激光熔覆過程中等離子體藍紫光強度與主要熔覆工藝參數的關系

哈 達 洪 蕾

(上海海事大學物流工程學院，上海200135)

激光熔覆光信號監測是研究激光等離子體強度及其對熔覆層質量影響的重要方法之一。熔覆工藝參數對激光熔覆以及熔覆過程中的等離子體的影響作用最終通過一些過程參量，如熔池的形狀和尺寸、熔池溫度等體現出來。這些參量將最終決定激光熔覆過程的穩定性和熔覆質量。國內外學者對熔覆過程監測做了很多研究，如利用激光三角測量原理對熔池附近已熔覆點和未熔覆點的高度差進行實時檢測；通過紅外傳感器及CCD攝像對激光熔覆過程進行實時檢測；以及采用CCD攝像機對粉末流溫度場進行檢測等。本實驗以觀察等離子體拾取其光信號達到監測激光熔覆過程的目的，通過實驗分析熔覆過程參數對激光等離子體及其光信號的影響，進而分析這些參數對熔覆層質量的影響, 為熔覆實時控制及自動化控制做準備。

激光熔覆是一個復雜的工藝過程，激光熔覆工藝參數主要包括激光功率(P)、掃描速度(VS)、光斑尺寸(D)和送粉速率(Vg)等。激光熔覆工藝參數的選擇將直接影響熔覆過程中等離子體的產生，進而影響熔覆層的質量、組織和性能等方面。因此我們通過控制這些工藝參數，檢測等離子體的光信號。

因為激光功率(P)和光斑尺寸(D)綜合起來是反應激光能量密度，而實驗設備對光斑尺寸的調節比較耗時，所以我們固定光斑尺寸，通過改變激光功率的大小來改變激光能量密度。本實驗通過對預定采集點數據的采集，利用信息處理工具MATLAB軟件對相關數據進行處理，這樣可以更形象的反應各工藝參數對等離子體的影響。由于設備限制，本實驗的激光設備為矩形光斑(1.5 mm×6 mm)，而粉末是通過同步送粉法通過圓形管道送粉，直徑為6 mm，故有一部分粉末在熔覆過程中不能被激光掃描到，這部分粉末只能通過熱傳遞來熔化，可能會出現熔化不充分的情況。

1 等離子體藍紫光強度與激光功率的關系

實驗中熔覆材料為60 mm固定長度的鋼板，激光掃描速度VS為2 mm/s，送粉速率Vg為17.6 g/min，激光功率分別為800 w、1 600 w、2 200 w和2 600 w的情況下藍紫光強度的變化曲線見圖1。

圖1 不同功率下，等離子體藍紫光強度隨時間變化的曲線Figure 1 Plasma blue-violet light intensity changes with time under different power

從圖1中可以看出，藍紫光強度與激光功率成正比，激光功率越大，藍紫光強度越高。而且藍紫光的強度并不穩定，而是在一定范圍內波動變化。這是由于在熔覆過程中激光與基體，激光與粉末，粉末和基體之間的相互作用具有波動性，他們只能保持相對的穩定，而且氣動同軸送粉也只是相對穩定，這些因素綜合起來導致藍紫光強度的波動變化。表1為不同功率密度下藍紫光強度。

表1 不同功率密度下藍紫光強度Table 1 Blue-violet light intensity under different power

2 等離子體藍紫光強度與掃描速度VS的關系

實驗固定激光功率為1 000 w，送粉率Vg為17.6 g/min，掃描速度VS分別為2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s和8mm/s 情況下藍紫光強度的變化曲線見圖2。

從圖2可以看出，在掃描過程中，各掃描速度下藍紫光強度很接近，藍紫光強度隨著掃描速度VS增大基本不變。這主要是由于氣動同軸送粉，粉末與激光束相對靜止，激光功率與粉末下落時間保持不變，所以粉末顆粒在下落的過程中吸收的能量基本保持不變，從而藍紫光強度也基本保持不變。圖2中藍紫光強度的值基本上都為(0.4～0.8)μw/cm2。

圖2 不同掃描速度VS下，藍紫光強度隨時間變化的曲線Figure 2 Blue-violet light intensity changes with time under different scanning speed

3 等離子體藍紫光強度與送粉率Vg的關系

由于送粉率的可控制范圍相對比較小，因此結合具體情況，主要測量了在激光功率為2 500 w，掃描速度VS為4 mm/s，氣壓為12 Pa，送粉率Vg分別為(0、2.4、5.3、12.7、17.6和21.2)g/min的情況下，藍紫光強度與送粉率的關系曲線，如圖3。

圖3 藍紫光強度與送粉率的關系曲線Figure 3 Blue-violet light intensity changes with powder feed rate

從圖3可以看出藍紫光強度隨送粉率的增大，先增大后減小。這主要是由于在送粉率Vg為0 g/min時，即相當于激光淬火，此時藍紫光強度在不同的掃描速度VS下，基本上等于外界光源的干擾值。隨著送粉率的增大，部分粉末氣化擊穿形成等離子體，藍紫光強度增強。當送粉率Vg達到一定值時，藍紫光強度達到最大值，隨著送粉率Vg的繼續增大，粉末“濃度”增大。當粉末“濃度”達到一定值時，可以把粉末近似看成一個類似基體的粉末體，這時藍紫光強度減小。

4 結論

實驗結果表明，在此實驗條件下藍紫光強度與激光功率成正比，激光功率越大，藍紫光強度越高。但藍紫光的強度并不穩定，而是在一定范圍內波動變化。各掃描速度下藍紫光強度很接近，藍紫光強度隨著掃描速度VS增大基本不變。藍紫光強度的值基本上都在(0.4～0.8)μw/cm2。藍紫光強度隨送粉率的增大，先增大后減小。