激光同軸送粉增材制造粉末束流關鍵特征表征與分析

徐富家，楊義成,2,3，雷振，黃瑞生，李榮，張彥東

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028；2.中國機械科學研究總院集團有限公司,北京,100044；3.北京科技大學,北京,100083)

0 序言

激光同軸送粉增材制造技術作為大型關鍵金屬構件高質量直接沉積制造不可或缺的主流工藝方法，制造過程涉及復雜的多因素[1-2]、多流場之間的相互耦合，深刻理解工藝涉及到的關鍵工藝過程并加以控制，是優(yōu)化和促進該技術進一步發(fā)展的基礎[3-4].相關研究表明，粉末束流粉末從環(huán)形同軸噴嘴送出后，其空間分布特征，即粉末束流的匯聚性會直接影響到熔覆層的尺寸特征，進而對增材制造效率和構件的成形質量產(chǎn)生重要影響[5-6].粉末束流是由氣體和固體粉末顆粒組成的氣-固兩相流，將匯聚后的粉末束流精準、可控、穩(wěn)定的送進激光輻照所形成的液態(tài)熔池中，是實現(xiàn)該制造方法高精度、高質量和批量化生產(chǎn)的先決條件.

粉末顆粒從環(huán)形噴嘴送出后，先匯聚再發(fā)散，在空間上是一種離散的三維軸對稱結構，常規(guī)的檢測方法很難精準獲取粉末束流的關鍵特征，并給出合理評價，這為激光同軸送粉增材制造技術關鍵過程的全面認識和全流程調控增加了難度.實現(xiàn)對粉末束流關鍵特征的識別與調控已成為當前學術界和工業(yè)界共同關注的熱點問題，也是該技術走向批量化生產(chǎn)亟需解決的關鍵難題之一[7].目前關于激光同軸送粉增材制造相關的研究多集中在成形件尺寸精度及組織、性能等方面[8-9]，關于零部件加工過程中粉末束流關鍵特征表征與調控相關的研究涉及較少[10]，迄今為止仍缺乏系統(tǒng)性認識.為了實現(xiàn)對粉末束流關鍵特征的分析，相關研究人員嘗試利用灰度表征法分析粉末束流的關鍵特征，并對灰度表征法的可行性進行了詳細論證，但對粉末束流匯聚性相關的研究未有涉及[11].數(shù)值模擬作為一種重要分析方法，近年來在粉末束流關鍵特征分析方面也發(fā)揮了重要作用[12-14].

基于已經(jīng)構建的激光同軸送粉增材制造用粉末束流表征體系，以粉末束流的焦距和有效粉斑直徑為研究對象，詳盡分析載氣、同軸保護氣、送粉速率對粉末束流關鍵特征的影響規(guī)律，在加深對粉末束流認識基礎上，為粉末束流的調控提供依據(jù)，進而對激光同軸送粉增材制造工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐.

1 試驗方法

采用同向增效瞬態(tài)成像技術，將亮度均勻的背景光源和高速攝像機以較小的角度直射粉末束流，使粉末顆粒反射光盡可能多、且分布均勻的進入到CCD 內部，提高背景和粉末束流之間的亮度差異.同時采用高分辨率高速攝像機，提高時空分辨率，更加精準的捕獲粉末束流的實時狀態(tài)，拍攝方法及效果如圖1 所示.

圖1 試驗用設備布置示意圖Fig.1 Schematic of equipment used for measuring the attenuation between laser and powders

試驗用粉末顆粒為氣霧化法制備的08Cr19Mn6-Ni3Cu2N 不銹鋼球形粉末.其原始粒度介于45～100 μm 之間.送粉器為德國GTV 公司生產(chǎn)的雙料斗載氣式送粉器，型號為MF-PF2/2，送粉熔覆頭為德國Fraunhofer 公司生產(chǎn)的高精度同軸環(huán)形噴嘴，型號為COAX-40-S/F，粉末束流的理論焦點位置為6.8 mm.高速攝像拍攝幀數(shù)為100 fps.

