向梟，王敏，殷鳴，謝羅峰*,，殷國富

基于30CrNi2MoVA的激光熔化沉積工藝參數(shù)研究

向梟1，王敏2，殷鳴1，謝羅峰*,1，殷國富1

（1.四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國兵器裝備集團自動化研究所，四川 綿陽 621000）

使用30CrNi2MoVA鋼粉末在激光熔化沉積設(shè)備上進行了相應(yīng)的工藝研究，探索了激光功率與掃描速度對沉積層寬度和高度的影響，并對工藝參數(shù)與沉積尺寸進行了回歸分析，建立了相應(yīng)的回歸模型，確立了工藝參數(shù)對沉積尺寸的影響規(guī)律。其中激光功率與沉積層的高度、寬度呈正相關(guān)，而掃描速度與沉積層的高度、寬度呈負相關(guān)。根據(jù)沉積層尺寸的標準差和沉積質(zhì)量對線能量密度進行分析，發(fā)現(xiàn)值在85～200 J/mm沉積質(zhì)量較好。在獲取沉積尺寸過程中，采用了激光輪廓儀進行測量，其優(yōu)點在于獲取數(shù)據(jù)量大且精度較高，可為沉積質(zhì)量判斷、尺寸預(yù)測等進一研究提供充足數(shù)據(jù)。

激光熔化沉積；30CrNi2MoVA鋼；工藝參數(shù)；回歸分析

激光增材制造[1]（也稱激光3D打印）是一種快速成形技術(shù)，其常見的主要有以送粉為特征的激光熔化沉積技術(shù)（Laser Melting Deposition，LMD）和以粉末鋪床為特征的選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）。其中激光熔化沉積技術(shù)具備成形速度快、柔性化程度高、成形性能好等眾多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，例如汽車、船舶、軍工和航空航天等[2-3]。

30CrNi2MoVA作為一種合金結(jié)構(gòu)鋼，具有屈服強度高、淬透性好以及力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在兵器零件裝備制造行業(yè)[4]。近年，隨著激光增材制造逐步發(fā)展，大量金屬材料被嘗試應(yīng)用于激光熔化沉積制造[5-8]，30CrNi2MoVA作為一種極具工業(yè)生產(chǎn)價值的金屬材料，在激光熔化沉積制造中有著巨大的研究價值和應(yīng)用前景。

工藝參數(shù)通常是在沉積開始之前預(yù)先設(shè)置，在激光熔融沉積制造中至關(guān)重要。工藝參數(shù)涉及范圍極廣[9]，其中對沉積層影響最大的為激光功率與掃描速度。本文設(shè)計了相關(guān)工藝試驗，基于工藝參數(shù)和沉積尺寸建立了回歸模型，探究了30CrNi2MoVA沉積過程中的相關(guān)規(guī)律，結(jié)合能量密度對沉積質(zhì)量進行了進一步分析，為后續(xù)研究30CrNi2MoVA提供了試驗基礎(chǔ)與參數(shù)指導(dǎo)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗使用的30CrNi2MoVA合金粉末各化學(xué)成分所占質(zhì)量比如表1所示，為保證加工過程中粉末運輸均勻流暢，所制粉末粒徑主要為60～167 μm，其粒徑具體分布為10＝60.8 μm、50＝108 μm、90＝167 μm。30CrNi2MoVA合金粉末顆粒形貌如圖1所示，基本呈球狀或近球狀，因為該材料的制粉工藝還不是十分成熟，可發(fā)現(xiàn)粉末顆粒中存在少量衛(wèi)星粉。

表1 粉末化學(xué)元素成分表

圖1 30CrNi2MoVA粉末形貌

試驗前將金屬粉末放置在120℃的密閉真空環(huán)境中大約120 min進行干燥處理。試驗所選用的基板為Q235鋼，長寬高尺寸為300 mm×200 mm×10 mm，試驗前需用800目砂紙對基板表面進行打磨以去除氧化膜，再用乙醇和丙酮擦拭基板表面并將其風(fēng)干。試驗過程中使用的稀有氣體為氬氣。

