顏 虎 魯 俊 王 敏 殷 鳴*

（1.四川大學(xué) 機械工程學(xué)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(yè)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(shù)。它利用激光作為熱源熔化目標(biāo)區(qū)域的粉末，致使粉末形成熔池并逐漸凝固成形，最終形成預(yù)設(shè)的零件。與傳統(tǒng)加工方式相比，激光熔化沉積技術(shù)不受生產(chǎn)模具的限制，加工靈活性高，廣泛應(yīng)用于航空、軍工等領(lǐng)域。

激光熔化沉積是一個復(fù)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(shù)下的熔池動態(tài)特征進行監(jiān)測，揭示了不同熔池動態(tài)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(shù)進行研究，并根據(jù)沉積質(zhì)量和力學(xué)性能兩方面優(yōu)化工藝參數(shù)，建立了粉末利用率和成形幾何特征的統(tǒng)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(yīng)面實驗設(shè)計和二次回歸建模，發(fā)現(xiàn)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(shù)對成形尺寸的影響程度，并分析單道表面成形質(zhì)量，為對成形質(zhì)量的監(jiān)測[5-7]和控制提供指導(dǎo)。

1 實驗材料和設(shè)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(jié)構(gòu)鋼。該材料具有強度高、沖擊韌性良好等優(yōu)點，在軍工和工業(yè)生活中有很大的應(yīng)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(xué)元素成分表

激光熔化沉積系統(tǒng)主要由激光器、工業(yè)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(diào)節(jié)范圍是80～4 000 W，具有較大的調(diào)控區(qū)間，且輸出功率穩(wěn)定性好。工業(yè)機器人具有很好的重復(fù)和定位精度，運行距離可達1 710 mm，可實現(xiàn)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(qū)域，可供各種復(fù)雜零件成形。整個裝置設(shè)備如圖1所示。

圖1 激光沉積設(shè)備圖

2 單層單道的工藝參數(shù)影響分析

為了探究單道單層中工藝參數(shù)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(shù)水平設(shè)置如表2所示，單層沉積長度設(shè)置為40 mm，且每相鄰兩道之間距離為10 mm。

表2 工藝參數(shù)各水平值

圖2是單層單道在基板最終成形樣件形貌?？梢?，沉積軌跡首尾兩端的沉積寬度和高度與中間區(qū)域相比存在差異。根據(jù)熔池的成形條件和過程，對首尾兩端的現(xiàn)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(shù)值明顯增大。在中間勻速區(qū)域，熔池在移動過程呈近橢圓形狀時，整個液態(tài)熔池內(nèi)部存在動態(tài)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(xiàn)首端那種突兀的尺寸。在末尾位置時，該區(qū)域出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)，應(yīng)該去除首尾兩端加減速對尺寸的影響，取中間勻速區(qū)域的數(shù)據(jù)進行分析。在該區(qū)域共進行3次數(shù)據(jù)測量，并取3次測量值的平均值作為研究結(jié)果。測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 單層沉積測量參數(shù)

極差分析法是正交試驗結(jié)果分析最常用的方法，具有計算簡便、簡單易懂的優(yōu)點。通過計算極差Rj可以判斷因素對試驗結(jié)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(jié)果的變動幅度，Rj越大，表示該因素變化時對試驗結(jié)果的影響越大；表示第j列因素的第m水平所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和的平均值，其大小可以判斷j列的最優(yōu)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(fā)現(xiàn)，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(jié)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(qū)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?shù)匠练e區(qū)域的粉末未完全利用。這種情況會產(chǎn)生較高的工藝成本。同時，該因素并不是沉積尺寸數(shù)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(diào)節(jié)，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(zhì)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(zhì)量的關(guān)系，圖3是單層工藝參數(shù)與單層沉積質(zhì)量關(guān)系圖。

圖3 工藝參數(shù)與單層沉積質(zhì)量關(guān)系圖

從圖3可知，根據(jù)激光功率和掃描速度可以劃分為A、B、C和D這4個區(qū)域，分別為不連續(xù)熔融區(qū)域、未完全熔融區(qū)域、正常熔融區(qū)域和過度熔融區(qū)域。當(dāng)處于A區(qū)域，激光功率較小，掃描速度偏大，激光熔覆區(qū)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(xiàn)明顯，沉積軌跡粉末球化現(xiàn)象嚴(yán)重，軌跡無法有效連接，沉積狀態(tài)為不連續(xù)熔融，得不到沉積尺寸。在B區(qū)域中，激光功率相對有所增加，單位時間內(nèi)粉末吸收的激光能量增加，粉末球化現(xiàn)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(zhì)量較差，沉積尺寸不均勻，很難得到精確的寬度和高度。當(dāng)激光功率繼續(xù)增大、掃描速度適中時，粉末完全熔化并在熔覆區(qū)冷卻成形。沉積狀態(tài)為正常熔融，在此C區(qū)域中既可以獲得精確的沉積尺寸，又可以形成穩(wěn)定的多層沉積層。當(dāng)激光功率過大而掃描速度偏小時，在激光熔覆區(qū)有更多的粉末熔化成形。激光能量對熔覆區(qū)域周圍產(chǎn)生了影響，對基板產(chǎn)生了過度燒結(jié)，呈現(xiàn)了D區(qū)域的過度熔融狀態(tài)。

綜上所述：C區(qū)域的正常熔融狀態(tài)才是單道沉積軌跡的理想狀態(tài)；D區(qū)域的過度熔融狀態(tài)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(qū)域可以歸結(jié)為不穩(wěn)定的熔融狀態(tài)，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(tài)。

4 結(jié)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(jù)激光功率和掃描速度劃分沉積狀態(tài)，而只有處于正常沉積狀態(tài)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(shù)，可以有效改善沉積狀態(tài)。