梅有柱，張津超，傅戈雁，石拓

(蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

激光熔覆成形技術(shù)(laser cladding for ming，LCF)[1]是利用高能量密度的激光作為熱源熔化基材和金屬粉末，經(jīng)快速冷卻后形成熔覆層，并采用逐層堆積法來成形復(fù)雜零件的先進(jìn)制造技術(shù)。由于可以無模具和輔具快速地制造全致密金屬功能零件，該技術(shù)在模具、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2]。表面粗糙度是成形零件表面質(zhì)量的重要表征參數(shù)[3-4]，單道熔覆層的表面質(zhì)量是激光熔覆成形件表面質(zhì)量研究的基礎(chǔ)。因此，優(yōu)化單道熔覆工藝，提高單道熔覆層的表面粗糙度和表面黏粉是激光熔覆領(lǐng)域急需解決的問題。

針對(duì)降低單道熔覆層的表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)作了一些研究。MAHAMOOD R M等[5]采用單因素法研究了掃描速度和送粉量對(duì)單層熔覆層表面粗糙度的影響，結(jié)果表明表面粗糙度與掃描速度、送粉量成反比。葉約翰等[6]采用機(jī)器人電弧增材成型技術(shù)，通過最佳焊道間距的預(yù)測(cè)，得到的過渡層表面平整，表面成形精度達(dá)到亞毫米級(jí)。石皋蓮等[7]分析了離焦量對(duì)單道熔覆層表面平整度影響，結(jié)果表明表面平整度隨離焦量的變大先增后減，在較小負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下可得到最大值。朱剛賢等[8]研究了激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層表面平整度的影響，激光功率和送粉量的增大及掃描速度的減小，有利于降低表面平整度。

本文基于激光內(nèi)送粉熔覆技術(shù)[9]成形了單道熔覆層，從表面粗糙度和表面黏粉兩個(gè)方面，討論分析了激光功率、掃描速度和送粉率對(duì)單道熔覆層表面質(zhì)量的影響，為激光內(nèi)送粉熔覆成形工藝參數(shù)的選擇提供了依據(jù)，并為進(jìn)一步提高成形表面質(zhì)量提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料設(shè)備與方法

試驗(yàn)基體材料為304不銹鋼板材，尺寸為100 mm × 100 mm × 8 mm，熔覆粉末材料為Fe313球形粉末，粒徑為75～106 μm?；w和熔覆粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1、表2。

表1 304不銹鋼基體質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2 Fe313粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

采用激光熔覆成形系統(tǒng)，主要包括光纖激光器(IPG YLS-2000-TR)、機(jī)器人(KUKA)、送粉器(GTV PF 2/2M)、層高監(jiān)測(cè)裝置及自主研發(fā)的光內(nèi)送粉頭[9]，如圖1所示。激光束經(jīng)錐形鏡擴(kuò)散和環(huán)形鏡聚焦后，將圓形激光整形為環(huán)形激光。單根粉管位于環(huán)形激光束中，粉管外層設(shè)有準(zhǔn)直氣道和保護(hù)氣道，防止熔池氧化。

圖1 LCF系統(tǒng)原理示意圖

試驗(yàn)采用單因素法，在不同的工藝參數(shù)下進(jìn)行單道實(shí)驗(yàn)，研究了激光功率、掃描速度、送粉率對(duì)單道熔覆層形貌影響，包含上表面的表面粗糙度及上表面和側(cè)面黏粉影響。激光功率為300～1500 W，掃描速度為2～15 mm/s，送粉率為2.2～17.3 g/min，離焦量為-3 mm，載粉氣、準(zhǔn)直氣和保護(hù)氣體均采用氮?dú)?，工藝參?shù)見表3。根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)單道熔覆層表面質(zhì)量影響分析，選取較好的工藝參數(shù)進(jìn)行直墻薄壁件堆積，分析直墻薄壁件側(cè)面表面粗糙度和表面波紋度。激光熔覆前將粉末烘干，用丙酮和酒精清洗基板表面，以去除油污。

