陳賢達(dá) 母中彥 羅曼樂(lè)蘭 黃安國(guó)

摘要：以316L不銹鋼為實(shí)驗(yàn)絲材，采用高速攝像研究了斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)激光熔絲增材制造的駝峰缺陷形成規(guī)律。結(jié)果表明：即使絲材最初能夠以液橋過(guò)渡的方式在基板上進(jìn)行沉積，但在進(jìn)行到多層堆積的過(guò)程中仍容易產(chǎn)生駝峰缺陷;在文中工藝實(shí)驗(yàn)條件下所產(chǎn)生的駝峰缺陷大小為4～9 mm，其形成周期約為430 ms;在傾斜條件下，熔池內(nèi)由于液體重力所導(dǎo)致的流淌效應(yīng)增強(qiáng)，液體在表面張力的剪切作用下形成駝峰。

關(guān)鍵詞：激光熔絲增材;熔池流動(dòng);駝峰缺陷;斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu);多層堆積

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0023-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.05

0? ? 前言

支撐是增材制造常用的工藝結(jié)構(gòu)[1-6]。然而，復(fù)雜構(gòu)件激光熔絲增材制造時(shí)，往往存在支撐體前期設(shè)計(jì)困難、后期去除繁瑣等缺點(diǎn)，逐漸被斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)所取代[7-9]。但應(yīng)用該工藝結(jié)構(gòu)時(shí)，重力對(duì)激光熔池影響大，導(dǎo)致明顯的流淌效應(yīng)，使得增材制造堆積層中易產(chǎn)生駝峰缺陷[10-14]。

關(guān)于駝峰缺陷的形成機(jī)理，國(guó)內(nèi)外焊接工作者們已經(jīng)開(kāi)展了較為廣泛而詳細(xì)的研究，可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)獲得無(wú)駝峰缺陷的焊接接頭[15-17]。但對(duì)于完全由焊縫組成且堆積層數(shù)在數(shù)十甚至上百層的激光熔絲增材制造成形工藝而言，已有研究難以解釋駝峰缺陷產(chǎn)生的規(guī)律[18-21]。因此，有必要開(kāi)展斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)激光熔絲增材制造駝峰形成機(jī)理研究，揭示堆積層數(shù)對(duì)駝峰缺陷產(chǎn)生的影響規(guī)律，從而通過(guò)控制工藝參數(shù)獲得無(wú)缺陷的成形件。

文中以316L不銹鋼為增材絲材，進(jìn)行單道多層斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的激光熔絲增材制造試驗(yàn)，并采用高速攝像重點(diǎn)研究熔池流動(dòng)對(duì)駝峰的影響，分析駝峰的大小和周期等物理特性，揭示駝峰的形成規(guī)律。本研究對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的斜壁無(wú)支撐激光熔絲增材制造工藝化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

熔絲增材絲材采用直徑1.2 mm的316L不銹鋼焊絲，焊絲的化學(xué)成分如表1所示?；宀捎贸叽?50 mm×70 mm×10 mm的316L不銹鋼板。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，用砂輪機(jī)對(duì)基材表面進(jìn)行打磨，并用丙酮進(jìn)行清洗，以除去基材表面的氧化膜和油污等雜質(zhì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法

斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)激光熔絲增材制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及增材過(guò)程示意如圖1所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由YLR-4000光纖激光器、KUKA機(jī)器人、福尼斯焊機(jī)送絲系統(tǒng)和Phantom V611高速攝像系統(tǒng)構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)傾斜直壁的堆積成形，保證基板與水平工作臺(tái)呈30°夾角。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光熔化的絲材垂直于基板進(jìn)行單道多層堆積成形，層間冷卻時(shí)間為50 s。送絲槍與激光頭采用前送絲方式布置，送絲槍與水平面的夾角為40°，絲材端部到堆積層的距離控制為0.5 mm，保護(hù)氣體采用工業(yè)純氬氣，工藝參數(shù)如表2所示。

此外，為了避免成形過(guò)程中金屬等離子體輻射光線和環(huán)境光的干擾，獲得清晰的熔池圖片，在高速攝像機(jī)前安裝808 nm（±10 nm）的窄帶濾光片，并采用相同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光作為輔助性光源照亮熔池區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中高速攝像機(jī)的采樣頻率為6 242幀/秒。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆積體宏觀形貌

斜壁無(wú)支撐30°傾斜狀態(tài)下的激光熔絲增材單道多層堆積體形貌如圖2所示。可以看出，當(dāng)堆積到第4層時(shí)，堆積體表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯的駝峰現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，堆積體上的駝峰長(zhǎng)度為4～9 mm，高度為3～4 mm，并且相鄰駝峰的中心間距約為10 mm，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，使得堆積體成形精度大幅降低。駝峰的出現(xiàn)與堆積層數(shù)及熔池的形成和流動(dòng)直接相關(guān)，必須進(jìn)一步研究多層堆積時(shí)熔池流動(dòng)行為，以改善堆積體成形質(zhì)量。

