徐海巖，李 濤，李海波，王鑫林，張洪潮

(大連理工大學 機械工程學院，大連 116024)

316L激光熔覆質量預測及路徑選擇研究

徐海巖，李 濤*，李海波，王鑫林，張洪潮

(大連理工大學 機械工程學院，大連 116024)

為了避免激光熔覆時熔覆層邊界處產生過燒和塌陷等缺陷，基于熱傳導理論分析了基體不同位置的散熱差異，采用數(shù)值計算方法分析掃描路徑對溫度場的影響，在激光功率1000W、掃描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、掃描間距1.5mm、基體尺寸40mm×30mm×7mm時，同向熔覆和異側熔覆比反向熔覆和同側熔覆邊界熔池溫度分別降低約300℃和500℃，預測了反向熔覆和同側熔覆的過燒和塌陷區(qū)域并進行了實驗驗證。結果表明，掃描路徑對邊界過燒和塌陷的影響很大，同向熔覆和異側熔覆可以在保證高加工效率、材料利用率以及合理工藝參量的同時提高邊界熔覆質量；異側熔覆可以更好地平衡熱量累積與散熱間的關系，使熔覆層邊界晶粒細密、內部組織分布均勻、性能更加優(yōu)良。此項研究對提高激光熔覆層質量是有幫助的。

激光技術；掃描路徑選擇；熱傳導；熔覆質量預測

引 言

激光熔覆過程中，相同的工藝參量下，不同掃描路徑可以影響熔覆質量[1]。國內外諸多學者針對掃描路徑的生成算法進行了大量研究。SON等人[2]提出了一種復雜模型的多重掃描方法，并成功研制出復雜零件表面掃描路徑生成系統(tǒng)。BIAN等人[3-4]提出了分組平行掃描路徑的生成方法以及基于溫度分區(qū)的掃描路徑生成方法，解決了激光熔覆成形中出現(xiàn)的“過熔覆”、“欠熔覆”問題，較好地改善了熔覆層質量。DENG等人[5]基于激光選區(qū)熔化提出了一種分區(qū)掃描方法，改善了成形零件殘余應力的分布狀態(tài)，提高了成形零件的力學性能，對于激光熔覆的掃描路徑選擇具有指導意義。在各種掃描路徑生成方法中，由于平行掃描路徑生成簡單，而常被采用[3]。然而實驗中發(fā)現(xiàn)，若采用常用的同側平行掃描路徑，成形零件邊界極易產生過燒和塌陷等缺陷。目前通常采用附加材料、添加等待時間或改變邊界熔覆工藝參量來避免上述缺陷[6]，但是上述方法會造成材料浪費、加工效率變低或工藝參量不合理。如果從掃描路徑出發(fā)，研究掃描路徑對溫度場的影響規(guī)律以及影響程度，研究基體不同位置的散熱規(guī)律，并選擇能夠避免邊界熱量過度累積的平行掃描路徑，就可以在保證材料利用率、加工效率和工藝參量合理的同時更好地解決邊界過燒和塌陷問題。

本文中從熱傳導的角度，分析了基體位置影響散熱的規(guī)律，利用數(shù)值計算“生死單元”的方法研究了掃描路徑對溫度場的影響，發(fā)現(xiàn)不同掃描路徑下的邊界熔池溫度相差很大。對反向熔覆和同側熔覆的過燒和塌陷區(qū)域進行預測并實驗驗證，得出同向熔覆和異側熔覆能夠避免邊界熱量過度累積,保證邊界熔覆層質量，相比其它方法具有優(yōu)越性。

1 數(shù)值計算

不同掃描路徑下熱累積、傳導、輻射條件不同，溫度場分布不同，熔覆層質量也不同，數(shù)值計算是一種計算激光熔覆溫度場的重要方法[7]。激光熔覆過程可以概括為激光由激光器發(fā)射，通過光纜傳輸至激光頭并照射在基體表面，基體表面吸收激光能量迅速升溫，形成熔池，金屬粉末由送粉器通過送粉管道噴射到基體表面，落入熔池區(qū)域的金屬粉末迅速熔化，并成為熔池部分。隨著激光和基體的相對運動，離開激光束照射的熔池迅速冷卻、凝固，形成熔覆層，如圖1所示。

Fig.1 Laser cladding

1.1 材料參量及工藝參量的確定

本文中使用的基體與粉末材料均為316L不銹鋼，其材料參量根據(jù)文獻[8-9]查得。采用ANSYS軟件對多道激光熔覆溫度場進行有限元數(shù)值計算。在數(shù)值計算前，通過單道單層激光熔覆實驗，選擇激光功率、掃描速率、送粉量等工藝參量，最終確定激光功率為1000W、掃描速率為5mm/s、送粉量為9.15g/min。通過測量單道單層熔覆層形貌，計算理論上的掃描間距[10-11]為:

