z軸單層行程對激光熔覆成形的影響

王鑫林，鄧德偉，胡　恒，宋弘韜，張洪潮

(1.大連理工大學 可持續設計與制造研究所，大連 116024；2.大連理工大學 材料科學與工程學院，大連 116024)

z軸單層行程對激光熔覆成形的影響

王鑫林1，鄧德偉2*，胡恒1，宋弘韜1，張洪潮1

(1.大連理工大學 可持續設計與制造研究所，大連 116024；2.大連理工大學 材料科學與工程學院，大連 116024)

摘要：為了探究z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度的匹配對激光熔覆成形的影響，采用了在不同的z軸單層行程Δz的情況下進行激光熔覆成形試驗的方法，通過理論分析和實驗驗證，得到了不同z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度以及離焦量的關系曲線。結果表明，z軸單層行程Δz存在一個以第2層熔覆層高度為基準的最佳的取值范圍，在此范圍內，熔覆過程能夠通過自身存在的反饋調節達到z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度相等的穩定成形狀態。該研究給出z軸單層行程Δz選取時的推薦值為0.5d2≤Δz≤0.6d2。

關鍵詞：激光技術；激光熔覆成形；z軸單層行程；單層熔覆層高度；反饋調節

*通訊聯系人。E-mail：deng@dlut.edu.cn

引言

激光熔覆技術是一種先進的表面改性技術，其原理是利用激光束將粉末和基體表層快速熔化、凝固后形成稀釋率低、與基體冶金結合的熔覆層[1-3]。快速成型技術是一種新型的數字化成型技術，它能夠直接利用CAD模型、無需特定模具而在特定時間內制造復雜形狀的立體模型或實體。其原理是先將3維模型進行分層切片，得到各層截面的輪廓，再按照這些等厚度的2維平面輪廓沿某一坐標方向疊加成3維零件[4-6]。激光熔覆成形技術是將快速成型原理與激光熔覆技術結合起來，形成的一種能夠制造致密金屬零件的快速成型技術。激光熔覆成形技術具有較高的材料利用率、較低的能量消耗率，能夠成形出任意復雜程度的致密原型和零部件等優點，其在航空航天、汽車工業、模具設計與制造、醫學等領域的應用越來越廣泛[7-8]。

z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度的匹配是實現高質量激光熔覆成形的關鍵因素。嚴格地說，Δz的數值必須與單層熔覆層高度保持一致，這樣才能確保各層工藝條件完全相同。但是在實際的熔覆成形過程中，激光功率和送粉量的波動以及基體熱積累等因素將導致熔覆層單層高度的變化，這使得Δz與單層熔覆層高度產生偏差。這種偏差會在后續的熔覆堆積過程中產生積累，進而對熔覆堆積高度的一致性產生嚴重影響，甚至導致熔覆堆積無法進行。因此，工藝參量Δz的確定十分重要[9-10]。ZHU等人[11]提出并驗證了z軸單層行程模型，指出z軸單層行程是單道熔覆層寬度與高度的函數。WANG等人[12]得到偏移量Δx與提升量Δz之間的關系曲線，并成形出圓弧截面傾斜薄壁件。WANG等人[13]還研究了變送粉量法激光多層熔覆成形對斜坡薄壁件幾何形狀精度的影響，并建立了變厚度切片成形幾何模型。通過調研，發現以往的研究或是通過不斷改變Δz實現薄壁件的直接熔覆成形，或是通過改變多個工藝參量配合實現熔覆成形，未見深入研究同一Δz條件下連續多層激光熔覆過程中，單層熔覆層高度以及離焦量隨熔覆層數的變化規律。

如果通過Δz的實時變化使得其與單層熔覆層高度保持恒定，則需要對Δz進行精確地控制。這對硬件的要求很高，不僅過程復雜，而且增加附加成本。本文中對z軸單層行程Δz進行了細致、深入的研究，得到了不同Δz條件下，熔覆層數、單層熔覆層高度以及離焦量的變化曲線，指出z軸單層行程Δz存在一個以第2層熔覆層高度為基準的最佳取值范圍。在此范圍內，激光熔覆成形存在負反饋，即使采用不變的Δz也能夠實現自我調整，達到z軸單層行程Δz與單層熔覆層高度相等的穩定狀態。

1試驗設備與材料

試驗裝置為激光熔覆成形系統。該系統包括德國Laserline公司生產的型號為LDF 4000-100、最大輸出功率為4.4kW的半導體激光器；德國KUKA公司生產的型號為KUKA ZH 30/60Ⅲ、最大抓取重量為40kg的六軸機器人；德國Precitec公司生產的YC52同軸激光熔覆頭；鞍山煜辰科技有限公司生產的載氣式同軸送粉器。試驗中使用的基體材料為304L不銹鋼；激光熔覆粉末為Fe2合金粉末，其化學成分見表1。載粉氣體和保護氣體皆為高純度Ar氣。