表3 單道試驗(yàn)的工藝參數(shù)

采用EVO 18型掃描電鏡觀察樣品的側(cè)表面和上表面形貌。采用Mitutoyo SJ-210表面輪廓儀測(cè)量上表面表面粗糙度Ra，其中取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度分別取0.8 mm和4 mm，測(cè)量3次取其平均值。表面波紋度Wt為最大波峰和最大波谷的差值，如圖2所示。其中Rp為波峰寬度，Rv為波谷寬度。

圖2 表面波紋度示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 激光功率對(duì)熔覆單道表面質(zhì)量的影響

圖3為不同激光功率下單道熔覆層SEM形貌圖。由圖3(a)可看出，當(dāng)激光功率為400 W時(shí)，激光輸入能量不足，單道熔覆層未完整連接，單道成形效果較差。由圖3(b)可看出，當(dāng)激光功率為600 W時(shí)，激光能量輸入增加，初步形成較完整的熔覆層，但單道兩側(cè)仍有缺陷。由于此時(shí)激光能量輸入依然不足，粉末不能充分熔化，單道熔覆層上表面黏粉較多，增加了上表面表面粗糙度；單道兩側(cè)有明顯的缺陷，未形成飽滿的熔覆層。由圖3(c)-圖3(d)可看出，激光能量進(jìn)一步增加，形成較為完整飽滿的熔覆層，但上表面和側(cè)面都有黏粉。由圖3(e)-圖3(f)可看出，激光能量充足，大部分粉末被熔池捕獲，粉末充分熔化單道熔覆層上表面和側(cè)面幾乎無黏粉，單道飽滿，表面粗糙度較好。可得出隨著激光功率的增加，逐漸形成完整飽滿熔覆層，單道熔覆層上表面和側(cè)面黏粉不斷減少。一方面，因?yàn)榧す夤β试黾?，能量輸入增大，熔池黏度和表面張力減小，熔池能夠充分對(duì)流，粉末得以充分熔化；另一方面，熔池兩側(cè)溫度高，中間溫度低，單道兩側(cè)有充分的能量熔化粉末，減少了兩側(cè)粉末黏附，從掃描方向看，熔池后部的溫度高于前部，這主要是因?yàn)榻?jīng)過環(huán)形激光束前半部分和后半部分的兩次熱加載。這有利于進(jìn)入熔池中心的粉末完全熔化，減少上表面黏粉，提高上表面質(zhì)量[10]。由圖3(a)所示，隨著激光功率增加，上表面的表面粗糙度降低。激光功率為1300 W時(shí)，上表面的表面粗糙度為0.543 μm，相較于激光功率為600 W(3.752 μm)時(shí)下降了85.5%。

圖3 不同激光功率下的單道SEM圖

2.2 掃描速度對(duì)熔覆單道表面質(zhì)量的影響

圖4為不同掃描速度下單道熔覆層SEM形貌圖。由圖4(a)可看出，當(dāng)掃描速度在2 mm/s時(shí)，熔覆層表面較為灰暗，上表面及側(cè)面有較多氧化層和黏粉，熔覆層過燒，表面質(zhì)量較差。由圖4(b)可看出，當(dāng)掃描速度在4 mm/s時(shí)，相比2 mm/s時(shí)熔覆層較為光亮，無明顯過燒，而熔覆層上表面和側(cè)面有部分黏粉情況。由圖4(c)可看出，當(dāng)掃描速度在6 mm/s時(shí)，熔覆層上表面黏粉明顯減少，表面質(zhì)量較好。由圖4(d)-圖4(f)可看出，當(dāng)掃描速度在8 mm/s～13 mm/s時(shí)，熔覆層上表面和側(cè)面黏粉增多，表面質(zhì)量變差。隨著掃描速度的增大，熔覆層上表面和側(cè)面黏粉先增多再減少。由圖6(b)所示，隨著掃描速度增大，上表面表面粗糙度先減小再增大。主要因?yàn)槭钱?dāng)激光功率和離焦量不變的情況下，掃描速度較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的能量和粉末較多，散熱不及時(shí)，導(dǎo)致熔覆層過燒。隨著速度增加，黏粉減少，表面粗糙度減小，主要因?yàn)閽呙杷俣鹊淖兓粫?huì)改變粉末-能量平衡[11]，高的掃描速度形成較小的熔覆層，粉末熔化充分，從而減小表面黏粉和表面粗糙度。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步增大，由于能量密度減小，同時(shí)送粉熔池粉末不穩(wěn)定，表面黏粉較多，表面粗糙度增大。

