基于分層變掃描路徑法修復(fù)薄壁缺口缺陷

賀超， 邱長軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

激光金屬直接成形技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它不同于一般的表面滲碳、熱噴涂等傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)，在處理過程中能大幅改變基體的表面成分，從而得到一種組織和性能完全不同于基體的表面強(qiáng)化層[1]。利用該技術(shù)，一方面可對表面受損的零部件進(jìn)行修復(fù)[2]，另一方面還可使材料或零部件直接成形[3]。J.del Val等[4]發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光發(fā)射裝置在側(cè)軸輸送粉末的狀態(tài)下，加工過程的參數(shù)（比如激光的功率與送粉噴嘴的運(yùn)動速率的值）都對單軌道層的水平高度值和豎直寬度值存在一定的影響，同時(shí)其研究發(fā)現(xiàn)激光的功率和送粉噴嘴運(yùn)動速率分別對單軌道的水平寬度值和豎直高度值有非常明顯的相互作用。El.Cheikh等[5]在同向輸送粉末的加工狀態(tài)下采用不同的激光能量密度、激光頭運(yùn)動速率、輸送粉末速度來進(jìn)行激光直接制造單軌道試驗(yàn)，利用多元線性擬合的數(shù)學(xué)方法對單軌道輪廓和激光能量密度、激光頭運(yùn)動速率、送粉速度之間的耦合作用進(jìn)行分析，結(jié)果表明，單軌道輪廓形狀可以通過耦合作用預(yù)測。楊友文等[6]采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與遺傳算法相結(jié)合的方法，建立熔融狀態(tài)下金屬的外輪廓形狀與激光能量密度、激光頭運(yùn)動速度與和送粉量之間的數(shù)學(xué)模型與關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。Li Xiangbo等[7]發(fā)現(xiàn)基材傾斜的角度對單軌道成形形狀具有一定程度的影響，通過建造單軌道幾何形狀與基材傾斜角度的數(shù)學(xué)關(guān)系式來預(yù)測軌道的幾何形狀。Gao Jian等[8]通過基于B樣條基函數(shù)極值參數(shù)化的曲面擴(kuò)展算法在扭曲葉片表面成形磨損尖端。Kannan等[9]建立了激光成形件的幾何特征和加工參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。李東升等[10]通過隨形分層分段變速的方法，在異形基面上激光熔覆成形平頂薄壁結(jié)構(gòu)。然而，由于軌跡控制、激光成形技術(shù)等難點(diǎn)阻礙，目前對于激光直接制造的研究是以基面水平為前提進(jìn)行的，基于不平整的薄壁軌道的激光直接成形方面的研究非常少。

本文采用控制變量的方法進(jìn)行單道沉積層成形實(shí)驗(yàn)，采用光學(xué)影像儀測量軌道的寬度值與高度值，利用線性回歸的數(shù)學(xué)方法得到加工參數(shù)與軌道外輪廓幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該數(shù)學(xué)表達(dá)式的建立可以有效預(yù)測單軌道的外輪廓，同時(shí)還可以為加工參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)，采用水平等高分層、分層變掃描長度的方法在薄壁軌道的缺口成形上表面平整的成形件，成功修復(fù)帶有缺口的不同厚度薄壁軌道，該研究將極大地?cái)U(kuò)展激光直接制造技術(shù)在金屬件修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

激光熔覆成形系統(tǒng)包括同軸送粉熔覆噴頭、光纖激光器、送粉器、五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床，保護(hù)氣和載氣均采用氮?dú)?。激光從激光器發(fā)出，先通過準(zhǔn)直鏡整形為平行光束，然后通過聚焦鏡聚焦成高能密度光束，最后到達(dá)激光熔覆噴頭。氮?dú)庖徊糠肿鳛檩d氣進(jìn)入送粉器，另一部分作為保護(hù)氣進(jìn)入熔覆噴頭，金屬粉末在送粉器的作用下由熔覆噴頭送至熔池，通過熔覆噴頭的掃描運(yùn)動，在基體表面逐層堆積，最終成形為三維實(shí)體零件[11]。