借助圖像灰度處理技術，獲取每一幀圖像對應像素點的灰度值，定量表征粉末束流在不同空間位置處濃度分布特點.粉末束流沿噴嘴中軸線方向呈環(huán)形對稱分布特征，在該方向上灰度值最高區(qū)域即為粉末束流焦點位置，該位置同送粉噴嘴末端之間的距離稱之為焦距，沿著焦點位置的橫截面進行灰度值分析即可獲得焦點位置處的粉斑直徑以及粉末束流的濃度分布特征，其效果如圖2 所示.

圖2 粉末束流焦距及焦距位置處的濃度分布特征Fig.2 Schematic of focal length and the concentration distribution characteristics at the focal position of the powder beam

對焦點位置粉末束流的空間濃度分布特征進行分析，如圖3 所示.利用高斯方程對圖3a 中焦點位置處的灰度分布實際曲線對應的數(shù)據(jù)做多元非線性回歸分析，得到相應的擬合曲線，如圖3b 所示.高斯方程如式(1)所示.

圖3 焦點位置灰度數(shù)據(jù)擬合處理Fig.3 Schematic of equipment used for measuring the attenuation between laser and powders.(a)actual curve;(b) fitting curve

式中：y表示不同位置處灰度值大??；y0表示背景灰度值大?。粁c表示粉末束流中心線位置；w為一個標準差[-σ∶σ]對應的寬度，該寬度對應的面積占整個高斯分布曲線所占面積的68.4%.將一個標準差對應的寬度w定義為粉末束流的有效粉斑直徑，理論上w值越大，粉末顆粒在空間上的分布就越發(fā)散，粉末束流的匯聚性就越差；相反，則說明粉末束流的匯聚性較好.

2 試驗結果與分析

2.1 同軸保護氣對粉末束流關鍵特征的影響

同軸保護氣一方面保護高溫液態(tài)熔池不被活性氣體氧化，此外防止反彈的粉末顆粒和煙塵污染光學系統(tǒng).同軸保護氣體流量大小對粉末束流宏觀形貌的影響如圖4 所示，可以清晰看出，隨著同軸保護氣流量增加，粉末束流宏觀形貌發(fā)生較大變化.

圖4 同軸保護氣對粉末束流宏觀形貌的影響Fig.4 Effect of shielding gas flow rates on the macroscopic-morphology of powder stream

利用灰度表征法，沿著粉末束流中軸線方向對其濃度分布特征進行處理，氣體流量對粉末束流焦點位置的影響規(guī)律如圖5 所示.同軸保護氣流量增加，灰度值最大值出現(xiàn)位置下移，氣流量為3 L/min時，對應的粉末束流焦距為6.4 mm 左右，當氣流量增加到23 L/min 時，粉末束流的焦距增加到9.8 mm左右，這說明同軸保護氣流量對粉末束流的焦距影響較大，與此同時，灰度值最大值逐漸減小.

圖5 同軸保護氣對粉末束流焦點位置的影響Fig.5 Influence of shielding gas flow rates on the focal position of powder stream

利用式(1)對不同同軸保護氣流量大小對應的粉末束流焦點位置處的濃度分布數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸分析，回歸方程相關系數(shù)如表1 所示，其決定系數(shù)均在0.98 以上，這說明同軸保護氣流量改變并未影響到粉末束流焦點位置處的濃度特征.

表1 同軸保護氣流量對應的回歸方程系數(shù)Table 1 Regression equation coefficients corresponding to shielding gas flow rates

同軸保護氣對粉末束流有效粉斑直徑影響規(guī)律如圖6 所示，可以看出，同軸保護氣流量增加，有效粉斑直徑在1.0 mm 上下波動，最大偏差在4.0%，這說明同軸保護氣對有效粉斑直徑影響較小.

圖6 同軸保護氣對有效粉斑直徑的影響Fig.6 Effect of shielding gas flow rates on effective powder spot diameter

2.2 載氣流量對粉末束流關鍵特征的影響

載氣在激光同軸送粉增材制造過程中主要起到將粉末顆粒從送粉器中以一定的速度穩(wěn)定的送進熔池，此外載氣對熔池也起到一定的防護作用.因此載氣流量對粉末束流形態(tài)、粉末束流焦點位置以及該位置處的濃度分布都會產(chǎn)生一定影響，不同載氣流量對應的粉末束流宏觀形貌如圖7 所示.

