袁豐波，韋海英，黃 矗，吳家柱，張 屹*

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082； 2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長沙 410082； 3.湖南大學(xué) 智能激光制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

激光直接金屬沉積工藝能效的田口試驗(yàn)研究

袁豐波1,2,3，韋海英1,2，黃 矗1,2,3，吳家柱1,2,3，張 屹1,2,3*

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082； 2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長沙 410082； 3.湖南大學(xué) 智能激光制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

為了研究金屬激光直接沉積工藝過程中工藝參量對(duì)工藝能效的影響，采用自主研發(fā)的HCX60五軸激光復(fù)合制造機(jī)床開展工藝能效田口試驗(yàn)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了信噪比分析、極差分析以及方差分析，得到激光功率、送粉量、掃描速率、提升量以及搭接率對(duì)工藝能效的影響主次關(guān)系，提出了工藝因素優(yōu)化組合。結(jié)果表明，送粉量對(duì)工藝能效的影響最為顯著，最佳參量組合為激光功率P=500W，送粉量f=28g/min，掃描速率v=600mm/min,提升量h=0.6mm和搭接率λ=30%。這為研究增材制造工藝參量對(duì)工藝能效的作用及影響規(guī)律提供了理論借鑒和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

激光技術(shù)；工藝能效；田口試驗(yàn)；激光直接沉積；增材制造

引 言

制造業(yè)耗能巨大、而制造工藝過程中有效能量利用率極低一直是產(chǎn)業(yè)和研究領(lǐng)域亟待解決的問題。能耗作為推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展的重要瓶頸要素，很早就成為制造領(lǐng)域的主要研究問題之一，近年來,隨著節(jié)能減排問題的突出，如何降低制造業(yè)總能源消耗及改善工藝過程的能量效率，涵蓋了傳統(tǒng)制造工藝及新興制造工藝的能量效率均須進(jìn)行充分論證[1-2]。金屬激光直接沉積增材制造是利用高能密度的激光將金屬粉末熔化并沉積形成3維立體零件的高新制造工藝[3-4]，它具有激光制造過程中的高能量密度、易操作、高柔性以及高能耗的特點(diǎn)[5]。因此，從工藝過程的物理特性及工藝參量的角度對(duì)金屬激光直接沉積增材制造工藝過程能效開展試驗(yàn)研究，將有利于降低制造過程能耗、提高能效。

能效研究是一種有效降低制造能耗的研究方法。工藝能效按研究對(duì)象層級(jí)主要分為工藝層、設(shè)備層、生產(chǎn)線層與車間層這4個(gè)層級(jí)水平，其中工藝層的能效研究更受研究關(guān)注[2, 6]。目前，工藝能效的研究方法主要有基于工藝過程資源的輸入輸出(input-process-out，IPO)方法[7-9]、基于工藝試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法[10-12]以及基于能量輸入與工藝輸出的比能方法[13-14]。采用IPO方法研究能耗，有利于對(duì)制造工藝過程的資源和能源消耗進(jìn)行描述[9],但是該方法存在制造工藝過程被視作能量輸入輸出“黑箱”的問題，無法揭示工藝過程能量轉(zhuǎn)換本質(zhì)并開展能耗降低研究。采用基于工藝試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法開展能耗研究，則有利于探究多工藝參量與多工藝目標(biāo)的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[7]中建立了基于工藝試驗(yàn)研究分析和多響應(yīng)面加工參量優(yōu)化方法的加工工藝能效模型，能夠有效降低制造過程電耗13.55%，提高設(shè)備壽命22.12%。但是采用統(tǒng)計(jì)方法建立的能耗模型一般為基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用范圍有限?；诒饶艿姆椒苡行У貙⒐に囕斎肱c那些難以被定義的工藝輸出進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)而能方便地判斷工藝能效的高低。DRAGANESCU等人[11]采用比能方法，通過研究聚合物粉末和酚醛樹脂顆粒激光燒結(jié)過程中的直線幾何行為特征，測(cè)量體積生長率與能量密度描述燒結(jié)特性，從而確定了聚合物粉末激光燒結(jié)工藝過程的能耗特性。鑒于IPO方法無法揭示工藝過程能量“黑箱”以及基于工藝試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖谶m用范圍局限性的問題，結(jié)合比能法具有的將工藝輸入與工藝輸出進(jìn)行聯(lián)系有利于判斷工藝能效高低的優(yōu)點(diǎn)，作者在激光直接沉積工藝能效中，采用比能的方法，并借鑒傳統(tǒng)機(jī)床加工中基于材料去除率的比能方法[15-18]，將該方法拓展至新工藝領(lǐng)域中，來研究金屬激光直接沉積增材制造的工藝能效。