圖4 不同掃描速度下的單道SEM圖

2.3 送粉率對(duì)熔覆單道表面質(zhì)量的影響

圖5為不同送粉率下單道熔覆層SEM形貌圖。由圖5(a)可看出，當(dāng)送粉率在2.2 g/min時(shí)，不能形成完整熔覆層，且熔覆層灰暗，表面質(zhì)量較差。由圖5(b)-圖5(c)可看出，當(dāng)送粉率在4.5 g/min～7.8 g/min時(shí)，熔覆層完整飽滿，且熔覆層上表面和側(cè)面黏粉較少，表面質(zhì)量較好。由圖5(d)-圖5(f)可看出，當(dāng)送粉率在10.9 g/min～17.3 g/min時(shí)，熔覆層上表面和側(cè)面黏粉逐漸增多，表面質(zhì)量逐漸變差。因此可得出隨著送粉率增大，熔覆層上表面和側(cè)面黏粉整體增多。由圖6(c)所示，隨著送粉率增大，熔覆層上表面表面粗糙度增大。送粉率為17.3 g/min時(shí)，上表面表面粗糙度為2.506 μm，相較于送粉率為4.5 g/min(0.504 μm)時(shí)增加了79.9%。當(dāng)送粉量不斷增大時(shí)，激光能量不能完全熔化所有粉末，過多的粉末會(huì)以半熔或未熔狀態(tài)黏附在熔覆層上表面和側(cè)面，所以熔覆層表面黏粉和表面粗糙度增大。

圖5 不同送粉率下的單道SEM圖

圖6 不同工藝參數(shù)與單道上表面的表面粗糙度關(guān)系圖

2.4 直墻薄壁件表面質(zhì)量結(jié)果分析

根據(jù)激光功率、掃描速度和送粉率對(duì)單道表面質(zhì)量的影響研究，以激光功率為1050 W，掃描速度為6 mm/s，送粉率為7.8 g/min的工藝參數(shù)成形直墻薄壁件。圖7為成形直墻薄壁件形貌圖。從圖7(a)可看出直墻薄壁件側(cè)面光亮，表面較為光滑，表面粗糙度為2.244 μm，表面質(zhì)量較好；從圖7(b)可看出直墻薄壁件側(cè)面黏粉較少；從圖7(c)可得到直墻薄壁件表面波紋度16.036 μm。相比于文獻(xiàn)[12]獲得的表面波紋度(170.6 μm)，本文獲得的表面波紋度較小，側(cè)面較為平整。

圖7 直墻薄壁件形貌圖

3 結(jié)語

以單道為研究對(duì)象，研究了激光功率、掃描速度和送粉率這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)單道成形表面質(zhì)量的影響，進(jìn)而成形直墻薄壁件，得出以下結(jié)論：

1)激光功率對(duì)單道熔覆層表面質(zhì)量有顯著的影響，隨著激光功率的增加，單道熔覆層上表面和側(cè)面黏粉減少，上表面的表面粗糙度降低，增大功率可以提高表面質(zhì)量。

2)隨著掃描速度增大，單道上表面和側(cè)面黏粉和表面粗糙度先減小后增大；隨著送粉率增大，單道上表面和側(cè)面黏粉和表面粗糙度增大，過小送粉率會(huì)導(dǎo)致熔覆層過燒，熔覆效率低。

3)直墻薄壁件側(cè)面光亮，表面較為光滑，表面粗糙度為2.244 μm，側(cè)面黏粉較少，表面質(zhì)量較好；表面波紋度較小，為16.036 μm，側(cè)面較為平整。