韓顯柱，楊義成，張彥東，黃瑞生，王慶江，方乃文

1.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司 河北秦皇島 066206

2.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

3.機械科學研究總院集團有限公司 北京 100044

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1 序言

近年來，增材制造技術(shù)作為傳統(tǒng)減材制造工藝的完善和補充，在高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件設(shè)計和成形制造等方面技術(shù)優(yōu)勢越發(fā)凸顯[1，2]。激光同軸送粉增材制造技術(shù)作為大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件高質(zhì)量直接沉積制造不可或缺的主流工藝方法，制造過程涉及復(fù)雜的多因素、多流場之間的相互耦合，深刻理解該工藝涉及到的關(guān)鍵工藝過程并加以控制，是優(yōu)化和促進該技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)[3，4]。例如，相關(guān)研究表明，粉末束流從環(huán)形同軸噴嘴送出后，其空間分布特征，即粉末束流的匯聚性會直接影響到熔覆層的尺寸特征，進而對增材制造效率和構(gòu)件的成形質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[5-6]。

激光熔覆技術(shù)廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜零部件的修復(fù)和直接近凈成形[7-11]。修復(fù)和直接近凈成形零部件的關(guān)注點略有不同，修復(fù)除了主要考慮基體和熔覆層之間的界面結(jié)合強度是否滿足要求，同時兼顧對結(jié)構(gòu)尺寸和精度的要求；還對零部件直接進行近凈成形、力學性能，對結(jié)構(gòu)幾何尺寸的完整性和精度要求同樣十分嚴格[12]。而為了提高單道多層或多道多層熔覆過程制備零部件的精度，有必要系統(tǒng)地分析激光熔覆槍抬升量和單道熔覆層高度之間的關(guān)系及其對熔覆制造過程的影響規(guī)律。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用粉末顆粒為采用氣霧化法制備的08Cr19Mn6Ni3Cu2N不銹鋼球形粉末，其原始粒度介于45～100μm之間。送粉器為德國GTV公司生產(chǎn)的雙料斗載氣式，型號為MF-PF2/2，送粉熔覆頭為德國Fraunhofer公司生產(chǎn)的高精度同軸環(huán)形噴嘴，型號為COAX-40-S/F，粉末束流的理論焦點位置為6.8mm（見圖1）。

圖1 試驗設(shè)備示意

2.2 試驗方法

為了有效評價關(guān)鍵工藝參數(shù)對多層搭接熔覆層成形特征的影響規(guī)律，選取熔覆層高度、“溝壑”深度、潤濕角等為特征值，具體特征尺寸如圖2所示，其中bi為第i道熔覆層的高度，潤濕角θ為熔覆層和基體之間的潤濕角大小，w為熔覆層的總寬度。

圖2 熔覆道搭接特征尺寸的說明

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單道熔覆層成形規(guī)律研究

單道熔覆層是多道多層熔覆的基礎(chǔ)。對于單道多層熔覆而言，單道熔覆層的高度決定著制造的效率，寬度決定著薄壁件的壁厚。而對于多道多層熔覆，考慮到道與道之間的搭接，單道熔覆層的寬度及潤濕角是主要考慮的特征參數(shù)。因此，有必要系統(tǒng)地研究不同工藝參數(shù)對單道熔覆層特征尺寸的影響。

在不同離焦量下，激光功率對熔覆層寬度的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出，在離焦量不變的情況下，激光功率增加，熔覆層寬度提升，功率＞0.6kW時，熔覆層寬度隨光斑尺寸變大而逐漸變大，當激光功率＜0.5kW時，離焦量為+15mm時達到最大值；當離焦量提高到+18mm時略有下降；當離焦量為+20mm時最小。這說明，提高離焦量和增加功率都可以提高熔覆層的寬度，但是二者之間必須匹配，使功率密度達到合適的范圍才有效。

圖3 不同離焦量下熔覆層寬度隨激光功率的變化

同樣，圖4所示的是不同離焦量下熔覆層高度隨激光功率的增加而變化的情況。與圖3對比可以看出，離焦量對熔覆層寬度的影響規(guī)律與對高度的影響規(guī)律恰好相反，在同一激光功率的情況下，離焦量越大熔覆層的高度越小。而離焦量不變時，激光功率對熔覆層高度的影響規(guī)律與對熔覆層寬度的影響規(guī)律一致。

圖4 不同離焦量下熔覆層高度隨激光功率的變化

從功率對熔覆層特征尺寸的影響規(guī)律可以看出，當功率密度合適的情況下，離焦量越大，熔覆層寬度隨之增加，但是熔覆層的高度逐漸下降。熔覆層形貌上的表現(xiàn)就是其輪廓線和基體之間的夾角較小，把這個夾角稱之為熔覆層和基體之間的潤濕角，其隨離焦量的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著離焦量的增加，熔覆層的潤濕角逐漸減少，說明熔覆層輪廓線變化的趨勢越來越平緩，這對于多道多層熔覆而言有著重要的意義。

圖5 潤濕角和離焦量之間的關(guān)系

3.2 搭接率對成形質(zhì)量的影響

激光同軸送粉加工技術(shù)應(yīng)用于多道多層熔覆成形時，對熔覆層的成形質(zhì)量要求較高，搭接率是影響熔覆層表面平整度、層與層之間是否形成空洞、夾雜、裂紋等的關(guān)鍵因素。在實際熔覆的過程中，不同搭接率對熔覆層表面形貌的影響可分為以下三種情況：一是搭接率過小造成的道與道之間存在“溝壑”；二是搭接率過大時，會使后一道熔覆層最高點高于前一道熔覆層的最高點，從而造成傾斜現(xiàn)象；三是只有當搭接率合適時，道與道之間較為平整。因此，為了確定合適的搭接率，建立了激光同軸送粉熔覆道與層之間的搭接率優(yōu)化模型。本模型建立的前提有兩個基本的假設(shè)：①每一熔覆層的橫截面為圓的一部分，且面積相等。②熔覆層最高點位置一致，搭接層和被搭接層之間的成形為最高點的連線，搭接點以后的成形和未搭接時該點以后的成形規(guī)律一致，臨界搭接率理論模型如圖6所示。