同時(shí)，為定量研究激光直接沉積工藝參量與工藝能效的關(guān)系，將建立金屬激光直接沉積過程的能效函數(shù)，并開展正交試驗(yàn)研究和分析工藝參量對(duì)金屬激光直接沉積制造工藝能效的影響度，為研究增材制造工藝參量對(duì)工藝能效的作用及影響規(guī)律提供理論借鑒和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 金屬激光直接沉積能效函數(shù)

金屬激光直接沉積過程中，激光作為唯一熱源經(jīng)由透鏡組照射并加熱同軸輸送的粉末，受熱的粉末隨后進(jìn)入熔池進(jìn)一步被透過粉末的激光照射熔化，形成穩(wěn)定的熔池。為簡潔、精確地定量描述和測(cè)量激光直接沉積過程中的工藝能效，借鑒傳統(tǒng)加工中比能為加工單位體積材料所需的能量，如削加工，常用切削能耗與材料去除率的比值來表示切削能效[15,19]，本文中提出了將激光能量輸入與材料成型體積的比值作為評(píng)價(jià)金屬激光直接沉積工藝能效的指標(biāo)，即金屬激光直接沉積工藝能效函數(shù)表示為：

式中,Eef為金屬激光直接沉積工藝能效，P為激光器實(shí)際輸出的功率，ti為沉積第i層時(shí)的激光出光時(shí)間，i為沉積過程中的第i層，n為完成零件加工沉積過程所需要沉積的層數(shù)，V為沉積完成后零件的體積。

在激光直接沉積工藝過程中，沉積的總層數(shù)n以及激光功率P在進(jìn)行加工前由經(jīng)驗(yàn)以及正交試驗(yàn)表確定并通過程序設(shè)定，故由(1)式可知，測(cè)量工藝能效的關(guān)鍵在于測(cè)量沉積第i層時(shí)的激光出光時(shí)間與測(cè)量成型零件的體積，可通過在下一節(jié)中獲得詳細(xì)測(cè)量方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 激光直接沉積增材制造是一種由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或者絲狀送入高溫熔池，熔化后逐層沉積的先進(jìn)增材制造技術(shù)。圖1為依據(jù)該技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場圖。如圖所示，金屬粉末經(jīng)DPSF-2型雙筒送粉器由載粉氣流通過管道送至湖南大學(xué)與大族激光自主聯(lián)合研發(fā)的HCX60五軸激光復(fù)合制造機(jī)床的熔覆頭，沉積加工所需激光由IPG公司生產(chǎn)的YLS-5000光纖激光器經(jīng)光纖導(dǎo)入熔覆頭進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光金屬同軸直接沉積，并利用比色高溫計(jì)用來實(shí)時(shí)測(cè)量激光直接沉積工藝過程中的激光出光時(shí)間，其測(cè)量的時(shí)間間隔為3ms。這是由于比色高溫計(jì)通過探頭測(cè)量的溫度能實(shí)時(shí)反映高溫熔池的持續(xù)時(shí)間與溫度波動(dòng)，而高溫熔池的持續(xù)時(shí)間在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上就是激光的出光時(shí)間。沉積過程中需對(duì)熔覆頭施加保護(hù)氣，以防止飛濺進(jìn)入熔覆頭損壞設(shè)備。試驗(yàn)中，所使用的載氣氣流與保護(hù)氣都是氬氣，其流量為12L/min。

Fig.1 Experimental site

復(fù)合制造機(jī)床采用西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)通過控制模擬量的大小來控制激光器的出光功率以及送粉器的送粉量。然而由于數(shù)控系統(tǒng)所設(shè)定的激光功率和送粉量模擬量分別與激光器和送粉器的實(shí)際輸出值之間不同，實(shí)驗(yàn)前需先對(duì)激光器實(shí)際輸出功率和送粉器實(shí)際送粉量與激光功率和送粉量模擬量之間分別進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。如圖所示，各參量實(shí)際輸出與模擬量之間近似成線性關(guān)系，對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行一次擬合，其擬合函數(shù)如下所示:

Fig.2 Analog quantity versus actual output

式中，Ps為系統(tǒng)功率模擬量，單位為W；f為送粉器實(shí)際送粉量，單位為g/min，fs為系統(tǒng)模擬送粉量,單位為g/min。

這兩個(gè)擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.9998和0.9931，說明這兩個(gè)擬合函數(shù)的擬合程度高。因此通過這兩個(gè)式子轉(zhuǎn)換得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)值可靠性高，具有高可信度。為了便于說明，本文中所用參量均采用模擬量。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)的基板材料是尺寸為120mm×120mm×10mm的316L奧氏體不銹鋼，實(shí)驗(yàn)前先用無水乙醇清洗基板表面并用砂紙打磨處理。輸送的粉末為氣霧化法制備的316L不銹鋼粉末，其粉末粒度為20μm～40μm。二者的化學(xué)成分相同，如表1所示。

