送絲角度與方式對激光熔絲單道沉積層成形的影響

楊鑫，韓紅彪,2,3，閆晨宵，王銳

(1.河南科技大學(xué),洛陽,471003；2.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽,471003；3.龍門實(shí)驗(yàn)室,洛陽,471003)

0 序言

激光定向能量沉積技術(shù)具有工藝簡單、成形精度高、能夠制造大型連續(xù)部件等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車船舶、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，該技術(shù)按照沉積材料不同可分為激光熔粉和激光熔絲兩種增材制造技術(shù)[2].由于激光熔粉增材制造具有直接成形、制備零件的力學(xué)性能好、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對其研究比較深入[3]；與激光熔粉增材制造相比，激光熔絲增材制造具有成本低、沉積速度快、材料易于保存且利用率高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了眾學(xué)者的研究對象[4].

激光熔絲增材制造主要分為同軸送絲和旁軸送絲兩類[5]，旁軸送絲的激光增材制造可采用現(xiàn)有的激光熔絲焊接設(shè)備，獲得了眾多研究人員的關(guān)注[6]，對其研究主要集中在系統(tǒng)建模仿真、工藝參數(shù)與成形控制、沉積材料的組織與性能等方面.Wang 等人[7]針對TC4 鈦合金的激光熔絲增材制造過程，建立了宏觀 -微觀耦合跨尺度模型，模擬了熔池形狀的動(dòng)態(tài)演化過程；Wang 等人[8]采用計(jì)算流體力學(xué)方法，建立了激光熔絲增材制造過程中熔池傳熱和流體流動(dòng)的三維模型，并將液橋轉(zhuǎn)移模式下沉積層形貌的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較；Liu 等人[9]收集了一個(gè)橫跨多個(gè)過程變量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)集，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型獲得了激光熔絲增材制造工藝 -幾何形狀 -微觀結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，全面研究了工藝參數(shù)對沉積層的形貌、尺寸和微觀結(jié)構(gòu)的影響；Huang 等人[10]進(jìn)行鋁合金的激光熔絲增材制造，研究了激光功率、掃描速度、送絲速度等主要工藝參數(shù)對沉積層幾何特性的影響；Nakano 等人[11]研究了激光熔絲增材制造鈦/鋁/釩合金的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)沉積試樣的疲勞強(qiáng)度要高于鍛造試樣的疲勞強(qiáng)度；Wang 等人[12]在進(jìn)行鈦合金的激光熔絲增材制造過程中添加微米級(jí)難熔顆粒來實(shí)現(xiàn)分層晶粒細(xì)化，研究了不同Y2O3含量添加劑制備零件的微觀組織和拉伸性能.

對焊絲進(jìn)行預(yù)熱可提高沉積過程的穩(wěn)定性和沉積率，還可以降低熱輸入和減少內(nèi)部缺陷，熱絲激光直接能量沉積成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn).Zhu 等人[13]開發(fā)了一種大功率二極管激光器與焊絲加熱系統(tǒng)相結(jié)合的增材制造技術(shù)，有效提高了絲材的利用率和沉積效率；Kisielewicz 等人[14]采用電阻式預(yù)熱來加熱焊絲進(jìn)行不銹鋼的激光熔絲增材制造，發(fā)現(xiàn)不同的絲材預(yù)熱程度會(huì)影響激光 -焊絲 -熔池的相互作用、沉積層的高度與寬度等；Sang 等人[15]提出了基板感應(yīng)加熱與熱絲工藝相結(jié)合的復(fù)合加熱激光增材制造方法，通過比較不同輔助加熱工藝條件下薄壁零件成形的試驗(yàn)結(jié)果，揭示了輔助加熱工藝參數(shù)對試樣幾何形狀、微觀組織、顯微硬度和缺陷的影響；Naksuk 等人[16]采用熱絲激光沉積技術(shù)進(jìn)行鈦合金的增材制造，研究了焊接電流、焊接速度和送絲速度對沉積層孔隙率、顯微硬度和殘余應(yīng)力的影響；彭進(jìn)等人[17]采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert gas arc welding,TIG)電弧作為預(yù)熱焊絲的熱源，研究了在電弧對焊絲預(yù)熱條件下，激光焊接過程中的匙孔穩(wěn)定性和焊縫成形.

