龔玉玲，徐曉棟

（泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，泰州 225300)

0 引言

激光熔覆再制造技術(shù)采用高能量激光束使基體表面和熔覆粉末熔化并迅速凝固,表面形成良好的冶金結(jié)合層,其智能化程度高,力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn),逐步成為修復(fù)重要設(shè)備關(guān)鍵零部件的有效技術(shù)手段,在航空航天、船舶等眾多領(lǐng)域獲得了運(yùn)用[1,2]。但是該技術(shù)受到激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑等多工藝參數(shù)影響的復(fù)雜工藝過(guò)程,工藝參數(shù)的變化會(huì)直接影響到熔覆幾何特征[3～5],因此研究工藝參數(shù)對(duì)單道幾何特征的影響規(guī)律,建立精確的幾何特征模型,為后續(xù)多層多道熔覆路徑規(guī)劃奠定基礎(chǔ)是非常必要的。

李進(jìn)寶等[6]以接觸角為評(píng)價(jià)參數(shù),通過(guò)參數(shù)無(wú)量綱化分析,研究了激光功率、送粉速率和掃描速度三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)熔覆幾何形貌的影響規(guī)律,最終獲得性能良好的熔覆層。Mohammad等[7]根據(jù)激光功率、送粉速率和掃描速度三個(gè)工藝參數(shù),采用回歸法預(yù)測(cè)單道幾何特征,獲得最佳工藝參數(shù)。江國(guó)業(yè)等[8]分析了激光功率、掃描速度、送粉速率和保護(hù)氣流量等四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)宏觀形貌的影響規(guī)律,分析出在這些工藝參數(shù)影響下,總結(jié)出橫截面的形狀主要以月牙形、蘑菇形等形貌特征為主。Liu等[9]根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)幾何參數(shù)的影響規(guī)律,并采用圓弧描述截面輪廓形貌。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于激光熔覆層幾何特征的影響規(guī)律及幾何特征建模等方面均取得了一定成果,但是仍存在試驗(yàn)數(shù)量較多,工藝參數(shù)對(duì)幾何特征影響規(guī)律探究不夠深入,建立熔覆層模型較復(fù)雜等問(wèn)題。

本文采用正交試驗(yàn)研究了激光功率、掃描速度、光斑直徑和送粉速率等四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆單道幾何特征的影響規(guī)律；建立工藝參數(shù)與熔覆寬度和熔覆高度關(guān)系的非線(xiàn)性模型,深入分析了工藝參數(shù)對(duì)熔覆寬度和熔覆高度影響規(guī)律；建立了工藝參數(shù)與幾何特征的數(shù)學(xué)模型,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較,驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

熔覆基體的材料為316 L 不銹鋼板,尺寸為200mm×25mm×8mm。激光熔覆前需要將基體表面打磨平整,用99.99%的無(wú)水酒精、丙酮清洗表面的污漬和油脂,然后將表面吹干[10]。熔覆粉末材料是自熔性鈷基高溫合金Stellite6合金粉末,粒徑為50～100℃為提高基材和熔覆粉末的結(jié)合性能,減少開(kāi)裂,基材預(yù)熱到120℃下并保溫2h[11]。基材和粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 316L基體和Stellite6粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

激光熔覆設(shè)備為萬(wàn)瓦級(jí)激光復(fù)合加工平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包含激光發(fā)射器、六軸機(jī)械手、控制面板、送粉器、氬氣保護(hù)氣、工作臺(tái)等六大部分組成。激光器為通塊碟片式激光器,型號(hào)為T(mén)ruDisk12003,功率范圍320W-12kW；熔覆頭型號(hào)為T(mén)rumpf,最大功率為4kW；送粉系統(tǒng)型號(hào)為GTV,送粉量為5～30g/min,保護(hù)氣體為氬氣,系統(tǒng)采用同軸送粉模式,如圖1所示。激光熔覆設(shè)備發(fā)射高能量激光束,能量主要集中在光斑直徑范圍內(nèi),粉末通過(guò)專(zhuān)門(mén)送粉管道噴出,在激光高能量的作用下,粉末和基體表面快速熔化后凝固結(jié)晶,同時(shí)保護(hù)氣體氬氣噴出,保護(hù)熔覆層,防止其氧化[12]。

圖1 激光熔覆加工圖

1.3 試驗(yàn)方法

影響激光熔覆工藝參數(shù)較多,本文選擇激光熔覆工藝中經(jīng)常需要調(diào)整的四種工藝參數(shù)：激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉速率,采用四因素三水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)安排及測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)表及測(cè)量結(jié)果

1.4 試驗(yàn)測(cè)量

激光熔覆形貌圖如圖2所示,從圖中可見(jiàn),熔覆層質(zhì)量好,無(wú)裂紋等缺陷。從激光熔覆板上切下20mm×20 mm×8 mm 的塊形試樣。將試塊鑲樣,分別用4 0 0 0目～2000目砂紙打磨后,再用拋光機(jī)對(duì)試樣拋光[13]。利用體式光學(xué)顯微鏡觀察斷面的幾何特征,測(cè)量每個(gè)斷層的熔覆寬度和熔覆高度,重復(fù)測(cè)量五次,并計(jì)算平均值。Farahmand[14]等研究顯示,激光熔覆的深度常常較小并且形狀不規(guī)則,測(cè)量誤差較大,因此,熔覆深度不作為截面的幾何特征。由圖3激光熔覆幾何特征示意圖,測(cè)量上述9組的幾何特征值,Wr表示熔覆寬度,Hr表示熔覆高度。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖2 激光熔覆形貌圖

