吳繼琸,朱剛賢,陸斌,石拓,傅戈雁

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,215021,江蘇蘇州;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安)

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自愈合效應(yīng)對(duì)光內(nèi)送粉激光變斑熔覆成形薄壁件的影響

吳繼琸1,朱剛賢1,陸斌1,石拓2,傅戈雁1

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,215021,江蘇蘇州;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安)

為提高激光熔覆成形不等寬構(gòu)件的成形效率及成形精度,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn):基于光內(nèi)送粉方式,在單道工藝中采用實(shí)時(shí)變激光光斑方法,一次掃描而非多道搭接直接熔覆出不等寬熔覆層,逐層堆積制造薄壁零件。分析了變斑過(guò)程中激光離焦量連續(xù)變化及“拼接”后分段連續(xù)變化對(duì)薄壁件成形質(zhì)量的影響規(guī)律,結(jié)果表明:激光離焦量在-3～-5 mm段時(shí)薄壁墻頂部平整,表面成形質(zhì)量良好,熔覆層頂端形貌存在“自愈合”效應(yīng),而激光離焦量在0～-2 mm段時(shí)薄壁墻頂部不平整,成形質(zhì)量很差;在負(fù)離焦范圍內(nèi),隨激光離焦量增大,熔覆層高度先增加后降低,在-2.5 mm處取得最大值;在正離焦范圍內(nèi),熔覆層高度隨激光離焦量增大也是先增加后降低,在2.5 mm處取得最大值。為實(shí)現(xiàn)變斑過(guò)程中熔覆層尺寸的連續(xù)變化,且充分利用自愈合效應(yīng),提出了激光離焦量區(qū)間的拼接方法,獲得了變斑過(guò)程中的自愈合區(qū)間,在此區(qū)間內(nèi)逐層堆積出了熔覆層寬度從1到3 mm連續(xù)變化的薄壁件。此項(xiàng)研究可望為光內(nèi)送粉激光熔覆成形薄壁變壁厚類零件提供新的方法和工藝。

激光熔覆成形;光內(nèi)送粉;變光斑;自愈合

大型變壁厚薄壁零件廣泛應(yīng)用于航空、航天等國(guó)防尖端技術(shù)及某些高技術(shù)領(lǐng)域中,但由于這類零件多工藝、多工序的制造特點(diǎn),壁厚愈發(fā)變薄及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜,使得其制造技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)[1-3]。激光熔覆成形技術(shù)作為最具代表性的一種增材制造技術(shù),能直接制造出全致密且力學(xué)性能優(yōu)異的金屬零件,在航空航天、汽車船舶及武器裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。目前,利用激光熔覆成形技術(shù)制造變壁厚薄壁零件,大都采用多道搭接方式進(jìn)行,而多道搭接存在兩方面的缺陷:一方面,由于在搭接過(guò)程中搭接率的大小直接影響成形表面的宏觀平整度,如果選擇不合理將直接導(dǎo)致成形表面出現(xiàn)宏觀傾斜角度,一旦這種情況發(fā)生,成形表面的尺寸精度將很難保證,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致成形無(wú)法進(jìn)行;另一方面,利用搭接工藝制造變壁厚薄壁零件的成形效率較低[6-7]。