實(shí)驗(yàn)所用基板為Q235，成形材料為304合金粉末，其粒度為48～106 μm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.13%～0.14%的C，1%～1.1%的Si，19%～19.1%的Cr，0.59%～0.61%的B，18.6%～18.7%的Ni，0.96%～0.97%的Mn，0.049%～0.051%的O，0.0029%～0.0031%的S，0.0089%～0.0091%的P，其余全為Fe。在成形實(shí)驗(yàn)開始之前，粉末預(yù)先干燥以增強(qiáng)流動性，基板首先用砂紙打磨，然后用乙醇丙酮清洗，目的是去除表面油脂和污漬。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用水平分層的方法，原理如圖1所示。將需要修補(bǔ)的異形基體豎直方向水平等高分層，根據(jù)薄壁凹槽幾何形狀確定增材層的形狀，確定每一高度沉積層的掃描長度和掃描道數(shù)。利用掃描長度對熔覆層長度的影響，在不同高度位置調(diào)整掃描長度以獲得不同的熔覆長度，通過多層堆積最終成形匹配薄壁凹槽幾何形狀的增材層，實(shí)現(xiàn)薄壁缺口缺陷的修復(fù)。

圖1 水平分層示意圖

2 成形過程

2.1 激光功率對熔覆寬度和高度的影響

選取離焦量為5 mm、激光頭運(yùn)動速率為500 mm/min、送粉量為5.3 g/min的加工參數(shù)進(jìn)行單軌道熔覆試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。從圖2可知：在激光功率增大的過程中，單軌道的寬度值和高度值都表現(xiàn)近似線性增加的變化趨向，但是寬度增加的速率明顯超過高度。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：當(dāng)激光功率持續(xù)增加的時(shí)候，熔池內(nèi)部的能量密度增加，熔池的體積增大，與此同時(shí)，金屬粉末在單位時(shí)間里收獲的熱量增多，熔化的粉末量提高，致使單軌道熔覆層的寬度值與高度值增加，而軌道的高度首要取決于激光頭運(yùn)動速率和送粉量，在成形的過程中，這2個(gè)參數(shù)屬于固定值，所以高度增加的速度低于寬度值。

圖2 功率對軌道寬度和高度的影響

圖3 不同激光功率的軌道

單軌道的熔覆寬度與激光功率在一定范圍內(nèi)近似表現(xiàn)線性關(guān)系，設(shè)函數(shù)表達(dá)式為

式中：W為熔覆層寬度；a與b為待定系數(shù)；P為激光功率。

取離焦量f=5 mm，掃描速度v=500 mm /min，送粉速度MP=5.3 g/min，獲得不同激光功率下單軌道熔覆層的寬度值，隨后用線性回歸的方式處理單軌道的寬度數(shù)據(jù)，獲得W關(guān)于P的函數(shù)表達(dá)式為

2.2 掃描速度對熔覆寬度和高度的影響

選取離焦量為5 mm、功率為130 W、送粉量為5.3 g/min的加工參數(shù)，開展單軌道熔覆試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4可知：在激光頭運(yùn)動速率由300 mm/min提高到400 mm/min的過程中，單軌道寬度值不斷下降；當(dāng)激光頭運(yùn)動速率超過400 mm/min之后，單軌道的寬度值基本穩(wěn)定在0.317 mm。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)椋杭す忸^運(yùn)動速率較小時(shí)，能量密度大，同時(shí)單位時(shí)間里熔池積累的粉末量多，導(dǎo)致單軌道被寬化；在激光頭運(yùn)動速率繼續(xù)降低的過程中，熔池收獲的粉末量和能量都變小，致使軌道寬度值降低，但是單軌道的熔覆寬度首先取決于激光功率，因此單軌道的寬度最終會處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖5可以看出：軌道的高度值在激光頭運(yùn)動速率增大的時(shí)候表現(xiàn)出下降的特征，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：在提高激光頭運(yùn)動速率的過程中，激光的能量密度會隨之減小，導(dǎo)致被熔池熔化的金屬粉末的數(shù)量減少，與此同時(shí)，單位時(shí)間里，熔池獲得的金屬粉末量減少，所以單軌道豎直方向的高度值處于持續(xù)降低的狀態(tài)。綜上所述，激光頭運(yùn)動速率對于單軌道的寬度影響較小，但是該參數(shù)對軌道高度的影響比較大。

