斜壁無支撐結構激光熔絲增材制造的駝峰形成機理

陳賢達 母中彥 羅曼樂蘭 黃安國

摘要：以316L不銹鋼為實驗絲材，采用高速攝像研究了斜壁無支撐結構激光熔絲增材制造的駝峰缺陷形成規律。結果表明：即使絲材最初能夠以液橋過渡的方式在基板上進行沉積，但在進行到多層堆積的過程中仍容易產生駝峰缺陷;在文中工藝實驗條件下所產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，熔池內由于液體重力所導致的流淌效應增強，液體在表面張力的剪切作用下形成駝峰。

關鍵詞：激光熔絲增材;熔池流動;駝峰缺陷;斜壁無支撐結構;多層堆積

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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構[1-6]。然而，復雜構件激光熔絲增材制造時，往往存在支撐體前期設計困難、后期去除繁瑣等缺點，逐漸被斜壁無支撐結構所取代[7-9]。但應用該工藝結構時，重力對激光熔池影響大，導致明顯的流淌效應，使得增材制造堆積層中易產生駝峰缺陷[10-14]。

關于駝峰缺陷的形成機理，國內外焊接工作者們已經開展了較為廣泛而詳細的研究，可通過優化工藝參數獲得無駝峰缺陷的焊接接頭[15-17]。但對于完全由焊縫組成且堆積層數在數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生的規律[18-21]。因此，有必要開展斜壁無支撐結構激光熔絲增材制造駝峰形成機理研究，揭示堆積層數對駝峰缺陷產生的影響規律，從而通過控制工藝參數獲得無缺陷的成形件。

文中以316L不銹鋼為增材絲材，進行單道多層斜壁無支撐結構的激光熔絲增材制造試驗，并采用高速攝像重點研究熔池流動對駝峰的影響，分析駝峰的大小和周期等物理特性，揭示駝峰的形成規律。本研究對復雜構件的斜壁無支撐激光熔絲增材制造工藝化設計提供了理論指導。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

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。在實驗開始前，用砂輪機對基材表面進行打磨，并用丙酮進行清洗，以除去基材表面的氧化膜和油污等雜質。

1.2 實驗平臺和方法

斜壁無支撐結構激光熔絲增材制造實驗平臺及增材過程示意如圖1所示?？梢钥闯?，實驗平臺主要由YLR-4000光纖激光器、KUKA機器人、福尼斯焊機送絲系統和Phantom V611高速攝像系統構成。為了實現傾斜直壁的堆積成形，保證基板與水平工作臺呈30°夾角。

實驗過程中，激光熔化的絲材垂直于基板進行單道多層堆積成形，層間冷卻時間為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，保護氣體采用工業純氬氣，工藝參數如表2所示。

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

2 結果與討論

2.1 堆積體宏觀形貌

斜壁無支撐30°傾斜狀態下的激光熔絲增材單道多層堆積體形貌如圖2所示?？梢钥闯?，當堆積到第4層時，堆積體表面開始出現明顯的駝峰現象。通過測量發現，堆積體上的駝峰長度為4～9 mm，高度為3～4 mm，并且相鄰駝峰的中心間距約為10 mm，呈現出一定的規律性，使得堆積體成形精度大幅降低。駝峰的出現與堆積層數及熔池的形成和流動直接相關，必須進一步研究多層堆積時熔池流動行為，以改善堆積體成形質量。

2.2 多層堆積中熔池流動行為

通過高速攝像觀測斜壁無支撐30°傾斜狀態下的熔池流體的流動。結果發現，第1、2、3堆積層熔池流動行為相差不大，但堆積第4層時有較強的熱累積效應，產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，重點分析堆積體第1層與第4層熔池的流動行為，從而獲得駝峰形成的規律。