Table 1 Chemical components of 316L stainless steel

2.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，采用交叉掃描的方式對(duì)零件進(jìn)行加工，其掃描路徑如圖3所示。考慮到沉積過程所需時(shí)間較長，為了既節(jié)約時(shí)間又使成型尺寸不至于太小，設(shè)定沉積程序使得成型零件是立方體，其單層沉積的形狀是邊長為20mm的正方形，沉積層數(shù)為25層。當(dāng)單道沉積激光功率、送粉量以及掃描速率不同時(shí)，單道寬度也不同，導(dǎo)致每組成型試樣的長寬尺寸也會(huì)不同；當(dāng)提升量較小時(shí)，導(dǎo)致激光離焦量由零離焦變?yōu)樨?fù)離焦，熔池被激光能量擠壓使得單道沉積寬度變寬，成型件邊緣容易出現(xiàn)塌陷或下沉，而當(dāng)提升量較大時(shí)，激光離焦量由零離焦變成正離焦，熔池變寬使得單層沉積高度降低，容易出現(xiàn)成型件高度不足，嚴(yán)重時(shí)無法繼續(xù)沉積。因此，成型件的尺寸會(huì)由沉積參量的改變而不同，其尺寸測(cè)量也會(huì)變得困難，為了方便測(cè)量，采用排水法測(cè)出各試樣體積。

Fig.3 Schematic diagram of scanning path

為了快速并系統(tǒng)地研究工藝參量對(duì)工藝能效的影響趨勢(shì)，本文中采用一種利用正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)與信噪比分析相結(jié)合的田口法。考慮到激光功率P、送粉量f、掃描速率v、提升量h以及搭接率λ對(duì)沉積質(zhì)量和工藝能效都有影響，并且在實(shí)驗(yàn)過程可通過程序控制,因此，將這5個(gè)工藝參量作為正交試驗(yàn)的可控因素。根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為保證沉積過程的順利進(jìn)行，選定實(shí)驗(yàn)參量范圍為:激光功率P=(500～1100)W，送粉量f=(16～28)g/min，掃描速率v=(400～700)mm/min，提升量h=(0.3～0.6)mm，搭接率λ=30%～60%。各因素按選取實(shí)驗(yàn)范圍設(shè)定4個(gè)水平，如表2所示。

Table 2 Orthogonal experimental design of process parameters

3 結(jié)果與討論

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，選用L16(45)的正交表。實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)16組工藝參量，每組工藝參量沉積成一個(gè)成型試樣。通過(1)式計(jì)算每組工藝參量所對(duì)應(yīng)的工藝能效值，結(jié)果如表3所示。通過第2.1節(jié)、第2.2節(jié)中提到的測(cè)量方法分別測(cè)量沉積工藝中激光輸入時(shí)間以及試樣成型體積并記錄在正交試驗(yàn)表中，如表4所示。

Table 3 Process efficiency of laser direct metal deposition

Table 4 Orthogonal test table and experimental result

Fig.4 Response diagram of signal-to-noise ratio of Eef

3.1 信噪比分析

田口試驗(yàn)中常采用信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)來衡量產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以找到抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)整性好、性能穩(wěn)定的最佳參量組合。本實(shí)驗(yàn)中，信噪比則表示了熔覆過程中能效受激光功率、送粉量、掃描速率、提升量以及搭接率等干擾因素影響的穩(wěn)定程度。信噪比可用下式表示：

式中,RSNR表示能效的信噪比值，m為總測(cè)量次數(shù)，即為試驗(yàn)次數(shù)，yj表示各實(shí)驗(yàn)方案下第j次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的能效值。

