影響熔覆最終成形質(zhì)量的主要因素之一，因此，有必要了解加工過程中參數(shù)對熔池溫度的影響。

2.1 激光功率對熔池溫度的影響

設(shè)定單道單層熔覆長度為50 mm，激光功率（P）分別取550、750、950 W，掃描速度為480 mm/min，送粉速率為13 g/min。熔池溫度曲線變化如圖2所示。

從圖2可知，熔池的溫度隨激光功率的增大而增大。具體來說，激光功率由500 W逐漸增加至950 W時(shí)，熔池溫度的最大值由1 410 ℃逐漸增加至1 543 ℃;最小值由1 285 ℃逐漸增加至1 377 ℃;平均值由1 379 ℃逐漸增加至1 515.18 ℃，呈現(xiàn)出較好的單調(diào)遞增現(xiàn)象。這主要是因?yàn)槿鄢販囟扰c激光能量呈正相關(guān)變化，在熔覆過程中，輸入熔池的激光能量越大，熔池的溫度會越高?；诟鱾€采樣點(diǎn)熔池的溫度，采用比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）算法，改變激光功率，進(jìn)而控制熔池溫度具有一定的可行性，因此，可以將激光功率作為激光熔覆過程中控制熔池溫度的主要變量。

2.2 掃描速度對熔池溫度的影響

設(shè)定單道單層熔覆長度為50 mm，掃描速度（F）分別取380、480、580 mm/min，激光功率為750 W，送粉速率為13 g/min。熔池溫度曲線變化如圖3所示。

從圖3可知，熔池溫度隨著掃描速度的增加隨之降低。這主要是因?yàn)閽呙杷俣仍黾雍螅谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的能量相應(yīng)減少，熔池的溫度隨之降低，最終可能因?yàn)閽呙杷俣冗^大，導(dǎo)致熔覆層無法形成。在實(shí)際成形試驗(yàn)過程中，可以考慮在熔覆路徑末端與拐點(diǎn)處通過掃描速度變速來補(bǔ)償熔池單位時(shí)間能量的輸入，但這增加了熔池溫度控制難度。因此，不能將掃描速度作為控制激光熔覆熔池溫度的主要變量。

2.3 送粉速率對熔池溫度的影響

設(shè)定單道單層熔覆長度為50 mm，送粉送率分別取5、9、13 g/min，激光功率為750 W，掃描速度為480 mm/min。熔池溫度變化如圖4所示。

從圖4可知，熔池溫度隨著送粉速率的增加隨之降低。通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔覆材料粉末在進(jìn)入熔池時(shí)會吸收激光的大部分能量，熔池的溫度隨之降低;同時(shí)，在輸出控制信號傳達(dá)到送粉器后，需要經(jīng)過一定時(shí)間才能有粉末噴出。因此，不能將送粉速率作為控制激光熔覆熔池溫度的主要變量。

通過試驗(yàn)分析各個參數(shù)對熔池溫度的影響，并結(jié)合在激光熔覆過程中對熔池溫度控制實(shí)施的難易程度，選擇激光功率作為控制激光熔覆過程中熔池溫度的主要變量。控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測量得到的熔池溫度調(diào)節(jié)激光功率，確保熔池溫度的穩(wěn)定性，獲得成形質(zhì)量較好的成形件，達(dá)到控形的目的。

3 工藝參數(shù)對形貌尺寸的影響

為了使熔覆成形后的熔覆寬度以及高度更加一致，保證成形狀態(tài)良好，需要研究工藝參數(shù)對形貌尺寸的影響。

3.1 激光功率對熔覆層形貌尺寸的影響

設(shè)計(jì)激光功率對熔覆層形貌尺寸影響的分析實(shí)驗(yàn)，采用游標(biāo)卡尺對熔覆層高度和寬度進(jìn)行測量，并統(tǒng)計(jì)、記錄結(jié)果。參數(shù)及試驗(yàn)測量結(jié)果如表1所示。同時(shí)，利用Origin軟件繪制影響關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。

