激光熔覆掃描方式對薄壁圓筒變形的影響研究

王勝權，烏日開西·艾依提，裴明源

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

激光熔覆通過高能密度的激光照射將熔覆粉末和基體表面融化的方式實現對破損零件表面的修復[1-3]。高功率的激光照射下使得成形過程中的溫度具有動態、時變、不均勻等特點[4]，在工件內部形成局部受熱幅值不等的循環溫變過程[5-7]。這種快速加熱和凝固過程中產生的殘余應力是導致薄壁零件變形的主要原因[8]。文獻[9-11]發現激光熔覆中在熔覆層及附近基板區域會產生塑性變形，文獻[12]通過研究得出掃描策略對成形件的內部應力分布和翹曲變形有很大影響。

通過采用不同的掃描路徑，利用傳感器進行實時監測動態的變化過程，分析激光熔覆在薄壁圓筒上的變形機理，尋找出變形較小的熔覆路徑和方法。

2 實驗材料、設備及過程

2.1 實驗材料與預處理

實驗圓筒是外徑98mm，長度200mm，壁厚4mm經過噴砂處理的304不銹鋼薄壁圓筒。熔覆材料是100-270目的316L不銹鋼粉末。實驗前將熔覆粉末316L 放入烘箱中進行110°C 烘干150min，防止粉末中含有較多水分而影響粉末流動的流暢性。

2.2 實驗設備

使用的設備是德國IPG 2000光纖激光器，通過KUKA六軸機械手臂裝載熔覆激光實現對圓筒的相對運動進行熔覆。

2.3 軌跡模型

在圓筒外表面上熔覆一個長60mm，弧度為60°的相同區域進行熔覆，熔覆方式軌跡如圖1所示。在圖1的d中“由外向內連續周向掃描”中的“內”代表圓筒左側“，外”為右側。

圖1 熔覆路徑示意圖Fig.1 Schematic of Cladding Path

2.4 實驗過程

實驗前安裝并調試傳感器。每次熔覆開始前，確定熔覆起點，保證每個熔覆筒的熔覆區域為相同位置。本實驗采用固定圓筒，移動激光頭的熔覆方式。實驗參數為功率1000W，掃描速度8mm/s，送粉速率1.2r/min，載氣量9L/min，搭接率30%。熔覆結束后，將熔覆圓筒自然冷卻15min，并一直采集傳感器的數據；實驗完成后用三坐標測量儀對熔覆圓筒表面進行測量。實驗測量點位如圖2所示，其中點1（2，3）與熔覆層中心角度為60°，與點5（6，7）相對于熔覆層對稱，點9在自由端面上。

圖2 傳感器安裝位置及測量點位示意圖Fig.2 Sensor Installation Position and Measurement Point

3 實驗結果及分析

3.1 單向熔覆

按照圖1中圖1（a）與圖1（b）兩種方案的實驗結果，如圖3所示。即從起點位置開始熔覆，完成一道后停光停粉，激光頭返回到起點并向下一道處偏移1.6mm后開始第二道熔覆，以此往復。傳感器的測量結果，如圖4（a），圖5（a），圖中負值代表向外膨脹，正值代表向內收縮。

圖3 不連續掃描路徑熔覆結果Fig.3 Discontinuous Scan Path Cladding Results

點1的實時變形結果，如圖4（a）所示。由圖中可以看出單向周向掃描時，前300s的變形為緩慢向外膨脹，在300s后變形程度逐漸變大，熔覆停止后不再膨脹，冷卻階段逐漸轉變為向內收縮。

單向平行軸掃描時，前100s時向內收縮，在100s到熔覆停止階段的變形為向外膨脹，冷卻過程中逐漸向內收縮，冷卻500s后收縮基本停止。

主要原因是單向周向掃描方式的熔道由遠至近逐漸靠近自由端測量區域，在逐漸靠近測量位置時圓筒整體溫度不斷升高，冷卻逐漸緩慢，因此，測量點在熔覆前300s膨脹變形較小，而在400s至熔覆結束時變形速率增加；而單向平行軸掃描方式在開始前100s時熔覆道數較少，圓筒散熱較快，在點1測量位置呈現向內收縮變形，隨著熔覆道數的增加，圓筒整體的溫度累積不斷升高，之后該點出現逐漸向外膨脹變形。而在同一軸線上的點1，2，3和點5，6，7上的最終變形，如圖4 所示。點1和點5都處于向內收縮狀，點2，3，6，7為向外膨脹，其變形趨勢總體呈現出在不斷遠離自由端方向上由向內收縮逐漸轉變為向外膨脹。軸向變形，如圖5所示。

圖4 徑向變形Fig.4 Radial Deformation

周向掃描在熔覆時軸向上變形呈現由向外膨脹逐漸轉變為向內收縮，并且隨著熔覆不斷靠近自由端面，軸向的收縮速率不斷加快。平行軸掃描方式的變形在前300s的變形為快速向外膨脹，隨著熔覆的進行變形趨勢逐漸變緩，在400s后轉變成向內收縮，熔覆停止后快速繼續向內收縮。主要原因是軸向變形中單向周向掃描由于熔覆開始距離較遠對于自由端面的影響較小，當熔覆層逐漸靠近時變形速度逐漸加快。而單向平行軸掃描熔覆是由于每一道熔覆層都是由遠至近不斷靠近自由端測量位置，而整體熔道是呈現逐漸靠近后逐漸遠離測量點。