Table 1　Chemical composition of Fe2powder

2試驗方法、結果與分析

試驗參量如下：激光功率為1300W，焦點平面處光斑直徑為3mm，激光掃描速率為0.005m/s，送粉量為3.35g/min，載氣流量為360L/h。

2.1　離焦量對單層熔覆層高度的影響

在激光熔覆成形的過程中，離焦量的變化將引起激光光斑、進入熔池粉末數量以及能量密度的變化,進而引起熔覆層高度的變化[14]。本試驗中研究離焦量與單層熔覆層高度的關系，為下一步研究z軸單層行程Δz對熔覆成形的影響做準備。

2.1.1試驗方法試驗過程中保持其它的工藝參量不變，只改變進行第2層熔覆的離焦量。探究單層熔覆層的高度與離焦量的關系。第2層熔覆的離焦量依次為-4mm，-3mm，-2mm，-1mm，0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，共做9組試驗。在每一組實驗中，進行雙層單道熔覆。保證進行第1層熔覆時的離焦量為0mm，然后用游標卡尺對第1層熔覆層的同一位置處高度多次測量，求得平均值。根據第1層熔覆層的高度調整熔覆頭的位置，改變進行第2層熔覆的離焦量。熔覆完成后，用同樣的方法測得熔覆層的高度，然后通過計算得到第2層熔覆層的高度。試驗結果如圖1所示。

Fig.1　Relationship between single cladding layer height and defocusing

2.1.2實驗結果與分析如圖1所示，在正離焦情況下，離焦量從0mm增加到4mm，單層熔覆層的高度由0.50mm減小到0.26mm；在負離焦的情況下，離焦量從0mm減小到-4mm，單層熔覆層的高度由0.50mm減小到0.32mm。如圖2所示，假定激光焦點和粉末的匯聚點重合。當基體在L1位置時為負離焦，且離焦量為a1；當基體在L2位置時為正離焦，且離焦量為a2。因為無論正離焦量還是負離焦，離焦量絕對值的增加將使得進入熔池的粉末減少，并且激光光斑直徑增加，激光能量密度減小，單層熔覆層的高度就會減小。

Fig.2　Schematic of interaction between laser beam and powder

分析圖1、圖2可知，在正離焦的情況下，如果Δz的值大于單層熔覆層的高度，則進行下一層熔覆時的正離焦量增加，單層熔覆層的高度會減小，從而使進行再下一層熔覆時的正離焦量進一步增加，存在正反饋，最終破壞熔覆成形的穩定狀態，不能熔覆成形。而在負離焦的情況下，如果Δz的值小于單層熔覆層的高度，那么進行下一層熔覆時離焦量的絕對值增加，單層熔覆層的高度減小，進行再下一層熔覆時離焦量的絕對值進一步增加，存在負反饋過程，最終會達到Δz等于單層熔覆層高度的穩定狀態[15]。

2.2　z軸單層行程Δz對熔覆成形的影響

2.2.1試驗方法在試驗中保持其它的工藝參量不變，只改變z軸單層行程Δz，進而單一地研究z軸單層行程Δz對熔覆成形的影響。進行單道多層熔覆成形試驗，掃描路徑為直線，尺寸為60mm，熔覆成形件逐層堆積。第1層和第2層熔覆時離焦量為0mm，使用以上熔覆工藝參量得到的第2層熔覆層單層高度為0.50mm。試驗時，首先在離焦量為0mm的情況下，熔覆得到第1層并測量第1層熔覆層的高度，并根據第1層熔覆層的高度調整熔覆頭的位置，使進行第2層熔覆時的離焦量為0mm。從第3層開始，采用單道掃描，每走完一道激光頭提升一個不變的高度Δz，堆積過程采用“z”字形往返掃描方式。為了避免堆積過程中熱積累導致的坍陷，每熔覆一層停留2min，同時利用游標卡尺測量熔覆層同一縱截面位置處的高度，進行多次測量求得平均值，通過計算得到此Δz下，每一層的熔覆層的單層高度以及每一層熔覆層的離焦量。

依次取z軸單層行程Δz為0.55mm，0.50mm，0.45mm，0.35mm，0.30mm，0.25mm，0.20mm,0.15mm做8組試驗，熔覆成形件和試驗結果分別如圖3和圖4所示。

Fig.3　Photographs of cladding parts at different Δz

Fig.4　Relationship of defocus, single cladding layer height and layer numbers at different Δz

2.2.2實驗結果與分析如圖4a和圖4b所示，當Δz=0.55mm和Δz=0.50mm時，Δz從第3層開始就大于單層熔覆層的高度，出現正離焦且正離焦量一直在增大，熔覆層單層高度在不斷減小。由第2.1節中的分析可知，隨著正離焦量的增大，單層熔覆層高度減小，而單層高度的減少會使下一層熔覆的正離焦量更大，如此往復會導致離焦量越來越大，單層高度越來越小，熔覆成形無法進行。圖3a和圖3b是堆積15層的熔覆件。