從表1和圖5（a）可知，單道單層熔覆層高度與激光功率呈正相關(guān)，且增加速率逐漸減小。這主要是因?yàn)殡S著激光功率的增加，激光輸入能量變大，粉末利用率變大，導(dǎo)致高度增大，但送粉量是一定的，當(dāng)激光功率增加到一定值時(shí)，受送粉量定值的影響，熔池內(nèi)粉末的利用率接近飽和狀態(tài)，導(dǎo)致增加速率變小。

從表1和圖5（b）可知，單道單層熔覆層寬度與激光功率呈正相關(guān)。這主要是因?yàn)榧す廨斎氲哪芰孔兇?，造成熔池尺寸變大，寬度變大。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率大于900 W時(shí)，寬度增加速率變大，這主要是因?yàn)榧す廨斎肽芰吭黾拥揭欢ㄖ禃r(shí)，熔池存在的時(shí)間變長，寬度增加量也隨之變大。

3.2 掃描速度對熔覆層形貌尺寸的影響

設(shè)計(jì)掃描速度對熔覆層的形貌尺寸影響的分析試驗(yàn)，采用游標(biāo)卡尺對熔覆層高度和寬度進(jìn)行測量，并統(tǒng)計(jì)、記錄結(jié)果。參數(shù)及試驗(yàn)測量結(jié)果如表2所示。同時(shí)，利用Origin軟件繪制其影響關(guān)系圖，如圖6所示。

從表2和圖6（a）可知，單道單層熔覆層高度隨著掃描速度的增大而減小。主要原因是：在此情況下，激光與熔覆材料之間的接觸時(shí)間變短，激光快速走到下一個作用點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)入熔池的粉末量減少，導(dǎo)致熔覆層高度減小。

從表2和圖6（b）可知，單道單層熔覆層寬度隨著掃描速度的增大而減小。主要原因是：隨著掃描速度增加，激光能量在基板上存在的時(shí)間縮短，造成熔池存在的時(shí)間變短，從而導(dǎo)致熔覆層寬度減小。

3.3 送粉速率對熔覆層形貌尺寸的影響

設(shè)計(jì)送粉速率對熔覆層的形貌尺寸影響的分析試驗(yàn)，采用游標(biāo)卡尺對熔覆層高度和寬度進(jìn)行測量，并統(tǒng)計(jì)、記錄結(jié)果。參數(shù)及試驗(yàn)測量結(jié)果如表3所示。同時(shí)，利用Origin軟件繪制其影響關(guān)系圖，如圖7所示。

從表3和圖7（a）（b）可知，單道單層熔覆層高度和寬度均隨送粉速率的增大而增大。主要原因是：在單位時(shí)間內(nèi)，送粉量增大，進(jìn)入熔池內(nèi)的粉末增多，造成粉末累積，導(dǎo)致高度與寬度均增加。但是，隨著送粉量不斷增大，熔池會達(dá)到一種飽和狀態(tài)，最終使熔覆層寬度增加的速率逐漸減小。

3.4 工藝參數(shù)對熔覆層形貌尺寸的綜合影響

在實(shí)際熔覆中，各參數(shù)均對結(jié)果有所影響，因此，利用正交試驗(yàn)尋找其影響關(guān)系，對熔覆層高度和寬度進(jìn)行測量、統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)測量結(jié)果如表4所示，其影響關(guān)系如圖8所示。

從表4和圖8（a）可知，在高度方面，影響關(guān)系大小依次為：送粉速率、掃描速度、激光功率。從表4和圖8（b）可知，在寬度方面，影響關(guān)系大小依次為：激光功率、掃描速度、送粉速率。

4 結(jié)論

①在熔池溫度上，激光功率增大，熔池溫度升高，掃描速度和送粉速率增大，熔池溫度降低。從控制熔池溫度的角度出發(fā)，結(jié)合對熔池溫度控制過程中實(shí)施的難易程度，可選擇激光功率作為激光熔覆熔池溫度控制的主要控制變量。

②在熔覆層形貌上，激光功率和送粉速度增大，熔覆層的高度和寬度分別升高;掃描速度增大，熔覆層的高度和寬度分別降低。同時(shí)，在熔覆層高度上，影響關(guān)系大小依次為：送粉速率、掃描速度、激光功率;在熔覆層寬度上，影響關(guān)系大小依次為：激光功率、掃描速度、送粉速率。

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