1.2 試驗設(shè)備

激光沉積增材制造試驗設(shè)備主要由激光器、機器人、送粉器、集成打印頭等幾部分構(gòu)成。激光器選用德國TRUMPF公司的TruDisk 4006光纖激光器，連續(xù)可調(diào)的功率范圍為80～4000 W，激光恒定功率可控制在±1%，波長為1030 nm，最小光纖直徑為600 μm。激光沉積試驗過程中采用機器人控制激光加工系統(tǒng)的運動，因為機器人靈活度高且便于控制，同時具有很好的重復(fù)和定位精度。試驗所采用的是瑞士Staubli集團所生產(chǎn)的型號為RX-160的六軸工業(yè)機器人。送粉器采用的是南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司研制的RC-PGF-D雙筒雙控式送粉器，其上端配有兩個既可獨立又可聯(lián)動運行的透明粉筒，盛粉量為1.5 L/筒，送粉粒度范圍10～200 μm，載氣流量1.3～10 L/min，粉末輸送量2.3～25 g/min，送粉量誤差±0.1%，且支持兩種粉末同時工作。打印頭是采用德國普雷茨特（Precitec）研制的同軸熔覆式打印頭，型號為Cladding Head YC52，最大激光功率6000 W，工作間距為12～14 mm，最小粉末焦距直徑為0.7 mm。同時具有各種傳感器接口，便于添加各類型傳感對激光沉積過程實施監(jiān)測。激光設(shè)備如圖2所示。

圖2 激光沉積設(shè)備

1.3 試驗設(shè)計

激光熔化沉積是一個逐層疊加的制造過程，故單道沉積的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。試驗采用單道沉積試驗研究工藝30CrNi2MoVA激光熔化沉積工藝參數(shù)，探討主要工藝參數(shù)對熔池寬度、熔池高度的影響，建立相應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模型輸入變量為激光功率、掃描速度，輸出變量為熔池寬度、熔池高度，并分析各種參數(shù)下沉積層的沉積質(zhì)量。

本次試驗包含兩因素五水平的單道沉積試驗，如表2所示。

表2 工藝參數(shù)各水平值

主要針對激光功率與掃描速度對沉積狀態(tài)的影響，因為因素不多，采用完全試驗設(shè)計，共25組。單道沉積的長度均為50 mm，各單道間距為10 mm。試驗中其他參數(shù)均不變化，光斑直徑為3 mm，送粉量為1.5 r/min（約為15 g/min），載氣速度為6 L/min。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，采用相應(yīng)的回歸方程，對單道沉積寬度和高度進行回歸分析，并建立回歸模型。同時，設(shè)計了單變量工藝參數(shù)驗證回歸分析模型的正確性，驗證試驗參數(shù)如表3所示，其余參數(shù)均不變化。

表3 驗證實驗參數(shù)

2 分析與討論

2.1 參數(shù)測量

單道沉積的表面尺寸（高度、寬度）的測量通常采用游標卡尺等工具，但試驗過程中為了獲取大量精確的表面尺寸數(shù)據(jù)，于是采用了激光輪廓測量儀。

激光輪廓測量儀具有非接觸、測量速度快、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域。試驗中選用的是日本基恩士公司研制的LJ-V7060超高速激光輪廓測量儀（圖3），其光源為藍色半導(dǎo)體激光，波長為405 nm，重復(fù)精度軸方向可達0.4 μm，軸方向為5 μm。取樣頻率高速模式下最快為16 μs，高性能模型下則能達到32 μs。

圖3 基恩士LJ-V7060激光輪廓儀

測量時將激光輪廓測量儀固定在、、三軸電動位移平臺上，單道沉積后的基板被放置穩(wěn)定在旋轉(zhuǎn)平臺上，且使基板與激光輪廓測量儀相互平行。激光輪廓測量儀發(fā)出的激光垂直于沉積輪廓，掃描出該單道沉積的截面輪廓。根據(jù)得到的沉積截面輪廓，測量出該截面沉積的寬度和高度。如圖4所示，先擬合基板作為基準，沉積高度為最高點與擬合后基板的距離，沉積寬度為沉積兩側(cè)分別與基板交點的距離。

