工艺参数对激光熔覆单道几何特征建模研究

龚玉玲，徐晓栋

（泰州学院 船舶与机电工程学院，泰州 225300)

0 引言

激光熔覆再制造技术采用高能量激光束使基体表面和熔覆粉末熔化并迅速凝固,表面形成良好的冶金结合层,其智能化程度高,力学性能好等优点,逐步成为修复重要设备关键零部件的有效技术手段,在航空航天、船舶等众多领域获得了运用[1,2]。但是该技术受到激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑直径等多工艺参数影响的复杂工艺过程,工艺参数的变化会直接影响到熔覆几何特征[3～5],因此研究工艺参数对单道几何特征的影响规律,建立精确的几何特征模型,为后续多层多道熔覆路径规划奠定基础是非常必要的。

李进宝等[6]以接触角为评价参数,通过参数无量纲化分析,研究了激光功率、送粉速率和扫描速度三个工艺参数对熔覆几何形貌的影响规律,最终获得性能良好的熔覆层。Mohammad等[7]根据激光功率、送粉速率和扫描速度三个工艺参数,采用回归法预测单道几何特征,获得最佳工艺参数。江国业等[8]分析了激光功率、扫描速度、送粉速率和保护气流量等四个工艺参数对宏观形貌的影响规律,分析出在这些工艺参数影响下,总结出横截面的形状主要以月牙形、蘑菇形等形貌特征为主。Liu等[9]根据工艺参数对几何参数的影响规律,并采用圆弧描述截面轮廓形貌。虽然国内外学者关于激光熔覆层几何特征的影响规律及几何特征建模等方面均取得了一定成果,但是仍存在试验数量较多,工艺参数对几何特征影响规律探究不够深入,建立熔覆层模型较复杂等问题。

本文采用正交试验研究了激光功率、扫描速度、光斑直径和送粉速率等四个工艺参数对激光熔覆单道几何特征的影响规律；建立工艺参数与熔覆宽度和熔覆高度关系的非线性模型,深入分析了工艺参数对熔覆宽度和熔覆高度影响规律；建立了工艺参数与几何特征的数学模型,并与试验数据相比较,验证模型的准确性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

熔覆基体的材料为316 L 不锈钢板,尺寸为200mm×25mm×8mm。激光熔覆前需要将基体表面打磨平整,用99.99%的无水酒精、丙酮清洗表面的污渍和油脂,然后将表面吹干[10]。熔覆粉末材料是自熔性钴基高温合金Stellite6合金粉末,粒径为50～100℃为提高基材和熔覆粉末的结合性能,减少开裂,基材预热到120℃下并保温2h[11]。基材和粉末的化学成分如表1所示。

表1 316L基体和Stellite6粉末的化学成分（质量分数%）

1.2 试验设备

激光熔覆设备为万瓦级激光复合加工平台。实验装置主要包含激光发射器、六轴机械手、控制面板、送粉器、氩气保护气、工作台等六大部分组成。激光器为通块碟片式激光器,型号为TruDisk12003,功率范围320W-12kW；熔覆头型号为Trumpf,最大功率为4kW；送粉系统型号为GTV,送粉量为5～30g/min,保护气体为氩气,系统采用同轴送粉模式,如图1所示。激光熔覆设备发射高能量激光束,能量主要集中在光斑直径范围内,粉末通过专门送粉管道喷出,在激光高能量的作用下,粉末和基体表面快速熔化后凝固结晶,同时保护气体氩气喷出,保护熔覆层,防止其氧化[12]。

图1 激光熔覆加工图

1.3 试验方法

影响激光熔覆工艺参数较多,本文选择激光熔覆工艺中经常需要调整的四种工艺参数：激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率,采用四因素三水平正交试验,试验安排及测量结果如表2所示。

表2 正交试验表及测量结果

1.4 试验测量

激光熔覆形貌图如图2所示,从图中可见,熔覆层质量好,无裂纹等缺陷。从激光熔覆板上切下20mm×20 mm×8 mm 的块形试样。将试块镶样,分别用4 0 0 0目～2000目砂纸打磨后,再用抛光机对试样抛光[13]。利用体式光学显微镜观察断面的几何特征,测量每个断层的熔覆宽度和熔覆高度,重复测量五次,并计算平均值。Farahmand[14]等研究显示,激光熔覆的深度常常较小并且形状不规则,测量误差较大,因此,熔覆深度不作为截面的几何特征。由图3激光熔覆几何特征示意图,测量上述9组的几何特征值,Wr表示熔覆宽度,Hr表示熔覆高度。测量结果如表3所示。