進行第1層堆積時熔池流動的瞬態過程如圖3所示。由圖3可知，熔融絲材金屬主要以液橋過渡的方式在基板上沉積。在T0時刻（見圖3a），絲材端部受熱熔化并向熔池送入，液橋寬度保持一致，得到了穩定的沉積過程;在T0+4 ms時刻（見圖3b），液橋出現前端窄后端寬的現象;隨著增材過程的進行，在T0+6.6 ms時刻（見圖3d），液橋前端呈現出熔池金屬向下方振蕩的現象。產生上述現象的主要原因在于，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速度;同時，在較高的送絲速度下，液橋沖擊熔池，產生了振蕩現象。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。這主要是因為熔池處于傾斜狀態，受重力影響，具有向下的流淌趨勢，對熔池下側產生一定的沖擊作用。但此時熔池體積較小，液態金屬質量較輕，并無駝峰缺陷產生。

隨著堆積體堆積層數的增加，在第4層堆積過程中熔池的流動行為出現顯著的不同，由于前3層的熱累積效應，第4層的熔池大小明顯增加。由圖4可知，T0時刻開始，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;隨著增材過程的進行，在T0+242 ms時刻，熔化的絲材量逐漸增多，熔池逐漸增大，熔化的金屬液開始聚集。在T0+395 ms到T0+641 ms時刻，熔池進一步增大，在重力和表面張力的作用下，熔池無法繼續維持原始形狀，中部出現凸起。這主要是因為：熱累積效應使得第4層熔池體積顯著增大，熔融金屬增多，重力作用大幅增強了流淌效應，加劇了熔池的球化。在T0+686 ms到T0+950 ms時刻間，熔池開始凝固，并逐漸開始產生駝峰。

2.3 駝峰形成機理

通過高速攝像對斜壁無支撐激光熔絲成形過程的觀測發現，單個駝峰的形成過程主要分為熔融金屬團聚、駝峰長大以及凝固成形三個階段。在第一階段，金屬絲材熔化逐漸形成局部高溫熔池，絲材以液橋過渡的方式進入熔池。第二階段，絲材不斷熔化，熔池體積逐漸增大，到某一值時，增材過程進入準穩定狀態。此時，盡管熔池金屬受重力作用有向下流淌的趨勢，但表面張力限制其流淌，加之熔池邊緣溫度較低，液態金屬粘度較大，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，球狀金屬液凝固形成駝峰，固態絲材在表面張力的剪切作用下與金屬液分開，并在激光作用下重新熔化，形成新的熔池，往復循環，過程示意如圖5所示。

實際高速攝像拍攝的斜壁無支撐30°傾斜狀態下的連續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律性。在T0時刻，第一個駝峰出現，在T0+431 ms時刻，第一個駝峰形成，駝峰周期為431 ms，駝峰長度4 mm，此時絲材與熔池發生了分離。在一個駝峰結束的同時，第二個駝峰開始，在T0+1 332 ms時刻，第二個駝峰形成結束，周期為901 ms，較第一個駝峰相比，第二個駝峰長度為9 mm。這主要是液態金屬沿著駝峰間較窄的通道向焊接方向后方流動、聚集，進而形成了較大尺寸的駝峰。之后，在T0+1 747 ms時刻，第三個駝峰形成，該駝峰的周期為415 ms，長度為4 mm。由于不斷重復單個駝峰形成的三個階段，故而在堆積體頂層形成了連續性的駝峰。

3 結論

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

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

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

參考文獻：

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無支撐制造大懸臂的自適應切片[J].華中科技大學學報：自然科學版，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]. 中國激光，2017，44（2）：248-256.

大傾斜角薄壁結構激光近凈成形實驗研究[J]. 中國機械工程，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 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理研究[J]. 中國激光，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理的研究[D]. 湖南：湖南大學，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，陳樹君，等. 薄壁結構冷金屬過渡增材制造工藝優化[J]. 西安交通大學學報，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 電弧焊駝峰焊道產生過程的實驗研究[J]. 金屬學報，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，吳愛萍，單際國，等. 基于熔池流動分析的高速激光焊駝峰焊道形成過程研究[J].金屬學報，2013，49（6）：725-730.