2.2 多層堆積中熔池流動(dòng)行為

通過(guò)高速攝像觀測(cè)斜壁無(wú)支撐30°傾斜狀態(tài)下的熔池流體的流動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1、2、3堆積層熔池流動(dòng)行為相差不大，但堆積第4層時(shí)有較強(qiáng)的熱累積效應(yīng)，產(chǎn)生了明顯的駝峰缺陷，極大地影響了堆積體的宏觀形貌。因此，重點(diǎn)分析堆積體第1層與第4層熔池的流動(dòng)行為，從而獲得駝峰形成的規(guī)律。

進(jìn)行第1層堆積時(shí)熔池流動(dòng)的瞬態(tài)過(guò)程如圖3所示。由圖3可知，熔融絲材金屬主要以液橋過(guò)渡的方式在基板上沉積。在T0時(shí)刻（見(jiàn)圖3a），絲材端部受熱熔化并向熔池送入，液橋?qū)挾缺３忠恢?，得到了穩(wěn)定的沉積過(guò)程;在T0+4 ms時(shí)刻（見(jiàn)圖3b），液橋出現(xiàn)前端窄后端寬的現(xiàn)象;隨著增材過(guò)程的進(jìn)行，在T0+6.6 ms時(shí)刻（見(jiàn)圖3d），液橋前端呈現(xiàn)出熔池金屬向下方振蕩的現(xiàn)象。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因在于，傾斜角度下熔融金屬受重力作用影響，具有傾斜向下的流動(dòng)速度;同時(shí)，在較高的送絲速度下，液橋沖擊熔池，產(chǎn)生了振蕩現(xiàn)象。此外還可看出，熔池上方的熔合線較為平整，而熔池下方的熔合線具有一定的弧度變化。這主要是因?yàn)槿鄢靥幱趦A斜狀態(tài)，受重力影響，具有向下的流淌趨勢(shì)，對(duì)熔池下側(cè)產(chǎn)生一定的沖擊作用。但此時(shí)熔池體積較小，液態(tài)金屬質(zhì)量較輕，并無(wú)駝峰缺陷產(chǎn)生。

隨著堆積體堆積層數(shù)的增加，在第4層堆積過(guò)程中熔池的流動(dòng)行為出現(xiàn)顯著的不同，由于前3層的熱累積效應(yīng)，第4層的熔池大小明顯增加。由圖4可知，T0時(shí)刻開(kāi)始，金屬逐漸熔化，所形成的熔池尺寸明顯大于第1層的熔池尺寸;隨著增材過(guò)程的進(jìn)行，在T0+242 ms時(shí)刻，熔化的絲材量逐漸增多，熔池逐漸增大，熔化的金屬液開(kāi)始聚集。在T0+395 ms到T0+641 ms時(shí)刻，熔池進(jìn)一步增大，在重力和表面張力的作用下，熔池?zé)o法繼續(xù)維持原始形狀，中部出現(xiàn)凸起。這主要是因?yàn)椋簾崂鄯e效應(yīng)使得第4層熔池體積顯著增大，熔融金屬增多，重力作用大幅增強(qiáng)了流淌效應(yīng)，加劇了熔池的球化。在T0+686 ms到T0+950 ms時(shí)刻間，熔池開(kāi)始凝固，并逐漸開(kāi)始產(chǎn)生駝峰。

2.3 駝峰形成機(jī)理

通過(guò)高速攝像對(duì)斜壁無(wú)支撐激光熔絲成形過(guò)程的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)駝峰的形成過(guò)程主要分為熔融金屬團(tuán)聚、駝峰長(zhǎng)大以及凝固成形三個(gè)階段。在第一階段，金屬絲材熔化逐漸形成局部高溫熔池，絲材以液橋過(guò)渡的方式進(jìn)入熔池。第二階段，絲材不斷熔化，熔池體積逐漸增大，到某一值時(shí)，增材過(guò)程進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，盡管熔池金屬受重力作用有向下流淌的趨勢(shì)，但表面張力限制其流淌，加之熔池邊緣溫度較低，液態(tài)金屬粘度較大，使得金屬液得不到有效鋪展而聚集成為球狀。第三階段，隨著激光熱源的離開(kāi)，球狀金屬液凝固形成駝峰，固態(tài)絲材在表面張力的剪切作用下與金屬液分開(kāi)，并在激光作用下重新熔化，形成新的熔池，往復(fù)循環(huán)，過(guò)程示意如圖5所示。

