自愈合效應對光內送粉激光變斑熔覆成形薄壁件的影響

吳繼琸,朱剛賢,陸斌,石拓,傅戈雁

(1.蘇州大學機電工程學院,215021,江蘇蘇州;2.西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

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自愈合效應對光內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.蘇州大學機電工程學院,215021,江蘇蘇州;2.西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

為提高激光熔覆成形不等寬構件的成形效率及成形精度,設計了相應的實驗:基于光內送粉方式,在單道工藝中采用實時變激光光斑方法,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。分析了變斑過程中激光離焦量連續變化及“拼接”后分段連續變化對薄壁件成形質量的影響規律,結果表明:激光離焦量在-3～-5 mm段時薄壁墻頂部平整,表面成形質量良好,熔覆層頂端形貌存在“自愈合”效應,而激光離焦量在0～-2 mm段時薄壁墻頂部不平整,成形質量很差;在負離焦范圍內,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,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。為實現變斑過程中熔覆層尺寸的連續變化,且充分利用自愈合效應,提出了激光離焦量區間的拼接方法,獲得了變斑過程中的自愈合區間,在此區間內逐層堆積出了熔覆層寬度從1到3 mm連續變化的薄壁件。此項研究可望為光內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;光內送粉;變光斑;自愈合

大型變壁厚薄壁零件廣泛應用于航空、航天等國防尖端技術及某些高技術領域中,但由于這類零件多工藝、多工序的制造特點,壁厚愈發變薄及結構設計的日益復雜,使得其制造技術面臨很大的挑戰[1-3]。激光熔覆成形技術作為最具代表性的一種增材制造技術,能直接制造出全致密且力學性能優異的金屬零件,在航空航天、汽車船舶及武器裝備等領域具有廣闊的應用前景[4-5]。目前,利用激光熔覆成形技術制造變壁厚薄壁零件,大都采用多道搭接方式進行,而多道搭接存在兩方面的缺陷:一方面,由于在搭接過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致成形表面出現宏觀傾斜角度,一旦這種情況發生,成形表面的尺寸精度將很難保證,嚴重時甚至會導致成形無法進行;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件的成形效率及成形精度問題,本文在單道工藝中采用實時變激光光斑方法,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,本課題組開發的“光內送粉”方式相對“光外送粉”能夠實現真正意義上的光粉同軸耦合,粉末利用率能達到68%以上[8]。為了實現在高質量加工及成形過程中改變熔覆層軌跡寬度,德國萊斯機械制造公司聯合德國弗勞恩霍夫激光技術研究所,基于“光外送粉”方式合作開發出了變焦激光熔覆頭,以進行激光變斑成形,但該公司主要致力于產品裝備的研發,對變斑熔覆工藝研究則少有報道[9]?！肮鈨人头邸狈绞郊す庵苯映尚沃饕槍Ρ诤窬鶆虻谋”诹慵某尚?而對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“光內送粉”方式,對激光變斑直接成形變壁厚薄壁零件的成形質量進行研究,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。

“自愈合”效應是激光直接成形薄壁件時存在的一種現象:在堆積過程中,由于熔池受熱還沒有達到熱平衡,或者是工藝參數設定值存在波動,會出現熔覆層生長高度不一致現象,即成形表面出現凸凹不平,但隨堆積層數增加,成形表面的不平整會逐漸消失,最終得到平整的表面,此種現象稱之為自愈合效應[7,10]。

產生自愈合效應的原因,實際上就是由于每層提升量與實際熔覆層生長高度不一致。實際的熔覆層生長高度其實是單層熔覆高度,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,在粉末負離焦下存在自愈合效應,并且獲得了表面平整的薄壁零件[11]。

要使自愈合效應出現,關鍵是精確找出自愈合區間,只有當激光或粉末離焦量在這個范圍內時,才存在自愈合效應。所以,本文通過實驗研究了激光離焦量與單層熔覆層高度之間的關系,找出了存在自愈合效應的區間,從而解決了“光內送粉”激光變斑成形零件表面的凸凹不平問題,提高了成形精度。

1 實驗材料及方法

實驗用金屬粉末為Fe313,粉末粒度為45～74 μm,其化學成分質量分數為: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,其化學成分質量分數為: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。實驗裝置由功率為2 kW的光纖激光器、6軸KUKA機器人、可傾式旋轉工作臺、光內重力送粉噴嘴、送粉器及輔助裝置組成,見圖1。通過光內同軸送粉噴嘴使激光光源變為環形光,具體原理如圖2所示。

圖1 實驗系統圖

(a)原理圖

(b)粉末匯聚圖圖2 光內同軸送粉示意圖

首先,依據前期的單道實驗,在重力送粉方式下優化的工藝參數為: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作為變斑過程中熔覆層高度的優化評價指標。在重力送粉方式下保持送粉量Mp=8 g/min不變,實驗發現在變化激光離焦量的過程中,通過實時調整激光功率及掃描速度能夠獲得高度增長均勻、寬度逐漸變化的熔覆層。實驗獲得的各工藝參數之間的關系及相應的熔覆層尺寸見表1。