圖7 載氣流量對粉末束流宏觀形貌的影響Fig.7 Effect of carrier gas flow rates on the macroscopic-morphology of powder stream

沿著粉末束流中軸線方向對不同載氣流量對應的焦點位置進行分析，其結果如圖8 所示.可以看出，載氣流量越大，粉末束流焦點位置逐漸靠近噴嘴，粉末束流焦距變小，這與同軸保護氣流量對焦點位置的影響規(guī)律恰好相反.載氣流量為2 L/min時，粉末束流的焦距為9 mm 左右，當載氣流量提高到10 L/min 時，粉末束流的焦距為6.8 mm 左右，這說明載氣流量同樣對粉末束流焦點位置影響較大.

圖8 載氣流量對粉末束流焦點位置的影響Fig.8 Influence of carrier gas flow rates on the focal position of powder stream

回歸分析結果如表2 所示，可以看出隨著載氣流量增加，粉末束流焦點位置處的有效粉斑直徑w逐漸變大，最大灰度值逐漸降低，決定系數(shù)R2均在0.98 以上，這說明載氣同樣只是改變粉末束流的焦點位置，但是不改變焦點位置處的濃度分布特征.

表2 載氣流量對應的回歸方程系數(shù)Table 2 Regression equation coefficients corresponding to carrier gas flow rates

載氣流量對粉末束流有效粉斑直徑w的影響規(guī)律如圖9 所示，隨著載氣流量增加，粉末束流有效粉斑直徑以接近線性的規(guī)律提升，這說明載氣流量提高粉末束流匯聚性下降.

圖9 載氣流量對有效粉斑直徑的影響Fig.9 Effect of carrier gas flow rates on effective powder spot diameter

2.3 送粉速率對粉末束流關鍵特征的影響

送粉速率對粉末束流宏觀形貌的影響如圖10所示，可以看出隨著送粉速率提高，粉末束流不同區(qū)域亮度信息逐步提升，但送粉速率對粉末束流焦點位置影響不大，粉末束流最高點出現(xiàn)的位置均在7 mm 左右，結果如圖11 所示.

圖10 送粉速率對粉末束流宏觀形貌的影響Fig.10 Effect of powder feeding rates on the macroscopic-morphology of powder stream

圖11 送粉速率對粉末束流焦點位置的影響Fig.11 Influence of powder feeding rates on the focal position of powder stream

高斯多元非線性回歸方程關鍵系數(shù)如表3 和圖12 所示，可以看出送粉速率提高，粉末束流焦點位置處的有效粉斑直徑w在0.98 mm 上下，整個過程較為一致，這說明送粉速率對粉末束流匯聚性影響不大.

表3 送粉速率對回歸方程關鍵系數(shù)的影響規(guī)律Table 3 Regression equation coefficients corresponding to powder feeding rates

圖12 送粉速率對有效粉斑直徑的影響Fig.12 Effect of powder feeding rates on effective powder spot diameter

3 結論

(1)建立了激光同軸送粉增材制造用粉末束流焦距和焦點位置處粉末顆粒空間分布的表征與分析方法，實現(xiàn)了粉末束流關鍵特征的定量化分析.

(2)同軸保護氣流量和載氣流量是影響粉末束流焦距的主要工藝參數(shù)，同軸保護氣流量從3 L/min 提高到23 L/min 時，焦距從6.4 mm 提高到9.8 mm；載氣流量由2 L/min 提高到10 L/min時，焦距從9 mm 降低到6.8 mm，兩者對粉末束流焦距的影響規(guī)律恰好相反.

(3)工藝參數(shù)的改變幾乎不影響粉末束流焦點位置處粉末顆?？臻g分布呈典型的高斯分布這一特征，但載氣流量增加，有效粉斑直徑w變大，從2 L/min 時的0.88 mm，提高到10 L/min 時的1.32 mm，增幅高達50%.