圖3 激光熔覆幾何特征示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熔覆寬度

熔覆寬度均值響應(yīng)表如表3所示,熔覆寬度均值響應(yīng)圖如圖4所示。由結(jié)果可見(jiàn),激光功率對(duì)熔覆寬度影響最大,其次依次是掃描速度、送粉速率、光斑直徑。這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,因此寬度隨之增加；但是掃描速度對(duì)熔池中產(chǎn)生能量起到負(fù)面作用,掃描速度越快,粉末無(wú)法充分熔化,因此熔覆寬度相應(yīng)減少；送粉速率越大,有更多的粉末吸收到足夠的激光能量,寬度增加；激光的能量主要集中在光斑范圍內(nèi),因此隨著光斑直徑增加,熔覆粉末在光斑范圍內(nèi)能夠獲得足夠的能量,使得熔覆粉末與基體熔化后結(jié)合,而光斑范圍之外,能量較少,粉末和基體沒(méi)有足夠的能量而較難結(jié)合,因此隨著光斑直徑增加,熔覆寬度也隨之緩慢增加。

圖4 熔覆寬度均值響應(yīng)圖

表3 熔覆寬度均值響應(yīng)表

2.2 熔覆高度

熔覆高度均值響應(yīng)表如表4所示,熔覆高度均值響應(yīng)圖如圖5所示。由結(jié)果可見(jiàn),掃描速度是影響熔覆高度的主要因素,其后依次是激光功率、送粉速率、光斑直徑。這是因?yàn)樗头鬯俾屎蛼呙杷俣葲Q定了粉末熔覆熔池的總質(zhì)量,送粉速率越快、掃描速度越慢,獲得送粉量越大,熔覆層的高度越大。激光功率的增加促使熔池中熔化的液態(tài)金屬在重力和馬蘭格尼對(duì)流等作用力下流動(dòng)[15],導(dǎo)致熔覆層高度有所降低；光斑直徑越大,激光能量分布范圍面增加,熔覆層高度稍微下降。

圖5 熔覆高度均值響應(yīng)圖

表4 熔覆高度均值響應(yīng)表

3 激光熔覆單道幾何特征建模

3.1 工藝參數(shù)與幾何特征關(guān)系模型

建立激光熔覆工藝參數(shù)與熔覆幾何特征之間的關(guān)系模型,對(duì)預(yù)測(cè)幾何形貌有重要的意義[16]。在本試驗(yàn)研究中,參考Cheikh[17]等建立鋪粉式單道幾何特征表達(dá)式的方法,建立激光功率、掃描速度,光斑直徑和送粉速率等工藝參數(shù)與熔覆寬度和熔覆高度之間的關(guān)系。擬合公式如式(1)所示：

式(1)中,y表示熔覆層的幾何特征值。α,β,γ和λ分別表示激光功率P,掃描速度Vs、光斑直徑D和送粉速率Vf的指數(shù)。u和v表示常數(shù)。

通過(guò)式(1),擬合熔覆寬度與工藝參數(shù)的關(guān)系公式為：

相關(guān)系數(shù)R=0.92。熔覆層寬度與工藝參數(shù)關(guān)系圖見(jiàn)圖6所示。相關(guān)系數(shù)高,說(shuō)明試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值有很好的相關(guān)性。P,D,Vf的系數(shù)均為正,說(shuō)明這些因素對(duì)熔覆寬度有正的影響,而Vs的系數(shù)為負(fù)數(shù),說(shuō)明Vs對(duì)熔覆寬度有負(fù)的影響。從系數(shù)的絕對(duì)值可見(jiàn),影響由強(qiáng)弱依次為掃描速度、激光功率、送粉速率、光斑直徑,與前面的分析結(jié)果一致。

圖6 熔覆層寬度與工藝參數(shù)關(guān)系圖

通過(guò)式(1),擬合熔覆高度與工藝參數(shù)的關(guān)系公式為：

圖7 熔覆層高度與工藝參數(shù)關(guān)系圖

3.2 幾何模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步單道幾何特征模型的準(zhǔn)確性,計(jì)算熔覆寬度、高度的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值之間的誤差,計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表可見(jiàn),測(cè)量值與預(yù)測(cè)值誤差基本在7%以?xún)?nèi),通過(guò)該幾何模型可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)激光熔覆的幾何特征。

表5 幾何特征的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值誤差表

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用正交試驗(yàn),分析了工藝參數(shù)與熔覆單道幾何特征之間的關(guān)系,并建立了數(shù)學(xué)模型,結(jié)論如下：

1）采用試驗(yàn)次數(shù)較少的四因素三水平9組正交試驗(yàn),獲得激光功率、掃描速度、光斑直徑和送粉速率等四個(gè)工藝參數(shù)變化對(duì)熔覆寬度和熔覆高度的影響規(guī)律,試驗(yàn)表明激光功率對(duì)熔覆寬度影響最大,掃描速度對(duì)熔覆高度影響最大。

2）建立了熔覆寬度和熔覆高度與激光熔覆工藝參數(shù)之間的幾何模型,該幾何模型可以出掃描速度對(duì)熔覆寬度和高度為負(fù)相關(guān),激光功率、光斑直徑和送粉速率三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)熔覆寬度和高度表現(xiàn)出正相關(guān),與正交試驗(yàn)極差分析一致。

3）建立的熔覆寬度、熔覆高度與激光熔覆工藝參數(shù)與幾何特征之間的預(yù)測(cè)模型,該預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,誤差基本在7%以?xún)?nèi),可以較精確的預(yù)測(cè)熔覆寬度和熔覆高度。