式中，C為掃描間距，S為熔覆層截面面積，H為熔覆高度。結合試錯法最終確定掃描間距為1.5mm，在此工藝參量下形成的熔覆層如圖2所示。熔覆層厚度均勻，質量較好。

Fig.2 Multitrack cladding layer

1.2 數(shù)學模型

激光熔覆過程的熱傳導遵循傅里葉定律，可表示為:

式中,q為導熱速率，λ為導熱系數(shù)，s為導熱面積，T為溫度，n為傳熱面法線方向。進一步考慮基體溫度和熱傳導的關系可以得到導熱控制方程，表示為[12]:

式中,cp和ρ分別為316L不銹鋼的比熱容和密度，t為時間。假設激光能量服從均勻分布，熔覆過程中的熱源模型為表面熱源，熱源模型可表示為:

式中,Pr′為理論激光功率密度，P為激光輸出功率，R為光斑半徑。由于激光束在穿過粉末流時，粉末對于激光有遮擋和散射的效果，考慮粉末的遮擋和散射效果后，實際激光功率密度可表示為[13]:

式中,α為材料衰減因子，其值和材料本身有關;v為粉末顆粒的質量流動速率;Rp為粉末顆粒的平均半徑;ρp為粉末密度;vz為粉末顆粒在激光束方向的運動速率;Δz為激光頭到基板間的垂直距離;η為激光吸收系數(shù)。粉末在下落過程中溫度會不斷升高，將(5)式帶入粉末溫升的數(shù)學模型[14]可得:

式中，Tp為粉末顆粒的溫度，Nu為努塞爾數(shù)，hp和Dp分別為粉末的傳熱系數(shù)和平均直徑。散熱邊界條件為第2類邊界條件，遵循牛頓冷卻公式，可表示為:

式中,q1為熱流密度，h為對流換熱系數(shù)，T0為外界溫度。

由于激光熔覆過程涉及因素眾多，為了簡化熔覆過程溫度場的求解，故做以下基本假設：(1)激光能量服從均勻分布；(2)金屬粉末進入熔池后立即熔化并成為熔池一部分，不考慮熔池內部金屬的流動，不考慮熔池自由表面的形成過程；(3)金屬材料為各向同性，金屬密度不隨溫度變化而變化，熔化潛熱以焓的形式進行處理[15]，不考慮金屬材料的蒸發(fā)現(xiàn)象。

1.3 計算過程

采用有限元計算軟件ANSYS的APDL編程語言對激光熔覆過程進行建模。由于激光熔覆過程涉及粉末的添加，所以采用ANSYS“生死單元法”實現(xiàn)質量添加過程。激光掃描路徑的差異體現(xiàn)在單元“重生”順序的不同和激光光斑移動路徑的不同。所建立的模型如圖3所示。模型尺寸為40mm×30mm×8mm，其中基體尺寸為40mm×30mm×7mm，模型上表面為熔覆層，熔覆層高度根據(jù)實驗獲得為1mm，熔覆層的長度和寬度即為基體的長度和寬度，將熔覆起點設置為原點，長邊為激光連續(xù)掃描方向，短邊為熔覆層搭接方向。為了盡可能地提高計算速度，溫度變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格比較密集，而溫度變化緩慢區(qū)域的網(wǎng)格比較稀疏，最終用ANSYS的SOLID70單元對模型進行網(wǎng)格劃分。

Fig.3 Schematic model and the meshed geometry

選擇3種具有代表性的平行掃描路徑進行溫度場計算，研究掃描路徑對于熱量累積和溫度場分布的影響規(guī)律。各種掃描路徑及其命名方式如圖4所示。其中豎直線為單道掃描路徑，數(shù)字為多道熔覆時熔覆層搭接順序。

本文中計算溫度場的時間步為0.2s，單道熔覆時間為8s，即40個時間步，共有19道，熔覆過程假設沒有停歇，整體熔覆時間為152s，共760個時間步。熔覆過程中，熔覆層單元按照圖4所示的既定掃描路徑依次“重生”，“重生”單元的初始溫度通過(6)式計算得到。激光作為表面熱源處理，在每一時間步開始時添加到對應熔覆層單元的上表面，在每一時間步計算結束后刪除，激光熱源模型通過(5)式計算得到?；w和熔覆層表面除激光照射以外的區(qū)域均添加散熱邊界條件，在每一時間步被“重生”單元格覆蓋的邊界，對其散熱邊界條件進行刪除。

