激光熔覆曲面基體曲線軌跡成形內(nèi)部質(zhì)量與效率影響研究

張 浩,練國富,陳昌榮,黃 旭,馮美艷

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118)

1 引 言

由于激光熔覆具有高能量密度(104～106W/cm2)、快速冷卻速率(104～106K/s)的特性,使熔覆層具備熱影響區(qū)小、基體形變量小、稀釋率低、良好的冶金結(jié)合性等優(yōu)異性能[1-2],目前已廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片、齒輪以及模具等大規(guī)模表面改性與修復(fù)。

關(guān)于激光熔覆的工藝參數(shù)優(yōu)化,大量學(xué)者進(jìn)行了研究。Goodarzi[3]等通過全因素試驗(yàn)方法研究了激光功率、送粉速率及熔覆速度對(duì)單道熔覆層幾何特征(高度、寬度及潤濕角)的影響規(guī)律,通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法,建立了輸入?yún)?shù)與熔覆層幾何特征之間的關(guān)系。Barekat[4]等同樣采用全因素試驗(yàn)方法研究了熔覆工藝參數(shù)(激光功率、激光掃描速度、送粉速率)對(duì)單道熔覆層的幾何特征(寬度、高度、基材熔化深度、稀釋率及潤濕角),并通過線性回歸分析方法得到參數(shù)與輸入指標(biāo)形如PaSbFc(a,b,c為常數(shù))的組合工藝參數(shù),構(gòu)建了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?基于關(guān)系模型,構(gòu)建了激光熔覆組合參數(shù)工藝圖,得到最佳工藝參數(shù)區(qū)間。Liu[5]等采用田口正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究了激光功率、掃描速度、送粉速率、保護(hù)氣流量對(duì)單道涂層寬度、高度及基材熔化深度影響規(guī)律,并以相對(duì)能量密度為目標(biāo)通過信噪比優(yōu)化輸入?yún)?shù),得到最佳工藝參數(shù)。Zhu[6]等基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,首先建立激光功率衰減模型,繼而研究不同送粉速率及掃描速度對(duì)稀釋率影響,又分析三個(gè)參數(shù)對(duì)熔覆層寬度、高度、表面粗糙度、潤濕角及組織結(jié)構(gòu)影響,最后對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,獲得成型質(zhì)量最佳熔覆層,獲得了預(yù)期幾何特征及組織結(jié)構(gòu)。Mahamood[7]等利用激光金屬沉積工藝(LMD),研究激光功率、掃描速度、送粉速率、氣流量對(duì)金屬沉積粉末利用率的影響關(guān)系,構(gòu)建四因素兩水平16組全因素試驗(yàn),得到了參數(shù)與粉末利用率的關(guān)系模型。

現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)在工藝參數(shù)優(yōu)化方面取得了明顯的突破,但是大部分都是以平面基體熔覆層展開研究,并且大多以幾何特征(熔覆層寬度、高度、稀釋率、潤濕角以及基材熔化幾何特征等)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。激光熔覆過程由于溫度梯度問題容易產(chǎn)生氣孔等內(nèi)部缺陷,不利于改善熔覆層性能,同時(shí)曲面基體對(duì)熔覆層氣孔及熔覆效率的控制與預(yù)測更具挑戰(zhàn)。本文采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的中心復(fù)合設(shè)計(jì)模塊,研究不同工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、氣流量以及圓柱基體半徑)對(duì)曲面基體熔覆曲線軌跡成形的氣孔率以及成形效率的耦合作用機(jī)理,有效減小氣孔率等缺陷,提高熔覆效率,獲得曲面基體曲線軌跡熔覆成形內(nèi)部質(zhì)量與效率的預(yù)測與控制方法。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇45#鋼圓形棒料為基體材料,基體長度為70 mm,壁厚為5 mm,熔覆過程中采用直徑為3 mm的圓形光斑,熔覆粉末選擇W6Mo5Cr4V2高速鋼粉末(四川成都華寅粉體有限公司),其粒徑大小為48～106 μm,此粒徑大小滿足熔覆設(shè)備送粉需求,W6Mo5Cr4V2高速鋼粉末化學(xué)成分如表1所示。

表1 W6Mo5Cr4V2化學(xué)成分(wt %)Tab.1 Chemical composition of W6Mo5Cr4V2(wt %)