為解決激光熔覆成形不等寬構(gòu)件的成形效率及成形精度問(wèn)題,本文在單道工藝中采用實(shí)時(shí)變激光光斑方法,一次掃描而非多道搭接直接熔覆出不等寬熔覆層,逐層堆積制造薄壁零件。此外,本課題組開(kāi)發(fā)的“光內(nèi)送粉”方式相對(duì)“光外送粉”能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的光粉同軸耦合,粉末利用率能達(dá)到68%以上[8]。為了實(shí)現(xiàn)在高質(zhì)量加工及成形過(guò)程中改變?nèi)鄹矊榆壽E寬度,德國(guó)萊斯機(jī)械制造公司聯(lián)合德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所,基于“光外送粉”方式合作開(kāi)發(fā)出了變焦激光熔覆頭,以進(jìn)行激光變斑成形,但該公司主要致力于產(chǎn)品裝備的研發(fā),對(duì)變斑熔覆工藝研究則少有報(bào)道[9]?！肮鈨?nèi)送粉”方式激光直接成形主要針對(duì)壁厚均勻的薄壁零件的成形,而對(duì)于壁厚不均勻薄壁零件的成形,目前研究較少。為此,本文基于“光內(nèi)送粉”方式,對(duì)激光變斑直接成形變壁厚薄壁零件的成形質(zhì)量進(jìn)行研究,以期能為激光熔覆成形制造變壁厚薄壁零件提供新的方法及工藝指導(dǎo)。

“自愈合”效應(yīng)是激光直接成形薄壁件時(shí)存在的一種現(xiàn)象:在堆積過(guò)程中,由于熔池受熱還沒(méi)有達(dá)到熱平衡,或者是工藝參數(shù)設(shè)定值存在波動(dòng),會(huì)出現(xiàn)熔覆層生長(zhǎng)高度不一致現(xiàn)象,即成形表面出現(xiàn)凸凹不平,但隨堆積層數(shù)增加,成形表面的不平整會(huì)逐漸消失,最終得到平整的表面,此種現(xiàn)象稱之為自愈合效應(yīng)[7,10]。

產(chǎn)生自愈合效應(yīng)的原因,實(shí)際上就是由于每層提升量與實(shí)際熔覆層生長(zhǎng)高度不一致。實(shí)際的熔覆層生長(zhǎng)高度其實(shí)是單層熔覆高度,而激光離焦和粉末離焦又是決定單層熔覆高度的直接因素。皮剛等的研究表明,“光外送粉”方式下粉末離焦主要影響單層熔覆高度,在粉末負(fù)離焦下存在自愈合效應(yīng),并且獲得了表面平整的薄壁零件[11]。

要使自愈合效應(yīng)出現(xiàn),關(guān)鍵是精確找出自愈合區(qū)間,只有當(dāng)激光或粉末離焦量在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),才存在自愈合效應(yīng)。所以,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了激光離焦量與單層熔覆層高度之間的關(guān)系,找出了存在自愈合效應(yīng)的區(qū)間,從而解決了“光內(nèi)送粉”激光變斑成形零件表面的凸凹不平問(wèn)題,提高了成形精度。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用金屬粉末為Fe313,粉末粒度為45～74 μm,其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C 0.1%,Si 2.5%～3.5%,Cr 13%～17%,B 0.5%～1.5%,余量為Fe?；臑?04不銹鋼,其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C 0.08%,Si 0.96%,Mn 1.85%,P 0.029%,S 0.027%,Cr 17.31%,Ni 8.01%,余量為Fe。其幾何尺寸為150 mm×150 mm×10 mm。實(shí)驗(yàn)裝置由功率為2 kW的光纖激光器、6軸KUKA機(jī)器人、可傾式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、光內(nèi)重力送粉噴嘴、送粉器及輔助裝置組成,見(jiàn)圖1。通過(guò)光內(nèi)同軸送粉噴嘴使激光光源變?yōu)榄h(huán)形光,具體原理如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

(a)原理圖

(b)粉末匯聚圖圖2 光內(nèi)同軸送粉示意圖

首先,依據(jù)前期的單道實(shí)驗(yàn),在重力送粉方式下優(yōu)化的工藝參數(shù)為:激光功率P=600 W,送粉量Mp=8 g/min,掃描速度V=14 mm/s,激光離焦量Z=-1 mm。此時(shí)獲得的單層熔覆層寬度w=1.36 mm,高度h=0.48 mm。

