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(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京,100044；3.北京科技大學(xué),北京,100083)

0 序言

激光同軸送粉增材制造技術(shù)作為大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件高質(zhì)量直接沉積制造不可或缺的主流工藝方法，制造過(guò)程涉及復(fù)雜的多因素[1-2]、多流場(chǎng)之間的相互耦合，深刻理解工藝涉及到的關(guān)鍵工藝過(guò)程并加以控制，是優(yōu)化和促進(jìn)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)[3-4].相關(guān)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(huì)直接影響到熔覆層的尺寸特征，進(jìn)而對(duì)增材制造效率和構(gòu)件的成形質(zhì)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(zhǔn)、可控、穩(wěn)定的送進(jìn)激光輻照所形成的液態(tài)熔池中，是實(shí)現(xiàn)該制造方法高精度、高質(zhì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，常規(guī)的檢測(cè)方法很難精準(zhǔn)獲取粉末束流的關(guān)鍵特征，并給出合理評(píng)價(jià)，這為激光同軸送粉增材制造技術(shù)關(guān)鍵過(guò)程的全面認(rèn)識(shí)和全流程調(diào)控增加了難度.實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的識(shí)別與調(diào)控已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是該技術(shù)走向批量化生產(chǎn)亟需解決的關(guān)鍵難題之一[7].目前關(guān)于激光同軸送粉增材制造相關(guān)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(guān)于零部件加工過(guò)程中粉末束流關(guān)鍵特征表征與調(diào)控相關(guān)的研究涉及較少[10]，迄今為止仍缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí).為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的分析，相關(guān)研究人員嘗試?yán)没叶缺碚鞣ǚ治龇勰┦鞯年P(guān)鍵特征，并對(duì)灰度表征法的可行性進(jìn)行了詳細(xì)論證，但對(duì)粉末束流匯聚性相關(guān)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(lái)在粉末束流關(guān)鍵特征分析方面也發(fā)揮了重要作用[12-14].

基于已經(jīng)構(gòu)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(duì)象，詳盡分析載氣、同軸保護(hù)氣、送粉速率對(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的影響規(guī)律，在加深對(duì)粉末束流認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，為粉末束流的調(diào)控提供依據(jù)，進(jìn)而對(duì)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(yàn)方法

采用同向增效瞬態(tài)成像技術(shù)，將亮度均勻的背景光源和高速攝像機(jī)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(jìn)入到CCD 內(nèi)部，提高背景和粉末束流之間的亮度差異.同時(shí)采用高分辨率高速攝像機(jī)，提高時(shí)空分辨率，更加精準(zhǔn)的捕獲粉末束流的實(shí)時(shí)狀態(tài)，拍攝方法及效果如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)用設(shè)備布置示意圖Fig.1 Schematic of equipment used for measuring the attenuation between laser and powders

試驗(yàn)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(guó)GTV 公司生產(chǎn)的雙料斗載氣式送粉器，型號(hào)為MF-PF2/2，送粉熔覆頭為德國(guó)Fraunhofer 公司生產(chǎn)的高精度同軸環(huán)形噴嘴，型號(hào)為COAX-40-S/F，粉末束流的理論焦點(diǎn)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(shù)，獲取每一幀圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)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(diǎn).粉末束流沿噴嘴中軸線方向呈環(huán)形對(duì)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(diǎn)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(diǎn)位置的橫截面進(jìn)行灰度值分析即可獲得焦點(diǎn)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(duì)焦點(diǎn)位置粉末束流的空間濃度分布特征進(jìn)行分析，如圖3 所示.利用高斯方程對(duì)圖3a 中焦點(diǎn)位置處的灰度分布實(shí)際曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)做多元非線性回歸分析，得到相應(yīng)的擬合曲線，如圖3b 所示.高斯方程如式(1)所示.

