楊高林，鄭權航，錢浩凱，樊文，張群莉，石岳林，姚建華

(1.浙江工業(yè)大學,激光先進制造研究院,杭州,310023；2.高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,杭州,310023；3.舟山市鼎尊智能科技有限公司,舟山,316031)

0 序言

激光熔覆技術是現(xiàn)如今主流的增材制造技術之一，具有非常廣闊的工程應用前景[1-4].激光熔覆與傳統(tǒng)的堆焊技術，如冷焊堆焊、非熔化極惰性氣體保護焊(TIG 焊)[5-6]、熔化極惰性氣體保護焊(MIG 焊)[7-8]和等離子堆焊[9-10]等技術相比，具有更少的熱輸入或更好的成形性能等優(yōu)勢[11].此外，激光熔覆可以加工多種材料，包括在傳統(tǒng)方法中普遍認為不能焊接的材料[12].但由于激光熔覆中材料和基體的熔化、凝固、冷卻都是在極其短暫的時間里完成的，所以在工藝不當時會出現(xiàn)熔合不良，尺寸精度低，氣孔，裂紋等微觀缺陷[13-16].熔合不良缺陷會使零件的疲勞強度遠遠低于鍛件[17].因此，減少熔合不良缺陷是提高激光熔覆質(zhì)量的重要環(huán)節(jié).

激光熔覆技術中將單道沉積層的寬度與高度的比值稱為寬高比[18].其中，熔高隨著送粉速率的增大而增大，隨著掃描速度的降低而減小；熔寬隨著掃描速度的增大而下降，隨著粉末粒徑的增大而增大[19].當寬高比過低時便會產(chǎn)生熔合不良缺陷.

在熔合不良缺陷的研究方面，張鳳英等人[20]研究認為熔合不良缺陷產(chǎn)生的主要原因是激光快速成形特征參量控制不當.王維[21]研究發(fā)現(xiàn)搭接率和z軸單層行程的匹配是形成熔合不良缺陷的直接因素.王志堅[22]研究發(fā)現(xiàn)激光熔覆實際工藝參數(shù)和設定參數(shù)之間的差異導致熔池的形狀變化是成形結構變形的主要原因，并提出了通過定量改變成形結構局部的工藝參數(shù)來改善成形結構的局部幾何特征不均勻的控形方法.Everton 等人[23]研究發(fā)現(xiàn)選擇導致材料過熔化或欠熔化的參數(shù)組合會導致孔隙率增加.Majumdar 等人[24]研究發(fā)現(xiàn)激光熔覆層顯微組織中存在著的微孔隙數(shù)量隨著掃描速度的增加而減少，在中粉末流速下，孔隙率含量最小.為了獲得最佳的熔覆效果，Chryssolouris 等人[25]認為增加熔覆層深度和最小合金化區(qū)，送粉速率應保持較低，加工速度應較高.這些研究主要集中在激光工藝對熔合不良缺陷影響規(guī)律上，而對于道間搭接時熔合不良缺陷的產(chǎn)生機制缺乏比較深入的研究.

激光熔覆時，如果采用低寬高比的單道熔覆參數(shù)進行多道搭接熔覆，容易出現(xiàn)熔合不良缺陷，通常會改變激光工藝以減少寬高比，消除道間搭接的熔合不良缺陷.為了揭示激光熔覆中道間熔合不良產(chǎn)生的機理，通過對激光熔覆工藝進行改進，進而減少甚至消除熔合不良，從而通過對低寬高比時道間搭接熔合不良缺陷產(chǎn)生機制的研究，得出減少熔合不良缺陷產(chǎn)生的方法.通過此方法可以提高激光熔覆的沉積效率，擴展激光熔覆的工藝窗口.

1 試驗方法

試驗選用尺寸200 mm×50 mm×10mm 的45 號鋼板材為基體材料，試驗前打磨并用酒精除油去除表面油污與雜質(zhì).粉末材料為氣霧化法制備的316L 合金粉末，粒度為200～300 目.基體和粉末化學成分如表1 所示.試驗前將粉末置于120 ℃干燥箱中干燥30 min 以上.

表1 基板和粉末的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of the substrate and the powder

試驗設備采用自建的激光增材再制造系統(tǒng)，試驗選用RFL-A1000D/B/10/A/W 型的光纖輸出半導體激光器，最高功率1 kW，光斑直徑2 mm.設計了不同送粉速率的單道熔覆試驗，采用表2 所示的工藝參數(shù)進行多道熔覆搭接試驗，并將熔覆截面進行制樣.

