基于激光熔化沉積的單道成形質量影響分析

顏 虎 魯 俊 王 敏 殷 鳴*

（1.四川大學 機械工程學院，成都 610065；2.中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司智能制造事業部，綿陽 621000）

激光熔化沉積[1]（Laser Melting Deposition，LMD）是一種快速成形零件的增材制造技術。它利用激光作為熱源熔化目標區域的粉末，致使粉末形成熔池并逐漸凝固成形，最終形成預設的零件。與傳統加工方式相比，激光熔化沉積技術不受生產模具的限制，加工靈活性高，廣泛應用于航空、軍工等領域。

激光熔化沉積是一個復雜且多物理場耦合的過程，影響因素眾多，其中激光功率、掃描速度和送粉速率是被人們廣泛研究的影響因素。唐梓玨[2]等通過對不同工藝參數下的熔池動態特征進行監測，揭示了不同熔池動態特征對沉積層形狀精度的影響機制；Ansari[3]等針對水霧化鐵粉的工藝參數進行研究，并根據沉積質量和力學性能兩方面優化工藝參數，建立了粉末利用率和成形幾何特征的統計模型；Bhardwaj[4]等通過激光功率、掃描速度和送粉速率對沉積軌跡的幾何特性進行了研究，利用響應面實驗設計和二次回歸建模，發現激光功率越大、掃描速度和送粉速率越小的情況下，所形成的沉積軌跡稀釋最小。

本文針對激光熔化沉積過程的單道成形特征進行研究，

探

究工藝參數對成形尺寸的影響程度，并分析單道表面成形質量，為對成形質量的監測[5-7]和控制提供指導。

1 實驗材料和設備

實驗中所用的金屬粉末是30CrNi2MoVA，屬于一種中碳低合金高強度結構鋼。該材料具有強度高、沖擊韌性良好等優點，在軍工和工業生活中有很大的應用價值。該金屬粉末的元素成分如表1所示。

表1 30CrNi2MoVA粉末化學元素成分表

激光熔化沉積系統主要由激光器、工業機器人、打印頭以及工作臺等幾個部分組成。激光器的激光功率可調節范圍是80～4 000 W，具有較大的調控區間，且輸出功率穩定性好。工業機器人具有很好的重復和定位精度，運行距離可達1 710 mm，可實現大范圍的路徑掃描。激光打印頭集成性好，可添加各種傳感器接口，且打印工作距離在12～14 mm，粉末焦距直徑最小可達0.7 mm。工作臺是激光熔化沉積的區域，可供各種復雜零件成形。整個裝置設備如圖1所示。

圖1 激光沉積設備圖

2 單層單道的工藝參數影響分析

為了探究單道單層中工藝參數對沉積寬度和高度影響程度大小，針對激光功率、掃描速度、送粉速率和光斑直徑展開了實驗研究。由于涉及的因素較多，采用四因素五水平的正交試驗，其他干擾因素保持不變。工藝參數水平設置如表2所示，單層沉積長度設置為40 mm，且每相鄰兩道之間距離為10 mm。

表2 工藝參數各水平值

圖2是單層單道在基板最終成形樣件形貌。可見，沉積軌跡首尾兩端的沉積寬度和高度與中間區域相比存在差異。根據熔池的成形條件和過程，對首尾兩端的現象進行以下解釋。LMD工藝在軌跡首端位置時，散熱條件較好。在掃描速度逐漸加速到定值時，熔池在基板上未及時擴張開來，更多粉末形成的熔池也在首端位置沉積并凝固成形，致使軌跡首端的尺寸數值明顯增大。在中間勻速區域，熔池在移動過程呈近橢圓形狀時，整個液態熔池內部存在動態平衡，熔池尾部沒有存在滯留在原處的情形，因此該段不會出現首端那種突兀的尺寸。在末尾位置時，該區域出現減速的情況。在末尾點處沒有粉末形成的熔池對該處進行補充就開始凝固成形，所以末尾處會出現尺寸偏小的情況。