圖4 測量示意圖

激光輪廓測量儀的序列掃描功能可獲取足量的尺寸樣本，試驗中設(shè)置輪廓測量儀掃描頻率為1000 Hz，電位移平臺的位移速度為18 mm/s，即長度50 mm的單道沉積軌跡可得2778個均勻分布的截面輪廓，可從每個截面輪廓中測量出沉積的高度和寬度，同時可通過自帶軟件將這些截面擬合成三維模型，如圖5所示。

圖5 單道沉積三維圖

2.2 回歸分析

采用激光輪廓儀測量參數(shù)如表4所示，沉積高度和沉積寬度均為激光輪廓儀掃描的沉積層穩(wěn)定段輪廓平均之后所得，沉積高度標準差H和沉積寬度標準差W均為上述輪廓計算所得，計算公式為：

表4 單道沉積測量參數(shù)

采用MATLAB對激光功率和掃描速度與單道沉積寬度和高度進行回歸分析[10]。分析結(jié)果顯示，激光功率和掃描速度可以很好地預(yù)測單道沉積的高度和寬度，模型擬合度良好，其回歸模型為：

根據(jù)上述回歸方程繪制相應(yīng)的回歸模型圖，如圖6所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增加、掃描速度的減小，單道沉積的寬度和高度都會增加。證明基于30CrNi2MoVA材料單道沉積的高度和寬度皆與激光功率呈正相關(guān)，與掃描速度呈負相關(guān)。

2.3 模型驗證

表5為驗證試驗結(jié)果，其測量方法與上述過程相同，驗證結(jié)果表明各工藝參數(shù)對寬度和高度的影響趨勢與回歸分析預(yù)測模型相同，單道沉積的高度和寬度與激光功率呈正相關(guān)、與掃描速度呈負相關(guān)，驗證了回歸分析模型所得結(jié)果的正確性。

圖6 回歸模型圖

表5 驗證單道沉積測量參數(shù)

將驗證試驗所得單道沉積的尺寸數(shù)據(jù)與利用方程回歸模型所預(yù)測的沉積尺寸數(shù)據(jù)進行比較，如圖7所示。在考慮沉積過程中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性以及測量誤差的基礎(chǔ)上，單道沉積的尺寸回歸模型具有較好的準確性。從圖7發(fā)現(xiàn)高度模型預(yù)測的準確度比寬度模型預(yù)測的準確度要好，同時從表4和表5中，發(fā)現(xiàn)沉積高度的標準差遠小于沉積寬度的標準差，證明沉積過程中高度尺寸表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，更有利于回歸模型對其進行預(yù)測。綜合研究高度、寬度回歸預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)和圖7中高度、寬度的變化趨勢，可發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)激光功率、掃描速度的變化在沉積寬度尺寸上表現(xiàn)得更明顯。

2.4 單道沉積質(zhì)量分析

由表4可看出，功率為400 W、800 W時，除試驗編號6、7外，其標準差偏高，證明加工過程中沉積單道尺寸不穩(wěn)定。其具體表現(xiàn)如圖8所示，可發(fā)現(xiàn)因為激光功率過低導(dǎo)致粉末完全熔化，形成的沉積層處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗編號6、7和11～25沉積層尺寸標準差較低。圖9為編號18的沉積層，整個沉積層較為穩(wěn)定，沉積質(zhì)量良好。但其中有一些沉積層，雖然標準差較低、沉積過程穩(wěn)定，但沉積狀態(tài)卻不適合應(yīng)用沉積成形。圖10為編號21的沉積層，寬度為3.58 mm，遠大于光斑直徑3 mm，且對周圍大范圍區(qū)域產(chǎn)生了明顯的影響，故該類參數(shù)也應(yīng)予以排除。