表2 激光單道垂直熔覆試驗參數(shù)Table 2 Parameters of laser single-channel vertical cladding test

尾道重熔對比試驗分為水平方向試驗和豎直方向試驗.水平方向的激光熔覆尾道重熔試驗在水平放置的45 號鋼上進行3 道激光熔覆，進行第4 道熔覆時關閉粉末，并采用相同的掃描速度進行重熔；豎直方向的激光熔覆尾道重熔試驗為將45 號鋼豎直放置，熔覆頭相應的旋轉(zhuǎn)到水平方向，采用相同的激光參數(shù)自下而上的做尾道重熔試驗.圖1 為尾道重熔對比試驗示意圖，試驗工藝參數(shù)如表3 所示.

圖1 尾道重熔對比試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of tail channel remelting contrast experiment

表3 激光熔覆層尾道重熔試驗參數(shù)Table 3 Parameters of laser cladding tail channel remelting test

對不同寬高比的單道熔覆層選用ABAQUS 軟件進行搭接重熔的溫度場模擬，激光重熔是非線性多物理場的分析過程[26]，選擇使用間接熱力耦合對激光重熔過程進行溫度場求解.文中選擇的單元為Heat Transfer 的八節(jié)點三維實體單元(DC3D8)類型，使用間接熱力耦合對激光重熔過程進行溫度場求解，各試樣的初始溫度統(tǒng)一為室溫狀態(tài)，設置基體和熔覆層的初始溫度為25 ℃，激光光斑為2 mm，按照50%的搭接率設置熱源位置.以5 mm/s的速度加載1 kW 的激光熱源，能量吸收率保持不變.

尾道傾斜熔覆試驗是在水平放置的45 號鋼板上進行三道激光熔覆，熔覆頭豎直向下，試驗工藝參數(shù)如表4 所示.在第四道熔覆時熔覆頭傾斜45°，并且只熔覆一半.熔覆頭傾斜方向如圖2 所示.

圖2 改善熔合不良缺陷的試驗方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of test methods for improving poor fusion defects

表4 尾道傾斜熔覆試驗參數(shù)Table 4 Parameters of tail tilted cladding test

試驗結束后，均使用線切割機將每個試樣沿垂直于激光掃描方向的橫截面進行切割并制備金相試樣.試樣進行制樣磨樣拋光后，使用AXIO Scope.A1 型光學顯微鏡及ZEISS EVO 18 型掃描電子顯微鏡觀察固液界面線和微觀形貌.

2 試驗結果與分析

2.1 寬高比與熔合不良關系探索

2.1.1 單道熔覆試驗

圖3 為不同送粉速率下單道熔覆試樣截面的金相照片.隨著送粉速率的增加，沉積層厚度增加，重熔區(qū)減少.從表5 可以看出，熔覆頭豎直向下時，隨著送粉速率的增加，寬高比逐漸從3.36 減少到1.62.從圖3d 可以看出，當送粉速率達到28 g/min時，所呈現(xiàn)出來的單道形貌已不再適合熔覆，其熔覆層邊界截面處的切線與基板所呈角度為銳角，對激光起到了遮蔽作用，因此后續(xù)不再設計送粉速率為28 g/min 試驗.

表5 激光單道垂直熔覆試驗結果Table 5 Results of laser single-channel vertical cladding test

2.1.2 不同送粉速率下垂直激光頭多道搭接

圖4 為不同送粉速率下激光多道熔覆搭接金相照片.由圖4 可知，隨著送粉量的提高和寬高比的降低，熔合不良缺陷愈發(fā)的明顯，開始出現(xiàn)熔合不良缺陷的道數(shù)逐漸提前.當送粉速率為16 g/min 即寬高比大于3 時，并未產(chǎn)生明顯道間熔合不良；當送粉速率達到24 g/min 即寬高比小于2.5 時，每次搭接都產(chǎn)生了道間熔合不良.

圖4 不同送粉速率下垂直激光熔覆頭多道搭接熔覆的熔覆層金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographic photographs of multi-overlapping cladding layer with vertical laser cladding head at different powder feeding rates.(a) powder feeding rate 16 g/min;(b) powder feeding rate 20 g/min;(c) powder feeding rate 24 g/min

由上述試驗現(xiàn)象可得出，在進行激光熔覆多道搭接時，寬高比越低越容易產(chǎn)生熔合不良缺陷.

2.1.3 尾道重熔試驗

為了探究寬高比如何影響道間熔合不良的產(chǎn)生，設計了尾道重熔試驗.圖5 為激光重熔試驗的試驗結果.由圖5 可以觀察到，最后一道激光重熔將前一道熔覆層熔化并且流至基板；重熔功率較低的圖5a 和圖5b 試樣與送粉速率較高的圖5e 試樣中，基板熔深較淺；不同功率下的基板上方均有沉積物.激光熔覆搭接過程中，熔池主要是由前一道熔覆層熔化后流淌至基板形成.圖5a、圖5b 和圖5e 的最后一道激光重熔區(qū)域與前一道熔覆層的邊角交界處均可以看到孔隙，圖5b 圈中為最后一道重熔與前一道熔覆之間產(chǎn)生的孔隙形貌，空隙呈三角形，空隙的底部和一側并未熔化，說明上部熔池中的熔融熔滴可以翻越一小部分未熔區(qū)和基板上的熔池區(qū)相連.翻越的熔融液滴會將激光遮蔽使得前一道熔覆層的邊緣區(qū)域和一小部分基板未被熔化，從而出現(xiàn)熔合不良的缺陷.