3.2 連續路徑熔覆

采用連續周向掃描和連續平行軸向掃描的熔覆結果，如圖6所示。

圖6 連續掃描路徑熔覆結果Fig.6 Continuous Scan Path Cladding Results

點1變形結果如圖7（a）所示，熔覆過程中周向方向掃描方式的變形緩慢向內收縮狀，當熔覆停止后快速向內收縮，收縮至300微米基本平穩。而點1平行軸掃描方式的在熔覆初始階段前70s變形不明顯，當熔覆道數逐漸增加，熱量累積過多后點1位逐漸開始快速外膨脹，當熔覆結束后，開始快速向內收縮，直至冷卻回縮到100μm左右處于平穩。

圖7 徑向變形Fig.7 Radial Deformation

而在圖7（a）中圈內變形差異的主要原因是由于沿周向方向“S”型連續熔覆，每一道熔覆的弧長為51.3mm，而平行軸方向掃描的每一道長度為60mm，周向方向上的冷卻時間短于平行軸方向。而周向掃描熔覆道在逐漸靠近測量位置時的變形逐漸增大，平行軸掃描方式在開始前50s熔覆道數較少，圓筒散熱較快，在點1測量位置變形緩慢，隨著熔覆道數的增加，圓筒整體的溫度累積不斷升高，該點出現快速向外膨脹變形。在同一軸線上的點1，2，3和點5，6，7上的最終變形如圖7（b）、圖7（c）所示。對于同一軸向方向上的變形，在靠近自由端方向的點1，5的徑向變形為周向掃描大于平行軸掃描，而遠離自由端方向的點3，7的徑向變形為平行掃描大于周向掃描。所以圓周和平行軸掃描方式的徑向變形與距自由端距離的遠近呈相反性。在軸向變形中，軸向動態變形歷程如圖8（a）所示，開始熔覆時周向掃描方式的變形速率低于平行軸掃描是由于二者測量位置的受熱方向不同，周向掃描的熱量輻射更多沿軸向方向擴散，平行軸掃描的熱量更多沿周向方向擴散，導致兩種方式的熱量在軸向上的傳遞和累積不同產生變形差異。在冷卻過程中周向掃描向內回縮程度大于平行軸掃描回縮程度，最終變形程度比平行軸大28.5%。在實驗后通過三坐標測量兩種掃描方式的端面呈現如圖8（b）、圖8（c）所示。

圖8 軸向變形Fig.8 Axial Deformation

3.3 掃描路徑的方向性

采用圖1中的c連續周向掃描的方式和d由外向內連續周向掃描的方式，熔覆結果，如圖9所示。點1變形如圖10（a）所示，在熔覆過程中，由內到外周向掃描中點1的變形呈緩慢向內收縮狀，當熔覆停止后，快速向內收縮，收縮至0.3mm基本平穩；由外到內掃描方式的變形為熔覆前140s收迅速向外膨脹，140s后開始向內收縮，當熔覆停止后向內收縮速率加快。造成兩者變形的差異的原因主要是由于兩種方式起點距離測量點的距離差異，由外向內掃描逐漸遠離點1，這就使點1變形在熔覆開始就迅速向外膨脹，在熔道不斷遠離過程中不斷收縮。在同一軸線上的點1，2，3和點5，6，7上的最終變形，如圖10（b）、圖10（c）所示。

圖10 徑向變形Fig.10 Radial Deformation

點1和點5均向內收縮狀，且在不斷遠離自由端方向上整體呈現由向內收縮逐漸轉變為向外膨脹，兩種掃描方式在同一軸線上的變形趨勢相似。

軸向變形，如圖11 所示。兩種掃描方式都是熔覆過程中向外膨脹，冷卻過程向內收縮，并且在冷卻過程中的收縮速率基本相同。表明周向掃描的方向性對軸向變形無較大影響。在實驗后通過三坐標測量兩種掃描方式的端面呈現，如圖11（b）、圖11（c）所示。兩種都呈現出在熔覆區域附近的端面軸向方向都向內收縮，且在熔覆中心處端面收縮最嚴重，最大變形差均為1mm。

圖11 軸向變形Fig.11 Axial Deformation

4 結論

實驗通過在熔覆過程中利用傳感器測量指定位置的動態變形過程和三坐標測量最終變形數值的方式，分析在激光熔覆過程中不同的掃描方式對薄壁圓筒變形的影響，我們得出以下結論。

（1）在單向熔覆掃描方式中，平行軸掃描徑向整體變形小于周向掃描，軸向變形是圓周掃描的1/5；

（2）連續掃描中周向掃描方式的徑向變形靠近自由端變形大于平行軸掃描，遠離自由端變形小于平行軸掃描，軸向最終變形程度比平行軸大28.5%；

（3）周向掃描的方向性對于軸向上的變形無明顯差別，主要區別在徑向上的變形。