图2 激光熔覆形貌图

图3 激光熔覆几何特征示意图

2 试验结果分析

2.1 熔覆宽度

熔覆宽度均值响应表如表3所示,熔覆宽度均值响应图如图4所示。由结果可见,激光功率对熔覆宽度影响最大,其次依次是扫描速度、送粉速率、光斑直径。这是由于激光功率越大,向熔池中提供了更多能力量,可熔覆更多的粉末,因此宽度随之增加；但是扫描速度对熔池中产生能量起到负面作用,扫描速度越快,粉末无法充分熔化,因此熔覆宽度相应减少；送粉速率越大,有更多的粉末吸收到足够的激光能量,宽度增加；激光的能量主要集中在光斑范围内,因此随着光斑直径增加,熔覆粉末在光斑范围内能够获得足够的能量,使得熔覆粉末与基体熔化后结合,而光斑范围之外,能量较少,粉末和基体没有足够的能量而较难结合,因此随着光斑直径增加,熔覆宽度也随之缓慢增加。

图4 熔覆宽度均值响应图

表3 熔覆宽度均值响应表

2.2 熔覆高度

熔覆高度均值响应表如表4所示,熔覆高度均值响应图如图5所示。由结果可见,扫描速度是影响熔覆高度的主要因素,其后依次是激光功率、送粉速率、光斑直径。这是因为送粉速率和扫描速度决定了粉末熔覆熔池的总质量,送粉速率越快、扫描速度越慢,获得送粉量越大,熔覆层的高度越大。激光功率的增加促使熔池中熔化的液态金属在重力和马兰格尼对流等作用力下流动[15],导致熔覆层高度有所降低；光斑直径越大,激光能量分布范围面增加,熔覆层高度稍微下降。

图5 熔覆高度均值响应图

表4 熔覆高度均值响应表

3 激光熔覆单道几何特征建模

3.1 工艺参数与几何特征关系模型

建立激光熔覆工艺参数与熔覆几何特征之间的关系模型,对预测几何形貌有重要的意义[16]。在本试验研究中,参考Cheikh[17]等建立铺粉式单道几何特征表达式的方法,建立激光功率、扫描速度,光斑直径和送粉速率等工艺参数与熔覆宽度和熔覆高度之间的关系。拟合公式如式(1)所示：

式(1)中,y表示熔覆层的几何特征值。α,β,γ和λ分别表示激光功率P,扫描速度Vs、光斑直径D和送粉速率Vf的指数。u和v表示常数。

通过式(1),拟合熔覆宽度与工艺参数的关系公式为：

相关系数R=0.92。熔覆层宽度与工艺参数关系图见图6所示。相关系数高,说明试验值和预测值有很好的相关性。P,D,Vf的系数均为正,说明这些因素对熔覆宽度有正的影响,而Vs的系数为负数,说明Vs对熔覆宽度有负的影响。从系数的绝对值可见,影响由强弱依次为扫描速度、激光功率、送粉速率、光斑直径,与前面的分析结果一致。

图6 熔覆层宽度与工艺参数关系图

通过式(1),拟合熔覆高度与工艺参数的关系公式为：

图7 熔覆层高度与工艺参数关系图

3.2 几何模型验证

为了进一步单道几何特征模型的准确性,计算熔覆宽度、高度的测量值与预测值之间的误差,计算结果如表5所示。由表可见,测量值与预测值误差基本在7%以内,通过该几何模型可以比较准确的预测激光熔覆的几何特征。

表5 几何特征的测量值与预测值误差表

4 结语

本文采用正交试验,分析了工艺参数与熔覆单道几何特征之间的关系,并建立了数学模型,结论如下：

1）采用试验次数较少的四因素三水平9组正交试验,获得激光功率、扫描速度、光斑直径和送粉速率等四个工艺参数变化对熔覆宽度和熔覆高度的影响规律,试验表明激光功率对熔覆宽度影响最大,扫描速度对熔覆高度影响最大。

2）建立了熔覆宽度和熔覆高度与激光熔覆工艺参数之间的几何模型,该几何模型可以出扫描速度对熔覆宽度和高度为负相关,激光功率、光斑直径和送粉速率三个工艺参数对熔覆宽度和高度表现出正相关,与正交试验极差分析一致。

3）建立的熔覆宽度、熔覆高度与激光熔覆工艺参数与几何特征之间的预测模型,该预测模型的相关系数均在0.9以上,误差基本在7%以内,可以较精确的预测熔覆宽度和熔覆高度。