圖7 驗證試驗實際尺寸與預(yù)測尺寸

圖8 不穩(wěn)定單道沉積層

圖10 過熔單道沉積層

圖11 沉積內(nèi)部缺陷

根據(jù)線能量密度公式＝/，計算出每組試驗相應(yīng)的線能量密度[11]。結(jié)合沉積尺寸穩(wěn)定性（寬和高的標準差）與沉積層的質(zhì)量，繪制出沉積狀態(tài)與能量密度的相關(guān)圖，如圖12所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)線能量密度為85～200 J/mm時有較好的沉積效果。當＜85 J/mm時，會出現(xiàn)粉末熔化不完全的現(xiàn)象，影響沉積尺寸與沉積質(zhì)量。而＞200 J/mm則容易導(dǎo)致金屬粉末過度熔化，沉積尺寸偏大，且熱影響區(qū)范圍過大，不利于搭接和上層沉積。

圖12 能量密度分布圖

3 結(jié)論

基于30CrNi2MoVA進行工藝試驗研究，主要分析激光功率和掃描速度兩種工藝參數(shù)對沉積尺寸的影響：激光功率和掃描速度對沉積層的寬度和高度都產(chǎn)生了顯著影響，其中激光功率與沉積層的高度、寬度呈正相關(guān)，而掃描速度與沉積層的高度、寬度呈負相關(guān)。沉積寬度尺寸較沉積高度尺寸對激光功率和掃描速度的變化表現(xiàn)得更加敏感，而沉積過程中沉積高度則表現(xiàn)更加穩(wěn)定。通過回歸分析分別建立了沉積層寬度和高度的線性預(yù)測模型。

采用了激光輪廓儀對沉積層外形尺寸進行測量，該測量方法能夠快速獲取大量的沉積表面信息，可為沉積質(zhì)量判斷、尺寸預(yù)測等進一研究提供充足數(shù)據(jù)。本文計算了相應(yīng)沉積層外形尺寸的標準差，判斷熔融沉積的穩(wěn)定性，結(jié)合沉積層的外部質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，對能量密度進行了分析，發(fā)現(xiàn)線能量密度為85～200 J/mm時可以得到較好的沉積效果。

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Process Parameters of Laser Melting Deposition Based on 30CrNi2MoVA

XIANG Xiao1，WANG Min2，YIN Ming1，XIE Luofeng1，YIN Guofu1

( 1.School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,China;2.Automation Research Institute of China South Industries Group Corporation, Mianyang 621000,China)

This paper studied the process of laser melting deposition (LMD) equipment by using 30CrNi2MoVA steel powder and explored the influence of laser power and scanning speed on the width and height of deposition layer. Regression analysis was formulated to analyze the process parameters and deposition size. The corresponding regression model was established, and the influence law of process parameters on deposition size was assured. There is evidence of a positive relationship between the laser power and the height and width of the deposition layer, and a negative relationship between the scanning speed and the height and width of the deposition layer. According to the standard deviation of deposit size and deposition quality, the linear energy densityis analyzed, and it is found that the deposition quality is better in the range of 85～200 J/mm. To measure the deposition size, laser profilometer is used, which has the advantages of large amount of data and high precision, and can provide sufficient data for further study of deposition quality evaluation and size prediction.

laser melting deposition；30CrNi2MoVA steel；process parameters；regressionanalysis

TG142

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.006

1006－0316 (2020) 05－0033－07

2019－11－21

國家自然科學(xué)基金（51705347）；四川省重大科技專項項目（2020ZDZX0014）

向梟（1993－），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為增材制造；殷國富（1956－），男，四川西充人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為制造自動化、智能設(shè)計技術(shù)、CAD/CAM/CIMS。*通訊作者：謝羅峰（1991－），男，四川成都人，博士，助理研究員，主要研究方向為增材制造和熔池監(jiān)控，E-mail：xielf@scu.edu.cn