Fig.4 Three kinds of parallel scanning paths

a—same direction cladding from the same side b—different direction cladding from the same side c—different direction cladding from the different sides

1.4 計算結果

圖5為不同掃描路徑下最后時間步的溫度場分布。觀察發(fā)現(xiàn)，在熱量累積時間相同的情況下，不同掃描路徑最后時間步的溫度場分布不同，異側熔覆熔池溫度低于同側熔覆熔池溫度約500℃，而異側熔覆基體最低溫度比同側熔覆基體最低溫度高100℃左右，這說明相比同側熔覆，異側熔覆的熔池熱量更多地傳導到基體中，基體受熱更加均勻。

Fig.5 Temperature field distribution in the final time step of different scanning paths

a—same direction cladding from the same side b—different direction cladding from the same side c—different direction cladding from the different sides

比較同向和反向熔覆中同一道熔池最高溫度的變化情況。熔覆道數(shù)為19，選擇第10道熔覆層作為研究對象，分別做出該熔覆層上的熔池最高溫度隨時間的變化曲線，并將該道熔覆的起始時間記為0s，結果如圖6所示。觀察圖6發(fā)現(xiàn),兩者兩端熔池最高溫度差異較大。同側同向熔覆時，熔池最高溫度的初始值很低，在0.6s內迅速上升，在0.6s后熔池最高溫度逐漸穩(wěn)定在2100℃左右，并一直持續(xù)到最后。而反向熔覆初期熔池最高溫度也呈現(xiàn)急速上升趨勢，其初始值約為2100℃，最高值約為2500℃，然后熔池最高溫度隨時間逐漸降低，大約3s左右熔池最高溫度趨于穩(wěn)定。

Fig.6 Relatoinship between the maximum temperature of the molten pool in the tenth cladding process and time

多道熔覆時，取每道熔覆中間時刻的熔池最高溫度代表該道熔覆時熔池平均最高溫度，做出同側和異側熔覆每道熔池平均最高溫度隨熔覆道數(shù)的變化曲線，如圖7所示。觀察圖可發(fā)現(xiàn)：同側熔覆熔池平均最高溫度在邊界處劇烈增加。異側熔覆的熔池平均最高溫度較為穩(wěn)定，并且在邊界層上低于同側熔覆熔池平均最高溫度約500℃。

Fig.7 Relatoinship between the average maximum temperature of the molten pool and the cladding number

取邊界上的6個點，位置如圖8所示。觀察它們的溫度隨時間的變化情況，如圖9和圖10所示。觀察兩組曲線可以發(fā)現(xiàn)，同側熔覆時，P4,P5,P6這3點的最高溫度分別約為1900℃,1600℃,1400℃，P4,P5兩點最高溫度超過316L熔點，316L熔化并發(fā)生塌陷。異側熔覆時，P4,P5,P6這3點最高溫度分別約為1400℃,1125℃,800℃。

Fig.8 Schematic diagram of test point position

Fig.9 Relationship between the temperature of different test points in the same side cladding and time

Fig.10 Relationship between the temperature of different test points in different side cladding and the time

2 實驗驗證

2.1 實驗設備及材料

本文中采用的實驗裝置為半導體激光熔覆系統(tǒng)，包括Laserline半導體激光器、KUKA六軸機器人、Precitec的YC52同軸激光熔覆頭以及載氣式同軸送粉器，如圖11所示。實驗中使用的基體和粉末材料均為316L不銹鋼，粉末粒度為45μm～180μm，粉末質量分數(shù)為：0.00006C,0.026Mo,0.128Ni,0.015Mn,0.17Cr,0.007Si，其余為Fe。載粉氣體和保護氣體皆為高純度氬氣。

a—semiconductor laser b—six-axis robot c—coaxial laser cladding head d—powder feeder with carrying gas

2.2 實驗結果

在實驗前用粗砂紙將基體進行打磨，去除基體表面的油污及氧化層。保證總體熔覆時間相同的情況下分別按照圖4中的3種掃描路徑進行激光熔覆，得到3種熔覆結果,如圖12所示。觀察圖12可知，同側同向熔覆和同側反向熔覆的熔覆層形貌基本相同，但是在前表面，同側反向熔覆基體出現(xiàn)一系列半圓形的過燒區(qū)域，這主要是由于在反向熔覆過程中，邊緣部分的熔池溫度超過激光熔覆的正常溫度，因此形成了深色的過燒區(qū)域，其形狀與熔池形狀大致相同。而同側同向熔覆基體前表面溫度大大低于激光熔覆熔池所允許的正常溫度，所以沒有形成深色的過燒區(qū)。