激光熔覆系統(tǒng)如圖1所示,由德國IPG的YLS-3000激光器,美國Lasermech提供的FDH0273/焦距300 mm激光熔覆頭,日本FANUC的M-710iC/50工業(yè)機(jī)器人,中國三河同飛的TFLW-4000WDR-01-3385激光水冷卻機(jī)以及中國松興CR-PGF-D-2氣流式送粉系統(tǒng)、日本Mitsubishi的PLC整機(jī)控制系統(tǒng)、SX14-012PULSE激光脈沖波形控制系統(tǒng)、外設(shè)三抓卡盤組成。熔覆過程中的保護(hù)氣體以及送粉氣體選擇氬氣。

基體進(jìn)行熔覆之前,用無水乙醇將表面油污清洗干凈,將W6Mo5Cr4V2高速鋼粉末置于真空烘干機(jī)120 ℃環(huán)境中烘干30 min,以達(dá)到去除粉末水氣的目的,防止熔覆過程中出現(xiàn)送粉管道堵塞問題。表2所示為熔覆參數(shù)變量表,根據(jù)表2所示試驗(yàn)方案進(jìn)行熔覆試驗(yàn),熔覆后的樣件進(jìn)行線切割、鑲嵌、打磨、拋光等處理,隨后在4 %硝酸酒精中浸蝕30 s以便在日本Hitachi High-Technologies的TM3030Plus掃描電鏡下進(jìn)行氣孔及截面形貌的觀察,最后采用KH-1300(Hirox Co Ltd,Tokyo,Japan)三維顯微系統(tǒng)測量熔覆層尺寸(氣孔面積、熔覆層面積),氣孔率及熔覆效率計(jì)算公式如公式(1)、(2)所示,通過多次測量求其均值,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示:

(1)

圖1 激光熔覆系統(tǒng)Fig.1 Laser cladding system

圖2 熔覆樣件截面示意圖Fig.2 Schematic cross-section of the clad

式中,Apore為熔覆層內(nèi)所有氣孔面積之和;Aclad為熔覆層截面面積,熔覆層截面及成形樣件截面示意圖如圖2、3所示,其中圖2中CZ表示熔覆區(qū),MZ表示基材熔化區(qū),HAZ表示熱影響區(qū),Substrate表示基體。

Cladding Efficiency=Aclad×SS

(2)

式中,Aclad同樣為熔覆層截面面積;SS為掃描速度。

響應(yīng)面法(Resopnse Surface Methodology)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of experiment)中用于構(gòu)建輸入?yún)?shù)與輸出過程變量之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊环N方法。中心復(fù)合設(shè)計(jì)(Central composite design)是最常用的模塊,在輸入?yún)?shù)的限制條件下,最終多目標(biāo)優(yōu)化的最佳值可以是特定函數(shù)的最小值、最大值或特定目標(biāo)值[8-14]。本文研究四個(gè)輸入?yún)?shù)激光功率、掃描速度、氣流量、圓柱基體半徑對(duì)熔覆層氣孔率、熔覆效率兩個(gè)輸出作用關(guān)系,四因素五水平中心水平共計(jì)30組試驗(yàn),具體見表2、3,響應(yīng)面法二階數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如公式(3)所示,其中,β0為截距系數(shù),βi、βii、βij分別為模型一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)回歸系數(shù),xi、yj分別為輸入變量,k為參數(shù)數(shù)量,ε為殘差。

圖3 熔覆樣件截面形貌圖Fig.3 Cross-section of the clad

(3)

表2 試驗(yàn)參數(shù)變量表Tab.2 Test parameter variables

表3 中心復(fù)合設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Central composition design and results

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 方差分析

經(jīng)過方差分析及多元回歸分析得到各因素與氣孔率、熔覆效率的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e如公式(4)、(5)所示。

表4 氣孔率方差分析表Tab.4 Variance analysis of porosity

表5 熔覆效率方差分析表Tab.5 Variance analysis of cladding efficiency

poroisty=-7.371+20.134×LP+0.897×SS-2.923×10-3×GF-0.353×RC-2.663×LP×SS-0.238×LP×RC-3.097×10-3×SS×GF+0.146×SS×RC+1.226×10-5×GF2

(4)

Cladding Efficiency=-71.728+6.116×LP+5.202×SS+0.013×SS+0.013×GF-0.338×RC-1.841×10-3×SS×GF-0.045×SS×RC+2.940×10-4×GF×RC-5.556×10-5×GF2

(5)