圖2 單層單道成形樣件圖

為了獲取各組實驗的沉積寬高數據，應該去除首尾兩端加減速對尺寸的影響，取中間勻速區域的數據進行分析。在該區域共進行3次數據測量，并取3次測量值的平均值作為研究結果。測量數據如表3所示。

表3 單層沉積測量參數

極差分析法是正交試驗結果分析最常用的方法，具有計算簡便、簡單易懂的優點。通過計算極差Rj可以判斷因素對試驗結果的影響程度，計算公式為：

式中：Rj反映第j列因素波動時的試驗結果的變動幅度，Rj越大，表示該因素變化時對試驗結果的影響越大；表示第j列因素的第m水平所對應的試驗結果之和的平均值，其大小可以判斷j列的最優水平。

通過計算，4個因素的極差R值如表4所示。

表4 各影響因素的極差值

比較寬度的極差值大小發現，光斑直徑對沉積寬度的影響最大，其次是激光功率和掃描速度，而送粉量的影響相對最小。比較高度的極差值大小，結果掃描速度對沉積高度的影響最大，其次是送粉量和光斑直徑，而激光功率的影響相對較小。

送粉量越大，表示送粉裝置輸送到沉積區域的粉末顆粒越多。LMD工藝是多個因素的共同作用，很容易致使傳輸到沉積區域的粉末未完全利用。這種情況會產生較高的工藝成本。同時，該因素并不是沉積尺寸數值的最大影響因素，因此考慮選取其他因素進行進一步的研究。光斑直徑目前在實驗過程中無法實時調節，且直徑大小在多層堆積過程中容易受到噴嘴到樣件表面的影響，會增加實驗過程影響因素的不確定性。綜合考慮下，選取激光功率和掃描速度作為進一步的影響因素進行研究。

3 單層單道沉積質量分析

為進一步研究激光功率、掃描速度與單層沉積成形質量的關系，圖3是單層工藝參數與單層沉積質量關系圖。

圖3 工藝參數與單層沉積質量關系圖

從圖3可知，根據激光功率和掃描速度可以劃分為A、B、C和D這4個區域，分別為不連續熔融區域、未完全熔融區域、正常熔融區域和過度熔融區域。當處于A區域，激光功率較小，掃描速度偏大，激光熔覆區的粉末難以熔化，粉末利用率極低。尤其在高的掃描速度下，表現明顯，沉積軌跡粉末球化現象嚴重，軌跡無法有效連接，沉積狀態為不連續熔融，得不到沉積尺寸。在B區域中，激光功率相對有所增加，單位時間內粉末吸收的激光能量增加，粉末球化現象得到改善，仍有部分粉末未能完全熔化，附在沉積層表面或周圍，成形質量較差，沉積尺寸不均勻，很難得到精確的寬度和高度。當激光功率繼續增大、掃描速度適中時，粉末完全熔化并在熔覆區冷卻成形。沉積狀態為正常熔融，在此C區域中既可以獲得精確的沉積尺寸，又可以形成穩定的多層沉積層。當激光功率過大而掃描速度偏小時，在激光熔覆區有更多的粉末熔化成形。激光能量對熔覆區域周圍產生了影響，對基板產生了過度燒結，呈現了D區域的過度熔融狀態。

綜上所述：C區域的正常熔融狀態才是單道沉積軌跡的理想狀態；D區域的過度熔融狀態可以通過提高掃描速度的方式來改善其沉積效果；A和B區域可以歸結為不穩定的熔融狀態，可以通過提高激光功率和減小掃描速度的方式過渡到正常熔融狀態。

4 結論

（1）單道沉積過程中，激光功率和光斑直徑對沉積寬度影響較大，而掃描速度和送粉量對沉積高度影響較大；

（2）單層單道沉積可以根據激光功率和掃描速度劃分沉積狀態，而只有處于正常沉積狀態才能獲取比較精確的沉積尺寸；

（3）通過改變激光功率和掃描速度兩個工藝參數，可以有效改善沉積狀態。