其次,按照熔覆層高度h=0.48 mm作為變斑過(guò)程中熔覆層高度的優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。在重力送粉方式下保持送粉量Mp=8 g/min不變,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在變化激光離焦量的過(guò)程中,通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率及掃描速度能夠獲得高度增長(zhǎng)均勻、寬度逐漸變化的熔覆層。實(shí)驗(yàn)獲得的各工藝參數(shù)之間的關(guān)系及相應(yīng)的熔覆層尺寸見(jiàn)表1。

最后,設(shè)計(jì)單道熔覆層尺寸:寬度由1 mm逐漸變化到3 mm,高度為0.48 mm,長(zhǎng)度為80 mm,如圖3所示。將設(shè)計(jì)的熔覆層分為7段,具體各段對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)如表2所示。每段細(xì)分為10小段,每一小段確定一個(gè)功率及掃描速度,采用離散階梯段拼接逼近連續(xù)變化。

表1 不同工藝參數(shù)下對(duì)應(yīng)熔覆層截面尺寸

圖3 設(shè)計(jì)的不等寬單道熔覆層尺寸圖

表2 不同區(qū)域?qū)?yīng)的工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單道變斑熔覆成形

依據(jù)文獻(xiàn)[12]中的提升量模型,設(shè)定不同離焦量下的提升量ΔZ=(2/3)h(其中h為單層熔覆高度)。在表2中的工藝參數(shù)下,進(jìn)行逐層堆積成形,總堆積層數(shù)為25層,總高度H=8.5 mm,成形的薄壁墻樣件如圖4所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖圖4 薄壁墻成形件

由圖4可見(jiàn),在激光離焦量為-3～-5 mm(Ⅴ～Ⅶ段)范圍內(nèi),薄壁墻頂部平整,表面成形質(zhì)量良好,而在離焦量為0～-2 mm(Ⅰ～Ⅲ段)范圍內(nèi),薄壁墻頂部凹凸不平,成形質(zhì)量很差。

為更好地說(shuō)明自愈合效應(yīng),分別取激光離焦量為-4和-1 mm的堆積樣件,觀察第10和第20層處截面的金相形貌,如圖5和圖6所示。

(a)Z=-4 mm (b)Z=-1 mm圖5 不同離焦量下第10熔覆層處截面的金相形貌

(a)Z=-4 mm (b)Z=-1 mm圖6 不同離焦量下第20熔覆層處截面的金相形貌

由圖5及圖6可以看出:當(dāng)激光離焦量為-4 mm時(shí),隨堆積層數(shù)增加,熔覆層截面的結(jié)合線逐漸趨于平整;當(dāng)離焦量為-1 mm時(shí),隨堆積層數(shù)增加,熔覆層間的結(jié)合線起伏明顯,無(wú)平整趨勢(shì)。

造成圖4所示熔覆層頂端不平整的原因,可能是在整個(gè)變斑過(guò)程中激光離焦量的選擇不合理。激光離焦量在-3～-5 mm范圍時(shí)具有自愈合效應(yīng),而在0～-2 mm范圍時(shí)可能沒(méi)有自愈合效應(yīng)。為了驗(yàn)證這一猜測(cè)結(jié)果,找出自愈合區(qū)間,設(shè)計(jì)了不同激光離焦量下的單層熔覆成形實(shí)驗(yàn),具體工藝參數(shù)為:Z=-5～3.5 mm;P=600 W;V=15 mm/s;Mp=8 g/min;載氣流量R=3 L/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 單層熔覆高度隨激光離焦量的變化曲線

由圖7可以看出:在負(fù)離焦范圍內(nèi),隨激光離焦量增大,熔覆層高度先增加后降低,在Z=-2.5 mm處取得最大值;在正離焦范圍內(nèi),隨激光離焦量增大,熔覆層高度先增加后降低,在Z=2.5 mm處取得最大值。

根據(jù)光的傳播原理及簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系,可計(jì)算出不同離焦量所對(duì)應(yīng)的激光光斑外徑。計(jì)算公式為