Fig.12 Surface profile under different scannning paths

a—different direction cladding from the different sides b—different direction cladding from the same side c—same direction cladding from the same side

如圖13所示，觀察不同掃描路徑下邊界處的熔覆質量。雖然異側熔覆邊界處也產生了過燒區(qū)域，但是該區(qū)域厚度極小，在邊界處沒有發(fā)現(xiàn)熔覆層的過度氧化。同側熔覆無論是同向還是反向，邊界熔覆層呈黑色，均有不同程度的氧化。側面觀察發(fā)現(xiàn)，同側熔覆邊界處出現(xiàn)了過燒和塌陷，而且在邊角處過燒情況更加嚴重，異側熔覆邊界質量很好，沒有出現(xiàn)過燒及塌陷的現(xiàn)象。

Fig.13 Boundary cladding quality under different scanning paths

a—different directions from the different sides b—different directions from the same side c—same direction from the same side

3 討 論

3.1 熱累積規(guī)律

激光照射為一個熱量劇烈累積的過程，在激光熔覆過程中，熱量隨著激光光斑的移動在基體的不同位置迅速累積。熔覆初期，激光逐漸照射在基體表面，熱量迅速累積，因此每道熔覆初期，熔池溫度迅速增加。隨著激光和基體的相對運動，溫度較低的基體不斷進入熔池區(qū)域，熔池傳熱量、導熱量、輻射熱量、熱力學能增量與吸收熱量相平衡，熔池溫度逐漸穩(wěn)定。多道熔覆時，熱量在熔池附近的基體上不斷累積，導致下一道熔覆時基體初始溫度升高，熔池平均最高溫度隨熔覆道數(shù)的增加而增加。

3.2 溫度場分析

在激光功率為1000W、掃描速率為5mm/s、送粉量為9.15g/min、掃描間距為1.5mm、基體尺寸為40mm×30mm×7mm時，由數(shù)值計算和實驗結果可得，同向熔覆的熔池溫度比反向熔覆更快達到穩(wěn)定，反向熔覆初期熔池最高溫度比同側熔覆高約300℃，可能會引起過燒、氧化等問題，因此可以預測相鄰兩道熔覆層反向熔覆時，每道起始端和終端容易產生過燒和氧化等缺陷，將反向熔覆改為同向熔覆就可以很好地解決這一問題。相同邊界位置處同側熔覆熔池溫度比異側熔覆熔池溫度高500℃以上，相同熔覆時間下同側熔覆的熔池溫度高于異側熔覆熔池溫度，最后時刻的溫差約為500℃。同側熔覆的邊界易產生過燒和塌陷等缺陷。對于基體溫度場，同側熔覆基體最高溫度和最低溫度相差約為2000℃，異側熔覆基體最高溫度和最低溫度相差約為1400℃，異側熔覆基體最低溫度比同側熔覆基體最低溫度高約100℃，這說明異側熔覆時，熔池熱量更多地傳導至基體中，能夠使熔池溫度降低、基體溫度分布更加均勻。

基體不同位置的散熱方式和散熱面積不同。在基體內部，溫度傳導遵循傅里葉定律，而在邊界處溫度的傳導則遵循牛頓冷卻公式，比較基體內部和邊界處散熱情況，為簡化計算僅考慮其2維截面上的散熱情況，如圖14所示。

Fig.14 Schematic diagram of heat dissipation in the different regions of substrate

a—boundary region b—internal region

考慮以熔池為圓心，半徑為R1區(qū)域的溫度傳導情況，對于邊界區(qū)域來說，散熱可表示為:

式中，ε為輻射率，σ0為熱輻射常數(shù)。內部區(qū)域散熱可表示為:

式中，Q1和Q2為單位時間散熱量，LGA，LAC和LBD表示直線段，SCG和SDB表示曲線段。激光直徑為3mm，設圖14a中AB=1.5mm。如果考慮一種最簡單情況：熔池為1個點，溫度梯度值在圓弧線上處處相等，按照圓弧區(qū)域內部平均溫度梯度計算，溫度在邊界上均勻變化，比較散熱量的區(qū)別。假設熔池溫度為2500℃，R1=5mm，圓弧線上溫度為1000℃，其余材料參量均參照參考文獻[8]和參考文獻[9]，計算可得基體內部散熱速率約為邊界處的1.65倍。