在本實(shí)驗(yàn)中以工藝能效為目標(biāo)采用望小特性，利用MINITAB進(jìn)行田口法分析，得到工藝能效的信噪比響應(yīng)圖，圖4為五軸激光復(fù)合制造機(jī)床金屬直接沉積工藝在其工藝參量下四水平的工藝能效信噪比圖。圖中橫軸表示每個(gè)可控因素的4個(gè)水平值，縱軸表示對(duì)應(yīng)的信噪比值。從信噪比響應(yīng)圖中可以看出,送粉速率以及激光功率對(duì)工藝能效影響較大，搭接率對(duì)工藝能效的影響較小，并且面向工藝能效目標(biāo)的望小特性的可能最佳工藝組合為P1f4v3h4λ1，即在激光能量滿足沉積工藝的前提下，采用較低功率和較大的送粉量能降低金屬直接沉積的工藝能耗。同時(shí)，考慮到工藝參量對(duì)工藝性能的影響，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20-21],為保證沉積性能，一般選取搭接率λ=40%～50%。這與田口試驗(yàn)優(yōu)化組合結(jié)果有所出入，主要原因是田口實(shí)驗(yàn)考量的目標(biāo)為工藝能效，而選取搭接率λ=40%～50%的文獻(xiàn)中主要考量目標(biāo)為工藝性能。因此，在后續(xù)的研究中，為了能綜合并且系統(tǒng)地評(píng)價(jià)工藝能效與工藝參量的關(guān)系，有必要將工藝性能納入考量范圍內(nèi)。

3.2 極差與方差分析

表5所示為正交試驗(yàn)因素各個(gè)指標(biāo)極差(k1～k4)與方差分析結(jié)果,K是平均極差，F(xiàn)是F檢驗(yàn)值。從表中數(shù)據(jù)可以看出,各因素對(duì)工藝能效即比能的影響主次依次為送粉量、激光功率、搭接率、掃描速率以及提升量。這在一定程度上說明送粉量對(duì)金屬激光直接沉積工藝能效影響最大。這主要是因?yàn)樵诔练e過程中，隨著送粉量逐步增大，粉束中粉末粒子數(shù)量增加，粉末對(duì)激光的吸收量會(huì)有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致激光總的吸收率增高，比能值減小。而方差分析結(jié)果中，送粉量的F比值大于F臨界值，這亦側(cè)面佐證了送粉量對(duì)工藝能效的影響最大。

Table 5 Orthogonal polar difference analysis and variance analysis

4 結(jié) 論

通過田口試驗(yàn)可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，并在最少的試驗(yàn)次數(shù)的前提下得到實(shí)驗(yàn)因素的優(yōu)化組合。提出了沉積輸入的激光能量與成形體積的比值的工藝能效評(píng)價(jià)指標(biāo)，在自主聯(lián)合研發(fā)的HCX60五軸激光復(fù)合制造中心上開展了五因素四水平的田口試驗(yàn)和分析。

(1)對(duì)傳統(tǒng)切削的比能公式進(jìn)行拓展建立了工藝能效函數(shù)，采用比色高溫計(jì)和排水法分別測(cè)量單層沉積時(shí)間與沉積成形體積，計(jì)算出各工藝條件下的金屬激光熔覆工藝比能值。

(2)利用MINITAB對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了信噪比分析，以工藝能效的望小特性為目標(biāo)，找出抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)整性好、性能穩(wěn)定的最佳參量組合為:激光功率P=500W，送粉量f=28g/min，掃描速度率v=600mm/min,提升量h=0.6mm和搭接率λ=30%。

(3)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析以及方差分析。得到了各因素對(duì)工藝能效的影響主次關(guān)系依次為送粉量、激光功率、搭接率、掃描速率以及提升量，且送粉量對(duì)工藝能效的影響最為顯著。

在實(shí)際參量選取時(shí)，搭接率一般選取為50%，較結(jié)論中優(yōu)化組合的搭接率30%要大，這主要是因?yàn)樵趯?shí)際參量選取中考慮了工藝參量對(duì)工藝性能的影響，而田口試驗(yàn)中只考慮了能效指標(biāo)。因此在進(jìn)一步的金屬激光熔覆工藝能效研究中需考慮工藝參量對(duì)工藝能效與工藝性能影響，分析工藝能效與工藝性能間的耦合關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝能效與工藝性能的協(xié)同優(yōu)化。

[1] HERRING H. Energy efficiency—a critical view [J]. Energy, 2006, 31(1): 10-20.

[2] APOSTOLOS F, ALEXIOS P, GEORGIOS P,etal. Energy efficiency of manufacturing processes: a critical review [J]. Procedia Cirp, 2013, 7(5): 628-633.

[3] LONG R Sh, LIU W J, SHANG X F. Numerical simulation of temperature field on laser metal deposition shaping [J]. Laser Technology, 2007, 31(4): 394-396(in Chinese).

[4] MENG W D, SHI Sh H, FU G Y,etal. Experimental study about vertical surface accumulation with coaxial inside-beam power feeding [J]. Laser Technology, 2015, 39(5): 594-597(in Chinese).