3.2 氣孔率模型分析

通過檢查試驗(yàn)值的殘差分布方式(殘差分析)來評(píng)估所建立模型的有效性,殘差表示觀測值與使用回歸模型預(yù)測的擬合值之間的差異,殘差越小,表明所建立回歸模型精度越高。如圖4所示為Minitab 17.1.0軟件擬合氣孔率的殘差圖,其置信水平為95 %,30組殘差數(shù)據(jù)點(diǎn)有規(guī)律地并且大致沿著殘差正態(tài)概率圖中的直線分布,表示殘差或誤差項(xiàng)處于可接受正態(tài)分布中。通過殘差與擬合值圖(Versus Fits)發(fā)現(xiàn),殘差數(shù)據(jù)點(diǎn)是隨機(jī)分布的,殘差分布未遵循特定的分布模式[11-13]。頻率與殘差圖(Histogram)表明了殘差與模型效率的評(píng)估相關(guān),描述了殘差通常以近似為0為中心并且大致呈對(duì)稱平均值分布,表明殘差正態(tài)分布沒有出現(xiàn)任何異常值。觀察順序與殘差圖(Versus Order)是平衡的,并且居中都接近于0,在30組觀察順序中沒有出現(xiàn)明顯的異常值[14-16]。因此通過殘差的進(jìn)一步分析,證明所構(gòu)建模型的可靠性,與方差分析結(jié)果一致。

圖4 氣孔率殘差分布圖Fig.4 Residual distribution of porosity

圖5所示為激光功率與圓柱基體半徑交互作用下熔覆層氣孔率變化趨勢圖。從圖5可以得知,在激光功率增大及圓柱基體半徑減小共同作用下,熔覆層氣孔率呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。激光功率決定了熔池輸入能量的大小,激光功率增大熔池能量增加,同時(shí)圓柱基體半徑減小,基體熱傳導(dǎo)能力及熔池能量散失速率較弱,使得激光能量在高溫液態(tài)熔池內(nèi)作用時(shí)間較長,有利于粉末的充分熔化,進(jìn)而增加熔覆層面積。另外,激光功率的增大,液態(tài)金屬熔池在高能量作用下,熔池區(qū)域?qū)α髯饔迷鰪?qiáng)[17-18],此時(shí)存在熔覆層內(nèi)的氣泡在熔池強(qiáng)對(duì)流及較長時(shí)間對(duì)流二者綜合作用下,氣泡運(yùn)動(dòng)速率增加,并且在熔融過程熔池中液態(tài)金屬能夠有效填補(bǔ)孔隙,有利于減少孔隙的形成[19-20]。加之激光熔覆本是一個(gè)快速熔化快速凝固的過程,在圓柱基體半徑較小時(shí),基體導(dǎo)熱相對(duì)較小,熔池所吸收能量集中作用時(shí)間得以有效延長,熔池強(qiáng)對(duì)流作用時(shí)間得以增加,致使其凝固時(shí)間得以延長,從而有更充足的時(shí)間使得更多氣體從熔池中逸出,并且增大功率有利于提高熔池壽命,更加有利于增加氣泡逸出熔池的時(shí)間,氣孔面積減小[21]。因此根據(jù)氣孔率計(jì)算公式(1),隨著激光功率的增大和圓柱基體半徑的減小,氣孔面積減小,熔覆層面積增大,從而最終熔覆層內(nèi)氣孔率呈現(xiàn)減小趨勢。

圖5 LP與RC交互對(duì)氣孔率3D響應(yīng)曲面圖與輪廓圖Fig.5 3D response curve and contour line of the interaction of laser power and radius cylindrical substrate on porosity

圖6所示為在掃描速度與氣流量交互作用下對(duì)氣孔率影響關(guān)系圖。由圖6發(fā)現(xiàn),隨著掃描速度及氣流量的同時(shí)增大,熔覆層氣孔率呈現(xiàn)明顯增加趨勢。氣流量增大時(shí),單位時(shí)間送粉量明顯增加,大部分能量被粉末吸收并使得粉末熔化帶入熔池,部分能量被粉末遮蔽,導(dǎo)致熔池能量降低。熔覆過程中雖然采用氬氣作為保護(hù)氣體,但是整個(gè)熔覆過程在高溫的作用下,容易造成部分元素之間相互作用產(chǎn)生CO或CO2類型氣孔,其主要反應(yīng)過程如反應(yīng)式(6)～(8)所示[22]。由于此時(shí)熔池內(nèi)能量低,對(duì)流作用減弱,因此其凝固速率增加,不利于在冷卻凝固過程中氣體的充分逸出,被截留在熔覆層內(nèi)形成較多氣孔。激光熔覆存在快速加熱、快速凝固的特性,掃描速度增大,激光能量作用于熔池時(shí)間較短,高溫液態(tài)熔池壽命縮短,熔池對(duì)流時(shí)間降低,進(jìn)一步增加了凝固速率,氣體逸出不充分,導(dǎo)致凝固速率顯著大于氣體逸出速度,氣泡在熔覆層內(nèi)形成孔隙[23-24]。因此,在氣流量增大及掃描速度增大共同作用下,熔池對(duì)流及有效壽命縮短,不利于氣體逸出,導(dǎo)致熔覆層內(nèi)氣孔率顯著增加。