綜上所述，對于激光熔覆而言邊界為基體的“薄弱”區(qū)域，同向熔覆保證了單道熔池溫度的穩(wěn)定，異側熔覆先熔覆基體“薄弱”的邊界區(qū)域，再熔覆基體內部，一方面保證了邊界質量，另一方面提高了熔覆后期熔池散熱能力，使整體溫度場分布更加均勻，能夠避免邊界過燒、塌陷，與添加等待時間、改變工藝參量、使用附加材料等方法相比具有優(yōu)越性。

3.3 微觀組織分析

熔池冷卻速度和溫度梯度影響熔覆層微觀組織，將同側熔覆和異側熔覆試樣沿圖15所示截面進行線切割、研磨、拋光，拋光后用飽和草酸溶液在5V直流電壓下進行電解腐蝕，利用金相顯微鏡觀察同側熔覆P1，P5，P6點，異側熔覆P1，P2，P3，P4，P5，P6點的顯微組織，如圖16、圖17所示。同側熔覆過程中，熱量的不斷累積和邊界不斷減小的散熱速率使得熔池的冷卻速率隨著熔覆時間的增加而減小，熔覆層晶粒尺寸及生長方式均在不斷變化，熔覆層各部分微觀組織相差較大。異側熔覆時，邊界處P6點的晶粒細化程度明顯優(yōu)于同側熔覆，基體內部晶粒尺寸及生長方式相差不大，基體內部熱量的不斷累積和散熱速率達到了較好的平衡關系。因此，采用異側掃描路徑熔覆的零件表面質量好、內部性能一致，具有更加優(yōu)良的性能。

Fig.15 Schematic diagram of test points position

Fig.16 Microstructure of cladding layer at different locations in same side cladding

a—P1b—P5c—P6

Fig.17 Microstructure of cladding layer at different locations in different side cladding

a—P1b—P2c—P3d—P4e—P5f—P6

4 結 論

(1)單道熔覆時，熔池最高溫度在波動后趨于穩(wěn)定；多道熔覆時，熔池最高溫度基本上隨熔覆道數(shù)的增加而增加。

(2)邊界處基體散熱條件差，同向熔覆和異側熔覆能避免邊界熔覆前的熱量累積，在保證高加工效率、材料利用率以及合理工藝參量的同時大幅度降低了邊界熔覆溫度，保證邊界熔覆質量。在激光功率為1000W、掃描速率為5mm/s、送粉量為9.15g/min、掃描間距為1.5mm、基體尺寸為40mm×30mm×8mm條件下，同向熔覆邊界處熔池最高溫度比反向熔覆低約300℃，異側熔覆邊界處熔池最高溫度比同側熔覆低約500℃。反向熔覆和同側熔覆邊界更易產生過燒、塌陷等缺陷。

(3)同側熔覆時，熱量的不斷累積和邊界散熱速率的不斷減小使得熔池的冷卻速率隨著熔覆時間的增加而減小，熔覆層組織分布不均。異側熔覆可以使熱量累積與散熱速率間的關系更加平衡，整體溫度場分布更為均勻，熔覆層邊界晶粒細密、內部組織分布均勻，具有更加優(yōu)良的性能。

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Studyonqualitypredictionandpathselectionof316Llasercladding

XUHaiyan,LITao,LIHaibo,WANGXinlin,ZHANGHongchao

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to avoid defects such as overburning and collapsing at the boundary of laser cladding layer, difference of heat dissipation at different positions of the substrate was analyzed based on the theory of heat conduction. The influence of scanning path on temperature distribution was studied by numerical calculation. With the parameters of laser power 1000W, scanning speed 5mm/s, powder feeding quantity 9.15g/min, scanning interval 1.5mm and substrate size 40mm×30mm×7mm, molten pool temperature of boundary under the same direction cladding and different side cladding is about 300℃ and 500℃ lower than that under different direction cladding and the same side cladding respectively. Overburning and collapsing regions under different direction cladding and the same side cladding are predicted and experimentally verified. The results show that the scanning path has a great influence on the overburning and collapsing of boundary. The same direction cladding and different side cladding can improve the cladding quality of boundary without changing machining efficiency, material utilization ratio and the rationality of process parameters. Different side cladding can balance the relationship between heat accumulation and heat dissipation better, which can refine the grain of boundary, make internal microstructure uniform and increase the performance of cladding layer. This study is helpful to improve the quality of laser cladding layer.

laser technique; scanning path selection; heat conduction; cladding quality prediction

1001-3806(2018)01-0053-07

徐海巖(1993-)，男，碩士研究生，主要從事激光熔覆方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:litao_dlut@163.com

2017-03-22；

2017-05-31

TG156.99

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.011