對復(fù)雜零件進(jìn)行增材制造時(shí)，掃描方向和送絲方向的變化會(huì)引起送絲方式和送絲角度的變化，導(dǎo)致焊絲送入熔池中的方位發(fā)生變化，從而影響了沉積層成形的形狀和尺寸，即旁軸送絲的方向性問題.近年來，關(guān)于送絲角度和送絲方式對熔滴過渡形式的研究較多，對增材制造沉積層成形的研究較少.文中采用旁軸送絲的激光增材制造系統(tǒng)研究了送絲角度和送絲方式對激光熔絲單道沉積層成形尺寸和形狀的影響規(guī)律，以期為優(yōu)化激光定向能量沉積技術(shù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用HY-PTBZGQ-1000 型光纖激光增材制造系統(tǒng)，主要包括MFSC-1000X 型光纖激光器、DI-2000L 型擺動(dòng)激光頭、QL-1000 型送絲機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)工作臺(tái)和控制系統(tǒng)等.激光頭固定在數(shù)控三坐標(biāo)工作臺(tái)上，送絲嘴通過夾具固定在激光頭上，隨激光頭一起移動(dòng)，且送絲角度可調(diào).激光器最大功率為1 000 W，激光波長為1 080 nm，擺動(dòng)激光頭的焦距為200 mm，最小光斑直徑約為0.15 mm.試驗(yàn)選用尺寸為50 mm × 30 mm × 8 mm的Q235 低碳鋼板作為基板材料，焊絲選用直徑為0.8 mm的ER50-6 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊絲.

根據(jù)送絲方向與掃描方向之間的相對位置，送絲方式可分為前置送絲、后置送絲和側(cè)置送絲3 種類型.圖1 為不同送絲方式時(shí)激光束與焊絲相對位置示意圖，圖1(a)為前置送絲時(shí)，激光沿x軸正方向移動(dòng)，焊絲從熔池前方送入熔池前部；圖1(b)為后置送絲時(shí)，激光沿x軸負(fù)方向移動(dòng)，焊絲從熔池后方送入熔池后部；圖1(c)為側(cè)置送絲時(shí)，激光沿y軸正方向移動(dòng)，焊絲從熔池左側(cè)方送入熔池左側(cè)部，送絲角度θ為焊絲中心線與基板水平面之間的夾角.

圖1 不同送絲方式的激光束與焊絲相對位置Fig.1 Relative position of laser beam and the welding wire in different wire feeding modes.(a) front wire feeding;(b) rear wire feeding;(c) side wire feeding

對送絲方式和送絲角度2 個(gè)因素進(jìn)行全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在不同送絲方式(前置送絲、后置送絲、側(cè)置送絲)情況下，分別采用不同送絲角度(θ為25°，45°，60°和75°)共進(jìn)行12 組單道沉積試驗(yàn).在每組試驗(yàn)中，保持其他工藝參數(shù)不變，激光功率為500 W，掃描速度為4 mm/s，送絲速度為7 mm/s，氬氣流量為15 L/min，光斑離焦量和光絲間距為0 mm[18]，即焊絲的中心線與激光束中心線相交，其交點(diǎn)在基板的上表面(圖1).單道沉積層長度為30 mm，激光頭采用圓形擺動(dòng)方式，擺動(dòng)幅度為0.4 mm，擺動(dòng)頻率為46 Hz.為減小隨機(jī)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值.

試驗(yàn)開始前先用砂紙對基板進(jìn)行打磨，然后用無水乙醇擦拭，除去基板表面的氧化物與油污.試驗(yàn)后采用LJ-X8000 型線激光測量儀掃描沉積層的三維形貌，可獲得各沉積層的平均寬度(簡稱層寬)w、平均高度(簡稱層高)h和表面粗糙度Ra，然后利用SRL-7045 型雙目連續(xù)變倍體式顯微鏡觀測各沉積層的截面形貌，測量出相應(yīng)的基板熔深p.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沉積層的層寬和層高

不同送絲方式下沉積層的層寬和層高隨送絲角度的變化如圖2 所示.隨著送絲角度的增大，前置送絲和后置送絲沉積層的層寬逐漸減小，層高逐漸增大，而側(cè)置送絲沉積層的層寬和層高則變化較小.在各送絲角度下，前置送絲沉積層的層寬最大而層高最小，后置送絲沉積層的層寬最小而層高最大，側(cè)置送絲沉積層的層寬和層高為中間值.由此可以看出，送絲角度和送絲方式影響了沉積層的尺寸.