最后,設計單道熔覆層尺寸:寬度由1 mm逐漸變化到3 mm,高度為0.48 mm,長度為80 mm,如圖3所示。將設計的熔覆層分為7段,具體各段對應的工藝參數如表2所示。每段細分為10小段,每一小段確定一個功率及掃描速度,采用離散階梯段拼接逼近連續變化。

表1 不同工藝參數下對應熔覆層截面尺寸

圖3 設計的不等寬單道熔覆層尺寸圖

表2 不同區域對應的工藝參數

2 實驗結果與分析

2.1 單道變斑熔覆成形

依據文獻[12]中的提升量模型,設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中的工藝參數下,進行逐層堆積成形,總堆積層數為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,在激光離焦量為-3～-5 mm(Ⅴ～Ⅶ段)范圍內,薄壁墻頂部平整,表面成形質量良好,而在離焦量為0～-2 mm(Ⅰ～Ⅲ段)范圍內,薄壁墻頂部凹凸不平,成形質量很差。

為更好地說明自愈合效應,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:當激光離焦量為-4 mm時,隨堆積層數增加,熔覆層截面的結合線逐漸趨于平整;當離焦量為-1 mm時,隨堆積層數增加,熔覆層間的結合線起伏明顯,無平整趨勢。

造成圖4所示熔覆層頂端不平整的原因,可能是在整個變斑過程中激光離焦量的選擇不合理。激光離焦量在-3～-5 mm范圍時具有自愈合效應,而在0～-2 mm范圍時可能沒有自愈合效應。為了驗證這一猜測結果,找出自愈合區間,設計了不同激光離焦量下的單層熔覆成形實驗,具體工藝參數為:Z=-5～3.5 mm;P=600 W;V=15 mm/s;Mp=8 g/min;載氣流量R=3 L/min。實驗結果如圖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:在負離焦范圍內,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,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。

根據光的傳播原理及簡單的幾何關系,可計算出不同離焦量所對應的激光光斑外徑。計算公式為

(1)

式中:d0為光斑焦點處直徑(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。具體計算結果見表3。

表3 不同離焦量對應的激光光斑外徑

由粉末匯聚圖(見圖2b)可以看出,粉末聚焦狀態良好,匯聚直徑約為2 mm。當激光處于焦點附近熔覆時,激光產生的熔池較小,進入熔池的粉末量少,此時單層熔覆高度最小。隨著激光離焦量不斷增大,環形光斑直徑也逐漸增大,所以熔池變大,進入熔池的粉末增多,單層堆積厚度隨之增加。當離焦量達到±2.5 mm左右時,激光束直徑約等于粉斑直徑,粉末完全進入熔池,此時單層堆積厚度最大。隨著激光離焦量進一步增大,光斑直徑逐漸大于粉斑直徑,熔池逐漸擴大,但進入熔池的粉末量已不能隨之增加,故單層堆積厚度會逐漸減小,出現如圖7所示的情形。

2.2 自愈合區間拼接單道變斑熔覆成形

由2.1節的分析可知,在重力送粉方式下采用光內送粉噴嘴成形的薄壁件表面存在自愈合效應,但必須滿足以下條件:在初始位置成形時激光離焦量處在0.5～2.5mm和-2.5～-5mm范圍內。換言之,由于當激光離焦量處于0.5～2.5mm和-2.5～-5mm范圍時,激光熔覆層表面存在自愈合效應,所以也可將此范圍稱為自愈合區間。為實現光斑連續變化且充分利用自愈合效應,本文提出將2段自愈合區間進行拼接。由表4可知,在離焦量為±2.5mm時光斑直徑相等,故舍去離焦量為-2.5mm的點,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間。以熔覆層高度h=0.48mm作為變斑過程中熔覆層高度的優化評價指標,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間內獲得的具體工藝參數及熔覆層參數見表4。

設定不同離焦量下的提升量Z=0.32mm。在表4中的工藝參數下,于變斑單道基礎上逐層堆積成形,堆積層數為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,薄壁墻樣件成形質量較好,壁厚由1.0mm逐漸增大到3.0mm,符合預先設定的要求。

決定熔覆層截面尺寸的關鍵因素是進入熔池的能量和進入熔池的粉末量。進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 不同離焦量對應的熔覆層截面尺寸

(a)主視圖

(b)俯視圖圖8 自愈合區間拼接后成形的不等厚薄壁墻樣件

根據表4提供的工藝參數,可計算出7個不同離焦量段對應的激光能量密度及粉末濃度,見表5。

表5 不同參數對應的激光能量密度及粉末濃度

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

3 結 論

本文基于光內送粉方式,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。研究了激光變斑過程中激光離焦量連續變化及拼接后分段連續變化對薄壁件成形質量的影響規律,獲得如下結論:

(1)在激光變斑過程中,通過實時調整激光功率及掃描速度能夠獲得高度增長均勻、寬度逐漸變化的熔覆層;

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

(3)采用自愈合區間的拼接方法,實現了變斑過程中熔覆層尺寸的連續變化,逐層堆積出了熔覆層寬度從1mm到3mm連續變化的薄壁件。

本文的研究可望為光內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。

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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。 作者簡介:吳繼琸(1990—),男,碩士生;朱剛賢(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51405319,61475107);江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012183);中國博士后科學基金資助項目(2012M521117,2013T60556)。

10.7652/xjtuxb201601022

TN249

A

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