[5] DAHMEN M, GüDüKKURT O, KAIERLE S. The ecological footprint of laser beam welding [J]. Physics Procedia, 2010, 5: 19-28.

[6] FYSIKOPOULOS A, PASTRAS G, ALEXOPOULOS T,etal. On a generalized approach to manufacturing energy efficiency [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 73(9/12): 1437-1452.

[7] XUE H, KUMAR V, SUTHERLAND J W. Material flows and environmental impacts of manufacturing systems via aggregated input-output models [J]. Journal of Cleaner Production, 2007, 15(13/14): 1349-1358.

[8] BRANHAM M, GUTOWSKI T G, JONES A,etal. A thermodynamic framework for analyzing and improving manufacturing processes [C]//International Symposium on Electronics and the Environment.New York,USA:IEEE,2008:1-6.

[9] CHOI A C K, KAEBERNICK H, LAI W H. Manufacturing processes modelling for environmental impact assessment [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 70(1/3): 231-238.

[10] BHUSHAN R K. Optimization of cutting parameters for minimizing power consumption and maximizing tool life during machining of Al alloy SiC particle composites [J]. Journal of Cleaner Production, 2013, 39(1): 242-254.

[11] DRAGANESCU F, GHEORGHE M, DOICIN C V. Models of machine tool efficiency and specific consumed energy [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 141(1): 9-15.

[12] YAN J H, FENG C H, LI L. Sustainability assessment of machining process based on extension theory and entropy weight approach [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(5/8): 1419-1431.

[13] FRANCO A, ROMOLI L. Characterization of laser energy consumption in sintering of polymer based powders [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(4): 917-926.

[14] PASTRAS G, FYSIKOPOULOS A, STAVROPOULOS P,etal. An approach to modelling evaporation pulsed laser drilling and its energy efficiency [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 72(9/12): 1227-1241.

[15] LI W, KARA S. An empirical model for predicting energy consumption of manufacturing processes: a case of turning process [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2011, B225(9): 1636-1646.

[16] MORI M, FUJISHIMA M, INAMASU Y,etal. A study on energy efficiency improvement for machine tools[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 145-148.

[17] LI L, YAN J, XING Z. Energy requirements evaluation of milling machines based on thermal equilibrium and empirical modelling [J]. Journal of Cleaner Production, 2013, 52(4):113-121.

[18] GUO Y, DUFLOU J R, LAUWERS B. Energy-based optimization of the material stock allowance for turning-grinding process sequence [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 75(1): 503-513.

[19] HUANG Zh T, YANG J, ZhANG Ch Y,etal. Energy-oriented CNC milling process modelling and parameter optimization [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, 27(18): 2524-2532(in Chinese).

[20] SHI B F, ZHANG A F, QI B L,etal. Influence of heat accumulation on microstructure and property of Ti-6Al-4V in laser direct forming [J]. Laser Technology, 2016, 40(1): 29-32(in Chinese).

[21] ZHANG D Q, LIU X D, ZHANG W B,etal. Study on effect of scanning path on quality of single laser cladding layer [J]. Hot Working Technology, 2016, 45(20): 149-152(in Chinese).

Taguchiexperimentalinvestigationonprocessenergyefficiencyoflaserdirectmetaldeposition

YUANFengbo1,2,3,WEIHaiying1,2,HUANGChu1,2,3,WUJiazhu1,2,3,ZHANGYi1,2,3

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China; 2.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 3.Hunan Key Laboratory of Intelligent Laser Manufacturing, Hunan University, Changsha 410082, China)

In order to study influence of direct metal laser deposition process parameters on the process efficiency, a self-developed HCX60 five-axis laser composite manufacturing center was adopted to carry out Taguchi experiment for process efficiency. Signal-to-noise ratio analysis, range analysis and variance analysis were used to analyze the results. The influence of laser power, powder feed rate, scanning rate, lifting capacity and overlap ratio on process energy efficiency was discussed and the optimum combination of technological factors was put forward. The results show that, powder feeding rate is the most significant parameter for the process of energy efficiency. The best combination of parameters is laser powerPof 500W, powder feeding ratefof 28g/min, scanning speedvof 600mm/min, lifting capacityhof 0.6mm and overlap rateλof 30%. The research provides theoretical and experimental grounds for further studying the effect of process parameters on process energy efficiency and its influence rule.

laser technique; process efficiency; taguchi experiment；direct laser deposition; additive manufacturing

1001-3806(2018)01-0024-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51605156)

袁豐波(1991-)，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事智能激光復(fù)合制造的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:zy@hnu.edu.cn

2017-03-21；

2017-05-15

TG156.99

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.005