(1)

式中:d0為光斑焦點(diǎn)處直徑(常量);D為聚焦前光斑直徑(常量);f1為拋物鏡聚焦焦距;Z為激光離焦量。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同離焦量對(duì)應(yīng)的激光光斑外徑

由粉末匯聚圖(見(jiàn)圖2b)可以看出,粉末聚焦?fàn)顟B(tài)良好,匯聚直徑約為2 mm。當(dāng)激光處于焦點(diǎn)附近熔覆時(shí),激光產(chǎn)生的熔池較小,進(jìn)入熔池的粉末量少,此時(shí)單層熔覆高度最小。隨著激光離焦量不斷增大,環(huán)形光斑直徑也逐漸增大,所以熔池變大,進(jìn)入熔池的粉末增多,單層堆積厚度隨之增加。當(dāng)離焦量達(dá)到±2.5 mm左右時(shí),激光束直徑約等于粉斑直徑,粉末完全進(jìn)入熔池,此時(shí)單層堆積厚度最大。隨著激光離焦量進(jìn)一步增大,光斑直徑逐漸大于粉斑直徑,熔池逐漸擴(kuò)大,但進(jìn)入熔池的粉末量已不能隨之增加,故單層堆積厚度會(huì)逐漸減小,出現(xiàn)如圖7所示的情形。

2.2 自愈合區(qū)間拼接單道變斑熔覆成形

由2.1節(jié)的分析可知,在重力送粉方式下采用光內(nèi)送粉噴嘴成形的薄壁件表面存在自愈合效應(yīng),但必須滿足以下條件:在初始位置成形時(shí)激光離焦量處在0.5～2.5mm和-2.5～-5mm范圍內(nèi)。換言之,由于當(dāng)激光離焦量處于0.5～2.5mm和-2.5～-5mm范圍時(shí),激光熔覆層表面存在自愈合效應(yīng),所以也可將此范圍稱為自愈合區(qū)間。為實(shí)現(xiàn)光斑連續(xù)變化且充分利用自愈合效應(yīng),本文提出將2段自愈合區(qū)間進(jìn)行拼接。由表4可知,在離焦量為±2.5mm時(shí)光斑直徑相等,故舍去離焦量為-2.5mm的點(diǎn),選擇-3～-5mm和0.5～2.5mm作為不等寬薄壁墻成形的激光離焦量自愈合區(qū)間。以熔覆層高度h=0.48mm作為變斑過(guò)程中熔覆層高度的優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo),在保持送粉量Mp=8g/min不變的條件下,于選擇的激光離焦量區(qū)間內(nèi)獲得的具體工藝參數(shù)及熔覆層參數(shù)見(jiàn)表4。

設(shè)定不同離焦量下的提升量Z=0.32mm。在表4中的工藝參數(shù)下,于變斑單道基礎(chǔ)上逐層堆積成形,堆積層數(shù)為100層,總高度H=30mm,成形的薄壁墻樣件如圖8所示。由圖8可以看出,薄壁墻樣件成形質(zhì)量較好,壁厚由1.0mm逐漸增大到3.0mm,符合預(yù)先設(shè)定的要求。

決定熔覆層截面尺寸的關(guān)鍵因素是進(jìn)入熔池的能量和進(jìn)入熔池的粉末量。進(jìn)入熔池的能量可以用激光能量密度El衡量,El=P/(DV),其中P為激光功率,D為光斑直徑,V為掃描速度;進(jìn)入熔池的粉末量可以用粉末濃度Ep衡量,Ep=Mp/(wV),其中Mp為送粉速度,w為熔池寬度,用單層熔道寬度近似替代,V為掃描速度。