圖2 不同送絲方式沉積層層寬和層高隨送絲角度的變化Fig.2 Variation of layer width and layer height with wire feeding angle under different wire feeding modes.(a) layer width;(b) layer height

2.2 沉積層的截面形貌和基板熔深

不同送絲方式和送絲角度下各沉積層的截面形貌如圖3 所示.前置送絲和后置送絲的沉積層截面形狀對稱，大都呈圓弧形.在送絲角度為25°時(shí)，后置送絲的沉積層頂部出現(xiàn)向下的圓弧缺口，其圓弧半徑與焊絲直徑相同，由于送絲角度太小，連續(xù)送進(jìn)的未熔化的焊絲與熔池后部的熔融沉積層產(chǎn)生干涉而形成的.側(cè)向送絲的沉積層截面形狀不對稱，側(cè)向送絲一側(cè)的沉積層偏高，而另一側(cè)的沉積層偏低，基板的最大熔深偏向側(cè)向送絲的另一側(cè).隨著送絲角度的增加，側(cè)向送絲沉積層截面形狀的不對稱性逐漸減小.

圖3 不同送絲方式和送絲角度下各沉積層的截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphology of each deposition layer under different wire feeding modes and wire feeding angles

不同送絲方式下各沉積層對應(yīng)的基板熔深p隨送絲角度θ的變化如圖4 所示.隨著送絲角度θ的增大，不同送絲方式下基板熔深都逐漸減小.在各送絲角度下，前置送絲沉積層的基板熔深最大，后置送絲沉積層的基板熔深最小，側(cè)置送絲沉積層的基板熔深為中間值.由此可以看出，送絲角度和送絲方式影響了沉積層的形狀和對應(yīng)的基板熔深，側(cè)置送絲對沉積層截面形狀的影響較大.

圖4 不同送絲方式沉積層基板熔深隨送絲角度的變化Fig.4 Variation of substrate fusion depth for each deposited layer with wire feeding angle under different wire feeding modes

2.3 沉積層的表面粗糙度

圖5 為不同送絲方式下沉積層表面粗糙度隨送絲角度的變化.在送絲角度為25°時(shí)，后置送絲的焊絲與熔融沉積層的干涉形成的缺口造成了其沉積層的表面粗糙度出現(xiàn)異常值，而其它各沉積層表面粗糙度的變化則比較規(guī)律.隨著送絲角度的增大，前置送絲和后置送絲(除了送絲角度為25°時(shí))沉積層的表面粗糙度逐漸增大，而側(cè)置送絲沉積層的表面粗糙度則變化較小.在各送絲角度下，后置送絲沉積層的表面粗糙度最大，前置送絲和側(cè)置送絲沉積層的表面粗糙度比較接近.由此可以看出，送絲角度和送絲方式影響了沉積層的表面粗糙度.

圖5 不同送絲方式沉積層表面粗糙度隨送絲角度的變化Fig.5 Variation of surface roughness of deposited layer with wire feeding angle under different wire feeding modes

2.4 送絲角度對單道沉積層成形的影響

從圖2的數(shù)據(jù)中可獲得不同送絲方式下送絲角度對沉積層的層寬與層高的影響誤差，如表1 所示.后置送絲時(shí)，送絲角度對層寬和層高影響較大，相對誤差的相對值分別達(dá)到了9.82%和10.74%.

表1 不同送絲方式送絲角度對沉積層的層寬與層高的影響誤差Table 1 Error of layer width and layer height affected by wire feeding angle under different wire feeding modes

在激光熔絲沉積過程中，激光分別作用在焊絲端部和基板表面上，在基板上形成熔池和等離子云，熔化的焊絲熔液以液橋或液滴形式過渡到熔池中.隨著激光和焊絲沿掃描方向上的移動(dòng)，在激光作用和馬朗戈尼效應(yīng)下，熔液從熔池前部流動(dòng)到后部，經(jīng)冷卻后形成沉積層和基板熔化區(qū).激光熔絲沉積過程的工作原理和能量轉(zhuǎn)化的原理如圖6所示.該過程滿足能量守恒定律，忽略保護(hù)氣體的影響，其能量轉(zhuǎn)化公式為

圖6 激光熔絲增材制造工作原理及能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig.6 Schematic diagram of working principle and energy conversion principle of laser wire deposition process

式中：El為激光的能量；Ew為焊絲從激光、等離子云和熔池吸收的能量，主要用于熔化焊絲；Es為基板通過熔池從激光、等離子云和焊絲吸收的能量，主要用于熔化基板而形成熔池；Ep為形成等離子云所需的能量；EL為激光熔絲沉積過程中散失的能量，其組成為

式中：EL1為激光與焊絲、熔池、等離子云等相互作用時(shí)，由于反射、折射等散失到周圍環(huán)境中的能量；EL2為等離子云散失到周圍環(huán)境中的能量；EL3為焊絲散失到周圍環(huán)境中的能量；EL4為基板散失到周圍環(huán)境中的能量.