圖5 熔覆層尾道重熔試樣橫截面金相照片F(xiàn)ig.5 Metallographic photographs of cross section of tail channel remelting samples.(a) test a;(b) test b;(c) test c;(d) test d;(e) test e

圖6 為立面基板上尾道重熔試驗的試樣截面金相照片.由圖6 可知，立面上的熔覆搭接尾道重熔試驗與水平基面上的試驗并無明顯區(qū)別，前一道熔覆層仍然熔化后向基板區(qū)域進行了流動.故重力在凸起部位的熔融液滴向基板翻滾的過程中影響較小，其向基板的翻滾動力可能源自熔池對流過程.Marangoni 對流是熔池內(nèi)液體流動的主要形式[27]，熔池可能在Marangoni 對流的作用下，中心液面下壓，周圍液面凸起，并向外鼓出，當已沉積區(qū)域的熔池鼓出部位和基板熔池相接，兩部分熔池就會聯(lián)通，形成一個熔池.這說明當寬高比越低時，已沉積區(qū)域的鼓出部位越多，從而越快與基板熔池相接，形成道間熔合不良缺陷.

圖6 立面上的熔覆層尾道重熔試樣橫截面照片F(xiàn)ig.6 Cross section metallographic photographs of tail channel of the remelted sample's cladding layer on the facade.(a) test a;(b) test b;(c) test c;(d)test d;(e) test e

2.2 溫度場模擬

在激光重熔過程中，激光束的能量傳輸?shù)交寮盎鍍?nèi)部和熔池內(nèi)的熱傳遞滿足方程，即

式中：q為熱流密度，J/(m2·s)；λ為導熱系數(shù)，W/(m·℃)；為溫度梯度，℃/m；n為該點等溫線上的法向單位矢量.

邊界條件已知物體邊界和物體接觸的流體的換熱系數(shù)與流體溫度，即

式中：α 為對流換熱系數(shù)，選用值20；tH為固體表面的溫度；tL為周圍環(huán)境流體的溫度.

選用高斯體熱源模型，熱源方程為

式中：η為吸收率，取0.22；Q為激光功率，為1 kW；r為激光焦點處光斑半徑，為2 mm；H為體熱源作用深度.

材料屬性選擇45 號鋼進行建模，設定初始溫度為25 ℃，激光光斑為2 mm，按照50%搭接率進行模擬.

圖7 為所建模型的溫度場分析，在激光光斑所在位置的網(wǎng)格上取A，B，C 三點，A 點位于熔覆層凸起部位的溫度最高點，B 點位于熔覆層與基板接觸的交線上，C 點位于基板上的溫度最高點.由圖可知凸起部位的熔覆層上的A 點在搭接重熔時溫度最高，其次是位于基板上的C 點，最后是位于熔覆層與基板接觸的B 點.這與2.1.2 小節(jié)中的試驗現(xiàn)象是相吻合的，對提出的熔覆層不同位置處的散熱差異性進行了證明.

圖7 溫度場分析Fig.7 Temperature field analysis

為了說明產(chǎn)生熔合不良缺陷的完整過程，繪制了熔合不良產(chǎn)生過程示意圖如圖8 所示.激光照射到熔覆層邊緣處，與熔覆層上端交點為A，底部交點為B，與基板交點為C.在A，C 處激光直接照射，而在B 處，由于B 所在的位置為斜面，因此激光在B 處被拉長，能量密度相對于A，C 兩處更低；B 處的激光入射角度較大，吸收率降低.同時熔池的冷卻主要靠基材的熱傳導過程，A，B，C 3 處的結構特征導致冷卻效率不同.A 處的散熱最慢，C 次之，B 最快，故相較于B 點而言A，C 兩處更易熔化.A 處熔化后，凸起的區(qū)域熔化成液態(tài)，在對流的作用下向兩側鼓起，達到一定程度時和C 處的熔池相連，此時B 處激光照射被遮擋，形成空隙，如果后續(xù)激光能量持續(xù)輸入使重熔區(qū)域向基材延伸，這個空隙可能會被重熔掉，如果激光能量不足或者送粉量較大，重熔較淺，這個空隙最終會被保留，進而演變?yōu)槿酆喜涣既毕?