實(shí)際高速攝像拍攝的斜壁無(wú)支撐30°傾斜狀態(tài)下的連續(xù)駝峰形成的序列圖像如圖6所示，可以看出，駝峰形成的周期性和規(guī)律性。在T0時(shí)刻，第一個(gè)駝峰出現(xiàn)，在T0+431 ms時(shí)刻，第一個(gè)駝峰形成，駝峰周期為431 ms，駝峰長(zhǎng)度4 mm，此時(shí)絲材與熔池發(fā)生了分離。在一個(gè)駝峰結(jié)束的同時(shí)，第二個(gè)駝峰開(kāi)始，在T0+1 332 ms時(shí)刻，第二個(gè)駝峰形成結(jié)束，周期為901 ms，較第一個(gè)駝峰相比，第二個(gè)駝峰長(zhǎng)度為9 mm。這主要是液態(tài)金屬沿著駝峰間較窄的通道向焊接方向后方流動(dòng)、聚集，進(jìn)而形成了較大尺寸的駝峰。之后，在T0+1 747 ms時(shí)刻，第三個(gè)駝峰形成，該駝峰的周期為415 ms，長(zhǎng)度為4 mm。由于不斷重復(fù)單個(gè)駝峰形成的三個(gè)階段，故而在堆積體頂層形成了連續(xù)性的駝峰。

3 結(jié)論

（1）在斜壁無(wú)支撐結(jié)構(gòu)激光熔絲增材制造中，熔池受到重力、表面張力等綜合作用，產(chǎn)生向下流淌的趨勢(shì)，是產(chǎn)生駝峰缺陷的主要原因。

（2）隨著堆積層數(shù)增加，熱輸入累積大，使熔池體積增大，液態(tài)金屬增多，增強(qiáng)了熔池的流淌效應(yīng)，駝峰缺陷出現(xiàn)的可能性增大。

（3）文中工藝條件下，駝峰大小約4～9 mm，呈現(xiàn)周期性，形成周期為430～900 ms。

參考文獻(xiàn)：

Arregui L，Garmendia I，Pujana J，et al. Study of the geometrical limitations associated to the Metallic Part Manufacturing by the LMD process[J]. Procedia CIRP，2018（68）：363-368.

Panchagnula J S，Simhambhatla S. Manufacture of complex thin-walled metallic objects using weld-deposition based additive manufacturing[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2018（49）：194-203.

Kazanas P，De Herkar P，Almeida P，et al. Fabrication of geometrical features using wire and arc additive manufacture[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture，2012，226（6）：1042-1051.

王湘平，張海鷗，王桂蘭. 面向WAAM無(wú)支撐制造大懸臂的自適應(yīng)切片[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，44（1）：56-59.

方琴琴，傅戈雁，王聰，等. 帶連接筋雙層薄壁件激光直接成形工藝[J]. 中國(guó)激光，2017，44（2）：248-256.

大傾斜角薄壁結(jié)構(gòu)激光近凈成形實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2020，31（5）：595-602.

Cloots M，Spierings A B，K Wegener K. Assessing new support minimizing strategies for the additive manufacturing technology SLM[C]. 24th International SFF Symposium-an Additive Manufacturing Conference，SFF 2013：631-643.

Ford S. Additive manufacturing and sustainability：An exploratory study ofthe advantages and challenges[J]. Journal of Cleaner Production，2016：137.

Liu R，Wang Z，Sparks T，et al. Aerospace applications oflaser additive manufacturing. In Milan Brandt editors[J]. Laser Additive Manufacturing，2017：351-371.

Singh S，Ramakrishna S. Biomedical applications of additivemanufacturing： Present and future[J]. Current Opinion in Biomedical Engineering，2017（2）：105-115.

Lewandowski J J，Seifi M. Metal additive manufacturing：A review of mechanical properties[J]. Annual Review of Materials Research，2016（46）：151-186.

C Thomy，T Seefeld，F(xiàn) Vollertsen. Humping effect in welding of steel with single-mode fibre laser[J]. Welding in the World，2008，52（5-6）：9-18.

J Zhou，H L Tsai，P C Wang. Transport phenomena and the associated humping formation in laser welding[C]. ASME 2005 International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2005：945-953.

陳根余，夏海龍，周聰，等. 高功率光纖激光焊接底部駝峰的機(jī)理研究[J]. 中國(guó)激光，2015，42（2）：86-92.

夏海龍.光纖激光焊接中厚板的底部駝峰形成機(jī)理的研究[D]. 湖南：湖南大學(xué)，2015.

J. Frostevarg. Factors affecting weld root morphology in laser keyhole welding[J]. Optics and Lasers in Engineering，2018（101）：89-98.

趙昀，盧振洋，陳樹(shù)君，等. 薄壁結(jié)構(gòu)冷金屬過(guò)渡增材制造工藝優(yōu)化[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53（8）：82-89.

T C Nguyen，D C Weckman，D A Johnson. The discontinuous weld bead defect in high-speed gas metal arc welds[J]. Weld-ing Journal-New York，2007，86（11）：360.

武傳松， 胡志坤. 高速 MAG 電弧焊駝峰焊道產(chǎn)生過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 金屬學(xué)報(bào)，2008，44（12）：1445-1449.

I Eriksson，P Gren，J Powell，et al. New high-speed photography technique for observation of fluid flow in laser welding[J]. Optical Engineering，2010，49（10）：100503.

裴瑩蕾，吳愛(ài)萍，單際國(guó)，等. 基于熔池流動(dòng)分析的高速激光焊駝峰焊道形成過(guò)程研究[J].金屬學(xué)報(bào)，2013，49（6）：725-730.