圖4 激光頭運(yùn)動速度對軌道寬度和高度的影響

圖5 不同激光頭運(yùn)動速率的軌道

因?yàn)閱诬壍栏叨扰c激光頭運(yùn)動速率在一定范圍表現(xiàn)近似線性關(guān)系，所以設(shè)函數(shù)表達(dá)式為

選用離焦量為f=5 mm，激光功率為P=130 W，送粉速度為MP=5.3 g/min，獲得不同激光頭運(yùn)動速率對應(yīng)的單軌道豎直方向的高度值，隨后采用線性回歸的方式處理單軌道的高度數(shù)據(jù)，整理得到H關(guān)于v的函數(shù)表達(dá)式為

3 檢測與分析結(jié)果

3.1 基于薄壁凹槽的增材層堆積

以尺寸為30 mm×4 mm（長×寬）的不同厚度（0.5 mm、1.5 mm 和3 mm）的Q235薄壁板為例，為模擬薄壁零件常見的“掉塊”損傷，在薄壁板上設(shè)計(jì)了上底為14 mm、下底為10 mm、高為2 mm的梯形凹槽，如圖6（a）所示。在激光功率為130 W、離焦量為5 mm、激光頭運(yùn)動速率為500 mm/min、送粉量為5.3 g/min、搭接50%的工藝參數(shù)下，采用水平等高分層、分層變掃描長度的方法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)材料為304不銹鋼粉末。在此工藝參數(shù)下，單道熔覆的寬度為0.33 mm，高度為0.2 mm。不同厚度（0.5 mm、1.5 mm 和3 mm）的薄板掃描道數(shù)分別為2道、8道和17道，掃描層數(shù)均為10層，且每提高一層掃描長度增加0.4 mm，當(dāng)增加到第10層時(shí)，掃描長度增加到14 mm，與薄壁板梯形凹槽的上底重合，完成薄壁板的損傷的修復(fù)，如圖6（b）所示，不同厚度薄壁均與增材層形成了良好的冶金結(jié)合。

圖6 薄壁零件

3.2 尺寸誤差分析

采用光學(xué)影像儀測得薄壁凹槽處增材層的長度、寬度和高度隨沉積高度的變化。對于0.5 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.032 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.074 mm，高度的最大尺寸誤差為0.097 mm；對于1.5 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.019 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.046 mm，高度的最大尺寸誤差為0.073 mm；對于3 mm厚度的薄壁凹槽增材層，長度的最大尺寸誤差為0.098 mm，寬度的最大尺寸誤差為0.015 mm，高度的最大尺寸誤差為0.022 mm。

3.3 顯微硬度分析

采用顯微硬度計(jì)分別測得不同厚度薄壁增材層的硬度，硬度均保持在276～317 HV，為薄壁基板硬度的2.12～2.44倍。

3.4 顯微組織分析

選擇尺寸精度最高3 mm厚度薄壁增材層取樣，經(jīng)鑲樣、打磨、拋光、腐蝕后，采用掃描電鏡觀察顯微組織，如圖7所示。從整體上可以看出，在不同成形區(qū)域，晶粒大小略有不同，但整體差別較小，故能夠保證組織、性能具有較好的一致性。各部分組織致密均勻，無明顯裂紋、氣孔等缺陷。

圖7 顯微組織金相圖

4 結(jié)語

通過同步送粉激光金屬直接成形技術(shù)，在缺口薄壁成形金屬增材層。采用線性回歸的方法得到激光功率關(guān)于熔覆層寬度的函數(shù)表達(dá)式及掃描速度關(guān)于熔覆層高度的函數(shù)表達(dá)式，采用分層變掃描路徑的方法成功堆積成形修復(fù)區(qū)域。根據(jù)結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：1）薄壁凹槽修復(fù)層的最大長度尺寸誤差為0.019 mm，最大寬度尺寸誤差為0.015 mm，最大高度尺寸誤差為0.022 mm；2）增材層硬度均保持在276～317 HV，為薄壁基板硬度的2.12～2.44倍；3）增材層顯微組織致密均勻、無氣孔和裂紋，沉積層與薄壁缺口缺陷形成較好的冶金結(jié)合。