圖8 熔合不良產(chǎn)生過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the poor fusion process

熔覆層熔合不良的產(chǎn)生機理為：由于熔覆層有幾何形貌的差異，使得不同的位置處的熔覆層存在散熱的差異.一方面，當熔覆層越厚時，凸起部位的熔覆層散熱性越差，因此凸起部位的熔覆層會先熔化，而處于熔覆層邊緣出的內(nèi)凹表面散熱性較好，因此熔化速度較慢；另一方面，前一道熔覆層與基板相接的側表面過于對于基板而言接近垂直，激光照射在其上面的光斑會被大幅度拉長，激光能量密度也隨之降低，很難熔化.凸起部位的熔覆層熔化流淌下來后，遮蔽了激光對熔覆層邊緣的照射，進一步阻礙了熔化，從而出現(xiàn)了熔合不良缺陷.

2.3 改善熔合不良缺陷驗證試驗

圖9 為尾道傾斜搭接的試驗結果.如圖9 所示，圖9 上方圖為前三道垂直熔覆的試樣，均有熔合不良現(xiàn)象產(chǎn)生，且送粉速率越高，產(chǎn)生的熔合不良缺陷越嚴重.當送粉速率為20，24 g/min 時，已沉積區(qū)域根部出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象.圖9 下方圖為熔覆頭傾斜45°后進行第四道熔覆金相圖，第四道沉積層高度較低，沉積區(qū)域的中心位置向右偏移.送粉速率較低時搭接區(qū)域無熔合不良現(xiàn)象.送粉速率較大時的熔合不良缺陷也有所減少.從圖9c 可以看到，第四道沉積層向內(nèi)凹區(qū)域填充.

圖9 45°傾斜激光頭熔覆試驗金相圖Fig.9 Metallographic diagram of cladding experiment with 45° tilted laser head.(a) powder feeding rate 16 g/min;(b) powder feeding rate 20 g/min;(c)powder feeding rate 24 g/min

為了更好地說明傾斜熔覆頭如何改善熔合不良缺陷，如圖10 所示，傾斜熔覆頭45°后，由于入射角的改變，使得B 點的激光吸收率變高，且此時激光相對于垂直照射基板而言并沒有被拉長，即激光能量密度變高，從而可以和A，C 處同時熔化形成熔池，此外，保持光斑中心位置不變的情況下，熔覆頭傾斜后A 點向右偏移，已沉積區(qū)域上的搭接區(qū)域減少，導致傾斜后的沉積區(qū)域中心位置右移，從而已沉積區(qū)域熔池內(nèi)的熔融液滴減少，減少了熔融液滴的翻滾.A，B，C 3 處熔池相連并捕捉粉末，最終形成新的熔覆層.此過程可以最大限度減少熔合不良缺陷的產(chǎn)生.

圖10 熔合不良改善方法示意圖Fig.10 Schematic diagram of poor fusion improvement method

圖11 為不同送粉速率下激光熔覆頭傾斜45°多道搭接熔覆層截面的金相圖.由圖11 可知，當45°傾斜激光頭進行熔覆后，激光熔合不良的缺陷明顯被改善，當送粉速率過高時，如圖11c 所示，熔覆層的熔深變淺，熔覆層交接處仍存在細小的熔合不良孔隙，但相較于相同工藝下垂直激光頭的試樣，熔合不良的孔隙明顯變小.

圖11 不同送粉速率下激光熔覆頭傾斜45°多道搭接熔覆層圖Fig.11 Metallographic diagram of multi-overlapping cladding layer with 45° tilted of laser cladding head at different powder feeding rates.(a)powder feeding rate 16 g/min;(b) powder feeding rate 20 g/min;(c) powder feeding rate 24 g/min

由上述分析可知，傾斜激光頭后增大了單道熔覆層的寬高比，降低了不同位置處散熱性及對激光吸收率的差異性，使得原本難熔化甚至不熔化的區(qū)域熔化并產(chǎn)生熔池，從而減少甚至避免熔合不良缺陷的形成.

3 結論

(1)由于熔覆層有幾何形貌的差異，使得不同的位置處的熔覆層存在散熱的差異.已沉積區(qū)域邊緣靠上部分形狀凸起，激光輻照其表面時散熱較慢，較快熔化.邊緣根部激光能量輸入較低同時形狀內(nèi)凹，散熱較快，較慢熔化，靠上凸起部分熔融液體翻出并越過根部和基材的熔化部分聯(lián)通，導致熔覆層根部與激光隔絕形成了空隙，產(chǎn)生了熔合不良缺陷.寬高比越低越容易產(chǎn)生道間熔合不良缺陷.

(2)為了減少這種熔合不良缺陷的產(chǎn)生，根據(jù)熔合不良的產(chǎn)生機制設計了傾斜熔覆頭單層多道搭接試驗，結果表明，傾斜熔覆頭可以有效減少熔合不良缺陷的產(chǎn)生.