圖6 搭接率模型的建立

通過對激光同軸送粉理想搭接率模型的分析可以看出，要想獲得表面平整的熔覆層，必須滿足式（1）或式（2）：

由幾何關(guān)系可知：

由式（3）和式（4）可知：

由此，通過式（4）～式（6）的計算可知，搭接率大小只與熔覆層的寬度和高度有關(guān)。設(shè)定熔覆層的寬度分別為1mm、2mm、3mm和4mm，通過對上述3個公式的求解可以得到不同熔覆層寬度和高度所需的臨界搭接率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同熔覆層特征尺寸對應(yīng)的搭接率

通過對圖7的分析可以看出，熔覆層高度一定時，熔覆層寬度增加，搭接率提升，而當熔覆層寬度一定時，熔覆層高度增加，搭接率的數(shù)值逐漸降低。值得注意的一點是，熔覆層寬度越大，臨界搭接率隨熔覆層高度的變化趨勢越平緩，這也意味著工藝本身適應(yīng)性的提高。因此，從控制過程穩(wěn)定性的角度考慮，在實際熔覆過程中，應(yīng)盡可能地選擇熔覆層較寬的工藝進行多道多層熔覆。

激光同軸送粉加工技術(shù)搭接率模型的構(gòu)建對于科研人員優(yōu)化熔覆層的搭接率具有一定的指導(dǎo)意義。但是，在實際工藝執(zhí)行過程中，熔覆層的橫截面不是理想的圓弧狀，且搭接后前一道的成形對后一道的成形必然存在一定的影響。為了分析激光同軸送粉熔覆過程中，搭接率對熔覆層表面成形的影響，分析了兩道搭接時，不同搭接率對成形的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖8所示。在搭接率＜30%時，前后兩道的熔覆層高度基本一致，道與道之間存在“溝壑”；當搭接率＞40%時，后一道熔覆層的高度要明顯高于前一道熔覆層的高度，且這種差別隨搭接率的提高，趨勢越來越明顯。

圖8 兩道熔覆層搭接形貌

圖9 表示的是兩熔覆層搭接時，不同搭接率對搭接層（第2道熔覆層）高度的影響規(guī)律。從圖9可以看出，隨搭接率的提高，搭接熔覆層的高度逐漸增加，當搭接率超過50%時，變化的趨勢變得緩慢。這可能是由于當搭接率達到一定值時，后一道熔覆層的激光輻照區(qū)主要作用在上一熔覆層的斜面上，這對熔池而言是不穩(wěn)定的，在凝固過程中一部分液態(tài)金屬向下流淌，減緩了高度的增加趨勢，搭接率越大熔池向下流動的可能性就越大，因此熔覆層高度增加的趨勢逐漸減小。

圖9 兩道熔覆層高度變化情況

搭接率的變化也會造成基體上的熔深發(fā)生變化，同時搭接熔覆層潤濕角隨之改變，其變化趨勢如圖10所示。當搭接率＞30%時，熔覆層熔深隨著搭接率的提高逐漸降低，當搭接率為70%時，熔覆層和基體幾乎為一條直線，肉眼很難分辨熔深大小。單道熔覆時，潤濕角為50°左右，搭接率＜40%時，搭接道潤濕角要小于單道熔覆時的潤濕角，但是當搭接率＞50%時，搭接道潤濕角大于單道熔覆時的角度。從整個過程看，搭接道的潤濕角隨著搭接率的提高不斷變大。

圖10 潤濕角及熔覆層熔深和搭接率的關(guān)系

在上述分析的基礎(chǔ)上，分別進行了搭接率為30%、40%、50% 、60%和70%時的20道搭接成形試驗，表面形貌如圖11所示。由圖11可以看出，隨著搭接率的提高，表面“溝壑”的深度逐漸降低，平整度逐漸提高，同時熔覆層的高度也隨之增加。

圖11 不同搭接率對應(yīng)的熔覆層表面形貌

值得注意的是，隨著搭接率的提高，熔覆層和界面的結(jié)合深度逐漸降低，搭接率＞50%時，界面結(jié)合區(qū)肉眼很難分辨，這會存在兩方面的問題值得深入研究：首先，對于激光熔覆表面改性而言，希望得到低的稀釋率，因此適當提高搭接率會有所幫助；其次，如果搭接率過大，界面是否能夠達到真正意義上的冶金結(jié)合，滿足對修復(fù)強度的要求，這有待于進一步分析研究。

4 結(jié)束語

1）激光功率和離焦量是影響熔覆層寬度和高度的關(guān)鍵因素，離焦量增加，激光能量密度降低是熔覆層寬度減少、熔深變淺的主要影響因素。

2）建立了激光同軸送粉加工搭接率模型，實現(xiàn)了對工藝優(yōu)化方向的預(yù)測，當熔覆層寬度增加時，工藝穩(wěn)定性較好，是實現(xiàn)高質(zhì)量熔覆層制備的基礎(chǔ)。

3）在單道工藝和多道搭接熔覆工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，搭接率設(shè)定為40%時，可以實現(xiàn)熔覆層的高質(zhì)量制備。