2C+O2→2CO

(6)

C+O2→CO2

(7)

2CO+O2→2CO2

(8)

圖6 SS與GF交互對(duì)氣孔率3D響應(yīng)曲面圖及輪廓圖Fig.6 3D response curve anc contour line of the interaction of scanning speed and gas flow on porosity

圖7所示為各因素對(duì)氣孔率影響主效應(yīng)圖,由圖7可知,氣孔率隨著激光功率增加迅速降低,隨著掃描速度的增加而增大,隨著氣流量的增大呈類拋物線型增加,隨著圓柱基體半徑的增大而迅速增加,并且根據(jù)直線斜率可知圓柱基體半徑影響最為顯著。

圖7 氣孔率主效應(yīng)圖Fig.7 Main effects plot for porosity

3.3 熔覆效率模型分析

圖8所示為熔覆效率殘差圖,在正態(tài)概率圖(Normal Probability Plot)中,30組數(shù)據(jù)殘差點(diǎn)沿預(yù)測值直線分布,表明殘差正常分布,解釋了試驗(yàn)值與預(yù)測值之間良好的一致性。殘差擬合圖(Versus Fits)表明實(shí)際殘差與擬合值之間是不存在特定的數(shù)學(xué)關(guān)系的,實(shí)際殘差呈現(xiàn)隨機(jī)分布,符合殘差分布要求。而直方圖(Histogram)表明,大多數(shù)實(shí)際值均聚集在直方圖的中心附近,直方圖沿中心0值大致呈對(duì)稱分布,表明試驗(yàn)組熔覆效率呈正態(tài)分布,滿足需求,不存在異常值分布。通過30組順序圖(Versus Order)發(fā)現(xiàn)殘差值在觀察順序下是隨機(jī)分布,未發(fā)現(xiàn)觀察順序與殘差值的特定關(guān)系,并且所有殘差值都在0值附近分布,表明觀察順序中沒有出現(xiàn)異常值。通過殘差分布系列圖分析,證明熔覆效率30組殘差數(shù)據(jù)值滿足正態(tài)分布假設(shè),所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型具有較高的預(yù)測性與可行性。

圖8 熔覆效率殘差分布圖Fig.8 Residual distribution of cladding efficiency

圖9所示為氣流量與圓柱基體半徑交互作用下熔覆效率變化趨勢。從圖9可以看出,熔覆效率隨著圓柱基體半徑的減小及氣流量的增大共同作用下先增大而后減小。圓柱基體半徑最大與氣流量最小時(shí),此時(shí)基體體積最大導(dǎo)致熱傳導(dǎo)能力最強(qiáng),由于能量的傳遞性,溫度迅速從溫度高的區(qū)域向溫度低區(qū)域傳遞,相同能量作用下,熔池吸收能量低且作用時(shí)間短,同時(shí)氣流量小送粉量小,因此效率最低。隨著圓柱基體半徑減小至50 mm、氣流量增大至1200 L/h時(shí),此時(shí)圓柱體積減小,能量散失效率減緩,熔池吸收能量增加且作用時(shí)間得以延長,并且此時(shí)送粉量進(jìn)一步增加,能夠更好的用于熔覆成形,提高成形效率。而當(dāng)氣流量進(jìn)一步增大時(shí),顆粒狀粉末量增加,對(duì)激光束造成遮蔽,導(dǎo)致此時(shí)吸收熔池能量減小,雖然圓柱基體半徑進(jìn)一步減小使基體熱傳導(dǎo)較小,能量集中程度增強(qiáng),但是熔池能量減少不利于此時(shí)更多粉末的熔化成形,進(jìn)而導(dǎo)致熔覆效率下降。

圖9 GF與RC交互對(duì)熔覆效率3D響應(yīng)曲面圖及輪廓圖Fig.9 3D response curve and contour line of interaction of gas flow and radius of cylindrical substrate on cladding efficiency