如圖4c和圖4d所示，當Δz=0.45mm和Δz=0.35mm時，單層熔覆層的高度隨著層數的增加呈現減小的趨勢，并且一直波動。在初始幾層，Δz小于單層高度，出現負離焦，單層高度減小，這使其與Δz的差值(d-Δz)變小，負離焦量減小，分別在第6層和第12層之后會出現正離焦。根據第2.1節中分析的結論，熔覆過程會在熔覆層單層高度等于Δz的負離焦狀態下保持穩定，但是由于激光功率，送粉量的波動以及熔覆成形過程中離焦量的非連續性變化，熔覆層的單層高度發生波動，熔覆過程由負離焦狀態波動到正離焦狀態，由穩定的狀態波動到非穩定的狀態。圖3c和圖3d分別是堆積15層和20層的熔覆件。

如圖4e和圖4f所示，當Δz=0.30mm和Δz=0.25mm時，前期熔覆層的單層高度隨層數的增加有減小的趨勢，但是隨著層數的增加，達到了Δz等于單層熔覆層高度的穩定狀態。當Δz=0.30mm時，單層熔覆層高度在19層之后達到穩定狀態，在此狀態下，離焦量為-0.34mm，熔覆層的單層高度與Δz相等且值為0.3mm；當Δz=0.25mm時，單層熔覆層厚度在23層之后達到穩定狀態，在此狀態下，離焦量為-1.40mm，熔覆層的單層高度為與Δz相等且值為0.25mm。根據第2.1節中分析的結論可知，因為前期出現了負離焦，并且負離焦量的絕對值不斷地增加，單層高度不斷地減小，最后減小到和Δz值相同。后續的熔覆過程中離焦量不再發生變化，單層熔覆層的高度也將達到穩定狀態。圖3e和圖3f是堆積25層的熔覆件。

如圖4g和圖4h所示，當Δz=0.20mm和Δz=0.15mm時，從第3層開始Δz的值就一直小于單層熔覆層的高度，所以離焦量一直為負離焦，且離焦量的絕對值會一直增加。堆積到第29層的時候，負離焦量達到-4.1mm，激光熔覆頭距離基體的距離已經很小，但仍然未達到Δz與單程高度相等的穩定狀態?？紤]到熔覆成形過程中的熔覆頭的安全以及熔覆成形的效率，認為在本次實驗中Δz不是合理的選擇。圖3g和圖3h是堆積29層的熔覆件。

對比各圖發現，當第2層熔覆層高度d2與z軸單層行程Δz的差值為負(Δz≥d2)時，隨著熔覆層數的增加，正離焦量會越來越大，單層高度越來越小，熔覆過程偏離穩定狀態，最終不能熔覆成形。當0.7d2≤Δz

3結論

(1)無論是在正離焦還是負離焦的情況下，離焦量絕對值的增加將使進入熔池的粉末減少、激光光斑直徑增加、激光能量密度減小，最終導致單層熔覆層的高度減小。

(2)在激光熔覆成形中，z軸單層行程Δz對單層熔覆高度以及離焦量有很大的影響。當0.7d2≤Δz時，熔覆過程不能達到穩定狀態，不能很好地熔覆成形，熔覆件表現出表面波浪起伏。而當0.5d2≤Δz≤0.6d2時，多層激光熔覆過程存在負反饋，能夠實現自我調整達到Δz與單層高度相等的穩定狀態，熔覆件表面較為平整。另外，Δz與d2差值越大出現穩定狀態需要熔覆的層數就越多，達到穩定狀態時的離焦量的絕對值越大，魯棒性越好。當0.3d2≤Δz≤0.4d2時，熔覆成形過程效率低且存在較大的安全隱患，即使理論上存在魯棒性更好的穩定性，也不推薦采用。

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Effect of singlez-increment on laser cladding forming

WANGXinlin1,DENGDewei2,HUHeng1,SONGHongtao1,ZHANGHongchao1

(1.Institute on Sustainable Design and Manufacturing, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract：To study effect of the matching ofz-axis single increment (Δz) with single cladding layer height on laser cladding forming, experiments of laser cladding forming were carried out at different Δz. The relationship curves of different Δz, single cladding layer height and defocusing were obtained after theoretical analysis and experimental verification. The results show that the optimal range of Δzis based on the second cladding layer height. In this range, the process of cladding would reach a steady forming state by feedback regulation. A recommended value of Δz(0.5d2≤Δz≤0.6d2) is provided.

Key words:laser technique; laser cladding forming;z-axis single increment; height of single cladding layer; feedback regulation

收稿日期：2014-07-27；收到修改稿日期：2014-09-23

作者簡介：王鑫林(1989-)，男，碩士研究生，現主要從事激光熔覆的研究。

中圖分類號：TG665

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.025

文章編號：1001-3806(2015)05-0702-04