圖3 焦點(diǎn)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??；xc表示粉末束流中心線位置；w為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[-σ∶σ]對(duì)應(yīng)的寬度，該寬度對(duì)應(yīng)的面積占整個(gè)高斯分布曲線所占面積的68.4%.將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)應(yīng)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(shuō)明粉末束流的匯聚性較好.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 同軸保護(hù)氣對(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的影響

同軸保護(hù)氣一方面保護(hù)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(xué)系統(tǒng).同軸保護(hù)氣體流量大小對(duì)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(hù)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(hù)氣對(duì)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?qū)ζ錆舛确植继卣鬟M(jìn)行處理，氣體流量對(duì)粉末束流焦點(diǎn)位置的影響規(guī)律如圖5 所示.同軸保護(hù)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(shí)，對(duì)應(yīng)的粉末束流焦距為6.4 mm 左右，當(dāng)氣流量增加到23 L/min 時(shí)，粉末束流的焦距增加到9.8 mm左右，這說(shuō)明同軸保護(hù)氣流量對(duì)粉末束流的焦距影響較大，與此同時(shí)，灰度值最大值逐漸減小.

圖5 同軸保護(hù)氣對(duì)粉末束流焦點(diǎn)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(duì)不同同軸保護(hù)氣流量大小對(duì)應(yīng)的粉末束流焦點(diǎn)位置處的濃度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析，回歸方程相關(guān)系數(shù)如表1 所示，其決定系數(shù)均在0.98 以上，這說(shuō)明同軸保護(hù)氣流量改變并未影響到粉末束流焦點(diǎn)位置處的濃度特征.

表1 同軸保護(hù)氣流量對(duì)應(yīng)的回歸方程系數(shù)Table 1 Regression equation coefficients corresponding to shielding gas flow rates

同軸保護(hù)氣對(duì)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(hù)氣流量增加，有效粉斑直徑在1.0 mm 上下波動(dòng)，最大偏差在4.0%，這說(shuō)明同軸保護(hù)氣對(duì)有效粉斑直徑影響較小.

圖6 同軸保護(hù)氣對(duì)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(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的影響

載氣在激光同軸送粉增材制造過(guò)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(jìn)熔池，此外載氣對(duì)熔池也起到一定的防護(hù)作用.因此載氣流量對(duì)粉末束流形態(tài)、粉末束流焦點(diǎn)位置以及該位置處的濃度分布都會(huì)產(chǎn)生一定影響，不同載氣流量對(duì)應(yīng)的粉末束流宏觀形貌如圖7 所示.

圖7 載氣流量對(duì)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?qū)Σ煌d氣流量對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖8 所示.可以看出，載氣流量越大，粉末束流焦點(diǎn)位置逐漸靠近噴嘴，粉末束流焦距變小，這與同軸保護(hù)氣流量對(duì)焦點(diǎn)位置的影響規(guī)律恰好相反.載氣流量為2 L/min時(shí)，粉末束流的焦距為9 mm 左右，當(dāng)載氣流量提高到10 L/min 時(shí)，粉末束流的焦距為6.8 mm 左右，這說(shuō)明載氣流量同樣對(duì)粉末束流焦點(diǎn)位置影響較大.

圖8 載氣流量對(duì)粉末束流焦點(diǎn)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(jié)果如表2 所示，可以看出隨著載氣流量增加，粉末束流焦點(diǎn)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(shuō)明載氣同樣只是改變粉末束流的焦點(diǎn)位置，但是不改變焦點(diǎn)位置處的濃度分布特征.

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

載氣流量對(duì)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(shuō)明載氣流量提高粉末束流匯聚性下降.

圖9 載氣流量對(duì)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(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的影響

送粉速率對(duì)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(duì)粉末束流焦點(diǎn)位置影響不大，粉末束流最高點(diǎn)出現(xiàn)的位置均在7 mm 左右，結(jié)果如圖11 所示.

圖10 送粉速率對(duì)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(duì)粉末束流焦點(diǎn)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(guān)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(diǎn)位置處的有效粉斑直徑w在0.98 mm 上下，整個(gè)過(guò)程較為一致，這說(shuō)明送粉速率對(duì)粉末束流匯聚性影響不大.

表3 送粉速率對(duì)回歸方程關(guān)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(duì)有效粉斑直徑的影響Fig.12 Effect of powder feeding rates on effective powder spot diameter

3 結(jié)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(diǎn)位置處粉末顆?？臻g分布的表征與分析方法，實(shí)現(xiàn)了粉末束流關(guān)鍵特征的定量化分析.

(2)同軸保護(hù)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(hù)氣流量從3 L/min 提高到23 L/min 時(shí)，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(shí)，焦距從9 mm 降低到6.8 mm，兩者對(duì)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(diǎn)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(shí)的0.88 mm，提高到10 L/min 時(shí)的1.32 mm，增幅高達(dá)50%.