由文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果可知，隨著送絲角度從30°增大到75°，焊絲對激光的吸收率從25%下降至14%，即EL隨著送絲角度的增大而增大.由于激光能量El不變，需要熔化焊絲所需的能量Ew和形成等離子云所需的能量Ep也基本不變，傳送到基板的能量Es隨送絲角度的增大而減小，基板熔池的熔寬(即層寬)和熔深也減小.在各單道沉積試驗(yàn)過程中，由于掃描速度、送絲速度和焊絲直徑保持不變，各沉積層的截面積基本相等，當(dāng)層寬隨送絲角度的增大而減小時(shí)，層高則隨之增大.

由以上分析可知，在激光熔絲單道沉積試驗(yàn)過程中，送絲角度的改變影響了焊絲和基體對激光能量的吸收效率，從而影響了沉積層的尺寸.

2.5 送絲方式對單道沉積成形的影響

由圖2 中的數(shù)據(jù)可獲得不同送絲角度下送絲方式對沉積層層寬和層高的影響誤差，如表2 所示.送絲角度為60°時(shí)，送絲方式對層寬和層高影響較大，相對誤差分別達(dá)到了20.67%和14.46%.由表1 和表2的數(shù)據(jù)可知，相對于送絲角度，送絲方式對沉積層的層寬和層高的影響較大.

表2 不同送絲角度下送絲方式對沉積層的層寬與層高的影響誤差Table 2 Error of layer width and layer height affected by wire feeding mode at different wire feeding angles

激光熔絲沉積過程中不同送絲方式下的熔池表面流動(dòng)示意圖如圖7 所示.圖7(a)為前置送絲時(shí)，焊絲送入熔池前部，焊絲熔液沿熔池表面流動(dòng)方向移動(dòng)到熔池后部[19].焊絲熔液與基板熔液作用時(shí)間長，從焊絲轉(zhuǎn)移到基板的能量較多，導(dǎo)致基板熔池的熔寬(即層寬)和熔深較大，而層高較小.

圖7 不同送絲方式下的熔池表面流動(dòng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of melt pool surface flow under different wire feeding modes .(a) front wire feeding;(b) rear wire feeding;(c) side wire feeding

圖7(b)為后置送絲時(shí)，焊絲送入熔池后部，熔池表面流動(dòng)方向阻礙了焊絲熔液在熔池中的流動(dòng)，再加上熔池存在時(shí)間短，焊絲熔液無法在熔池中充分流動(dòng)而堆積在熔池后部迅速冷卻凝固.焊絲熔液與基板熔液作用時(shí)間較短，從焊絲轉(zhuǎn)移到基板的能量較少，導(dǎo)致基板熔池的熔寬(即層寬)和熔深較小，而層高較大.

圖7(c)為側(cè)置送絲時(shí)，焊絲送入熔池側(cè)部，熔池表面流動(dòng)方向阻礙了焊絲溶液向熔池的另一側(cè)流動(dòng)，由于熔池存在時(shí)間短，焊絲熔液無法在熔池中充分流動(dòng)而堆積在焊絲一側(cè)冷卻凝固，沉積層形狀不對稱，焊絲一側(cè)的沉積層較高.在焊絲一側(cè)，焊絲熔液越多傳遞給基板的能量也越多，導(dǎo)致焊絲一側(cè)的基板熔寬較大，激光束對應(yīng)的最大熔深偏向側(cè)置焊絲的另一側(cè).

熔池內(nèi)熔液的流動(dòng)影響沉積層的成形，當(dāng)送絲方式改變時(shí)，即焊絲送入熔池中的位置發(fā)生變化，直接影響了焊絲熔液在熔池中的流動(dòng)，從而影響了沉積層的形狀和尺寸.

3 結(jié)論

(1) 旁軸送絲的送絲角度和送絲方式影響激光熔絲單道沉積層的成形，送絲方式大于送絲角度對沉積層尺寸和形狀的影響.

(2) 隨著送絲角度的增大，基板熔深都逐漸減小，前置送絲和后置送絲沉積層的層寬逐漸減小，層高逐漸增大，而側(cè)置送絲沉積層的層寬、層高和表面粗糙度則變化相對較小.

(3) 前置送絲和后置送絲沉積層的截面形狀呈對稱的圓弧形，側(cè)置送絲沉積層的截面形狀不對稱，最高點(diǎn)偏向焊絲一側(cè).