圖10所示為各因素對(duì)熔覆效率影響主效應(yīng)圖,由圖10可知,熔覆效率隨著激光功率及掃描速度的增大而持續(xù)增加,隨著氣流量的增大先迅速增加而后迅速降低,隨著圓柱基體半徑的增加而持續(xù)減小。

圖10 熔覆效率主效應(yīng)圖Fig.10 Main effects plot for cladding efficiency

4 工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

本文研究主要目標(biāo)是獲得“曲面基體曲線軌跡”最大單道成形效率及最小氣孔缺陷率,因此,以最大熔覆效率及最小氣孔率作為優(yōu)化條件,通過Minitab 17.1.0基于響應(yīng)面法優(yōu)化同時(shí)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,獲得最佳組合工藝參數(shù)。本次多目標(biāo)優(yōu)化desirability為1,氣孔率與熔覆效率設(shè)置重要性及權(quán)重值均一致,達(dá)到最佳,其最佳工藝參數(shù)組合為激光功率1.6 kW,掃描速度7 mm/s,氣流量1120 L/h,圓柱基體半徑40 mm。按照所述優(yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),預(yù)測結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證具體結(jié)果如表6所示,氣孔率及熔覆效率分別為6.755 %、5.417 %,結(jié)果表明預(yù)測與實(shí)際值較為接近,證明了所建立有效輸入?yún)?shù)與兩個(gè)響應(yīng)值的模型的準(zhǔn)確性,所建立模型能夠?yàn)榍婊w曲線軌跡氣孔率及熔覆效率進(jìn)行有效預(yù)測與控制。

表6 預(yù)測優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果比較Tab.6 Result comparison between predicted optimization and experimental validation

圖11所示為優(yōu)化參數(shù)下試驗(yàn)所得樣件截面形貌圖,從圖11中可以看出熔覆層內(nèi)只有少量的小氣孔,并且優(yōu)化參數(shù)下均無大面積氣孔,證明熔覆層質(zhì)量得到明顯改善。

圖11 驗(yàn)證組截面形貌圖Fig.11 Morphology of the cross-section of the verification group

5 結(jié) 論

本文基于響應(yīng)面法中心復(fù)合設(shè)計(jì)模塊,以曲面基體曲線軌跡熔覆層為對(duì)象,基于熔覆工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、氣流量、圓柱基體半徑)以優(yōu)化熔覆成形內(nèi)部質(zhì)量與熔覆效率為目標(biāo),采用統(tǒng)計(jì)分析方法建立了輸入?yún)?shù)與優(yōu)化目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并且通過期望函數(shù)方法同時(shí)對(duì)氣孔率及熔覆效率兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化,主要結(jié)論總結(jié)如下:

(1)確定了工藝參數(shù)與氣孔率、熔覆效率的二階數(shù)學(xué)關(guān)系模型,并通過方差分析及殘差分析確定了所建立模型的可靠性,證明通過中心復(fù)合設(shè)計(jì)所建立模型能夠?qū)υ囼?yàn)值進(jìn)行預(yù)測。

(2)激光功率、掃描速度、氣流量及圓柱基體半徑對(duì)氣孔率均有顯著的影響,適當(dāng)增加激光功率、減小掃描速度、減小氣流量及減小圓柱基體半徑可以獲得氣孔率較小的熔覆層。

(3)激光功率、掃描速度、及圓柱基體半徑對(duì)熔覆效率均有顯著的影響,氣流量相比之下影響較弱,增加激光功率、掃描速度、適當(dāng)增加氣流量、減小圓柱基體半徑可以獲得較高的熔覆成形效率。

(4)通過對(duì)氣孔率最小及熔覆效率最大兩個(gè)目標(biāo)綜合優(yōu)化,得到最佳工藝參數(shù),通過對(duì)試驗(yàn)值與預(yù)測值進(jìn)行誤差計(jì)算,氣孔率、熔覆效率誤差率分別為6.755 %、5.417 %,所建立模型對(duì)曲面基體曲線軌跡成形內(nèi)部質(zhì)量與效率的預(yù)測與控制提供理論依據(jù)。

(5)本研究成果適用于激光能量能夠達(dá)到用于熔覆粉末的溫度的“曲面基體曲線軌跡”熔覆,為獲得精準(zhǔn)的“曲面基體曲線軌跡”熔覆層提供了指導(dǎo)意義。