表4 不同離焦量對(duì)應(yīng)的熔覆層截面尺寸

(a)主視圖

(b)俯視圖圖8 自愈合區(qū)間拼接后成形的不等厚薄壁墻樣件

根據(jù)表4提供的工藝參數(shù),可計(jì)算出7個(gè)不同離焦量段對(duì)應(yīng)的激光能量密度及粉末濃度,見(jiàn)表5。

表5 不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的激光能量密度及粉末濃度

從表5可以看出,7個(gè)截面的激光能量密度穩(wěn)定在31J/mm2附近,除了在激光焦點(diǎn)附近外,粉末濃度穩(wěn)定在0.36g/mm2左右,所以在變斑過(guò)程中,能夠使得進(jìn)入熔池的激光能量密度及粉末濃度幾乎保持不變,達(dá)到了熔覆出高度一致、寬度逐漸變化的熔覆層的目的,最終成形出質(zhì)量良好的不等寬薄壁墻。

3 結(jié) 論

本文基于光內(nèi)送粉方式,采用激光變斑方法一次掃描而非多道搭接直接成形不等寬熔覆層,逐層堆積制造薄壁零件。研究了激光變斑過(guò)程中激光離焦量連續(xù)變化及拼接后分段連續(xù)變化對(duì)薄壁件成形質(zhì)量的影響規(guī)律,獲得如下結(jié)論:

(1)在激光變斑過(guò)程中,通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率及掃描速度能夠獲得高度增長(zhǎng)均勻、寬度逐漸變化的熔覆層;

(2)在一定的激光離焦范圍內(nèi),熔覆層形貌存在自愈合效應(yīng),獲得了-2.5～-5mm和0.5～2.5mm的自愈合區(qū)間,在自愈合區(qū)間內(nèi)熔覆成形可獲得頂部平整的薄壁零件。

(3)采用自愈合區(qū)間的拼接方法,實(shí)現(xiàn)了變斑過(guò)程中熔覆層尺寸的連續(xù)變化,逐層堆積出了熔覆層寬度從1mm到3mm連續(xù)變化的薄壁件。

本文的研究可望為光內(nèi)送粉激光熔覆成形變壁厚薄壁零件提供新的方法及工藝指導(dǎo)。

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(編輯 葛趙青)

Influence of Self-Regulation-Effect on Forming Quality of Thin-Walled Parts with Variable Laser Spot Cladding

WU Jizhuo1,ZHU Gangxian1,LU Bin1,SHI Tuo2,FU Geyan1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Suzhou, Jiangsu 215021, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the forming efficiency and quality of laser cladding formed unequal width parts, some corresponding experiments were designed. A variable laser spot method was put forward to fabricate single-track cladding layers with unequal width by inside-laser powder feeding process. The influencing rules of continuously and piece-wise changed laser defocusing distances on the forming quality of thin-walled parts were analyzed during the process of changing laser spots. The experimental results showed that there was a “self-healing” effect on the cladding layer morphology with laser defocusing distance from -3 mm to -5 mm and the surface forming quality of cladding layers was good, and that the forming quality was poor with the laser defocusing distance from 0 mm to -2 mm. The height of cladding layer firstly increased then decreased with the growth of laser defocusing distance in negative laser defocusing range, and there was a maximum value at -2.5 mm. Within the range of positive laser defocusing, the cladding layer height had the same changing trend as in negative laser defocusing range with the laser defocusing distance, and also had a peak value at 2.5 mm. To obtain continuous sizes of the cladding layers, a splicing method of “self-healing interval” was put forward for variable laser defocusing distances. Hence, the thin-walled parts were fabricated layer by layer with continuously changed width from 1 mm to 3 mm. This study may provide a guidance for the fabrication of thin-walled parts with variable width by laser cladding forming using inside-laser powder.

laser cladding forming; inside-laser powder feeding; variable laser spot; self-healing

2015-06-25。 作者簡(jiǎn)介:吳繼琸(1990—),男,碩士生;朱剛賢(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405319,61475107);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012183);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M521117,2013T60556)。

10.7652/xjtuxb201601022

TN249

A

0253-987X(2016)01-0145-06