摘要：研究了激光功率對CO2激光熔覆單道單層成形宏觀尺寸的影響。結果表明，激光成形的宏觀尺寸與激光功率密切相關。在其它參數(shù)不變的條件下，隨著激光功率增加熔覆層寬度和高度先增大后減小，形狀參數(shù)先減小后增大。
　　關鍵詞：CO2激光；激光功率；激光熔覆成形；宏觀質量
　　1引言
　　CO2激光熔覆成形技術是利用高能量密度的激光束，將不同組分的材料沉積于基體表面，形成所需涂層或零件的一種方法。也稱激光直接制造法(Directlaserfabrication,DLF)。隨著激光熔覆技術、RP技術和計算機技術的飛速發(fā)展，DLF技術逐漸成為各國在激光加工和快速制造領域的研究熱點，并促成了多種基于激光熔覆的DLF技術的快速發(fā)展和實質性應用。經過國內外眾多研究機構和學者十幾年的研究和開發(fā)，使得DLF技術研究內容日益系統(tǒng)化，并隨著各國的投入不斷加大呈現(xiàn)了百花齊放，百家爭鳴的態(tài)勢。
　　DLF技術的基本原理[1-4]是：首先根據(jù)具體工藝要求，采用快速原型軟件將CAD模型進行切片分層處理，將三維實體零件離散為二維平面，再對二維平面信息進行數(shù)據(jù)處理并加入相應的工藝參數(shù)。在激光加工過程中，金屬粉末通過送粉裝置和噴嘴送到激光熔池中，熔化的金屬粉末在基體表面凝固后形成沉積層，激光束相對金屬基底做平面掃描運動，從而在金屬基底上按掃描路徑逐點、逐線熔覆出具有一定寬度和高度的連續(xù)金屬帶，形成一層后在垂直方向做一個相對運動，接著形成后續(xù)層，如此循環(huán)形成各層，最后構成所需的材料和整個零件。
　　由DLF技術的原理可以看出單道單層激光熔覆是DLF工藝的基礎，它的好壞直接影響熔覆成形質量的優(yōu)劣，因此對單道單層激光熔覆工藝的研究至關重要。本文研究了激光功率對單道單層激光熔覆宏觀尺寸的影響。圖1給出了單道單層激光熔覆層橫截面幾何形狀示意圖[5]。圖中A1是熔覆層，A2是稀釋區(qū)，HAZ是熱影響區(qū)。從圖中可以看出反映熔覆層橫截面尺寸特征的參數(shù)主要有：熔覆層寬度W、熔覆層高度H、基體熔化深度h和接觸角θ等。
　　

　　利用幾何原理可以推出θ與H和W的函數(shù)關系式如下：
　　(4-1)
　　因此，激光功率對截面形狀和尺寸特點的影響可以采用W、H和形狀系數(shù)η(W/H)三個形狀參數(shù)隨激光功率的變化來描述。
　　2實驗材料和方法
　　實驗所用CO2激光快速成形設備是吉林省激光研究所開發(fā)集成的（見示意圖2），主要由5kWCO2激光器，三軸聯(lián)動激光加工數(shù)控機床和同軸送粉系統(tǒng)組成。
　　

　　實驗選擇工業(yè)上應用廣泛的Q235鋼板為基體材料，其強度和塑性較好，具有良好的表面熔覆性能，所選基體材料板厚為5mm，用線切割加工成尺寸為90mm×50mm的矩形塊，實驗前用砂紙將表面氧化皮去除，用酒精擦拭干凈。選取純度分別為99.5%、99.3%和99.5%的Ni、Ti、C粉，烘干后經混料機制成Ni體積分數(shù)為90%的Ni、Ti、C混合粉末（Ti/C原子比為1）作為熔覆粉末。實驗中粉嘴和基體的距離為8mm，光斑大小D為3.5mm×3.5mm，掃描速度V為200mm/min，激光功率P分別為1300W、1600W、1900W、2200W、2500W、2800W、和3100W，載氣量Rg為200L/h，送粉率Rp為5g/min，送粉載氣及保護氣體均為Ar氣，制備的熔覆層長度為30mm。樣品經線切割后制成金相試樣，用掃描電鏡和讀數(shù)顯微鏡觀察。
　　3實驗結果和分析
　　圖3所示為不同激光功率P的單道熔覆層截面形貌。從圖中可以看出在其它工藝參數(shù)不變的條件下，P增加，熔覆層寬度W變化十分明顯。這是由于P的增加，能量輸入增加，熔池寬化，溶體在基體表面的鋪展面積增加造成的。
　　

　　圖4為不同激光功率P對形狀參數(shù)的影響規(guī)律。從圖4可以清晰看出，當P從1300W增加到1900W時，W和H都增加，η減小。當P從1900W增加到3100W時，W呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，轉折點出現(xiàn)在2800W，而H和η分別呈現(xiàn)出連續(xù)降低和連續(xù)增大的趨勢。
　

　　當P從1300W增加到1900W時，傳入基體的能量增加，基體熔化量增加，熔池變寬，所以出現(xiàn)了W變大的趨勢。熔池的寬化勢必會增加粉末有效利用率。粉末有效利用率的增加與熔池寬化對H的影響作用相反，在1300W~1900W的范圍內，粉末有效利用率使H增加的作用大于熔池寬化使H減小的作用，故出現(xiàn)H增加的現(xiàn)象。η減小，是由于W增長幅度小于H的增長幅度(見圖3(a)-(c))。這與鄧琦林等[6]研究的Ni基高溫合金零件成形結果是一致的，但由于Ni基高溫合金的熔點較高，需要的激光能量多，所以他們的實驗結果是在3000W到4000W的激光功率范圍內得到的。
　　當P在1900W~3100W范圍時，W在P低于2800W時表現(xiàn)出增加趨勢，在P超過2800W達到3100W時，出現(xiàn)減小趨勢，這是由于此時的激光能量輸入過大，使粉末燒損和飛濺現(xiàn)象變得十分嚴重，造成粉末有效利用率降低，雖然熔池在高激光能量作用下會繼續(xù)增大，但有限的熔體在表面張力和重力的作用下不足以完全鋪展到熔池的邊緣，致使與2800W時的W相比表現(xiàn)出了減小的趨勢。H表現(xiàn)為持續(xù)降低，一方面是由于高激光能量，促使粉末燒損和飛濺的增加，有效粉末利用率下降，另一方面是由于高激光能量促使熔池寬化，熔深增加。由于W總體的增長和H的持續(xù)降低(見圖3(d)-(g))，所以出現(xiàn)η的增大。
　　4結論
　�。�1）激光成形的質量與激光功率參數(shù)密切相關。在其它參數(shù)不變的條件下，隨著激光功率的增加熔覆層寬度W和高度H先增大后減小，形狀參數(shù)η先減小后增大。
　�。�2）在其它工藝參數(shù)不變的條件下，隨著激光功率的增加，能量輸入增加，溶體在基體表面的鋪展面積增加，導致熔覆層寬度W發(fā)生顯著變化。
　�。�3）粉末有效利用率的增加與熔池寬化對熔覆層高度H的影響作用相反。高激光能量，會使粉末燒損和飛濺增加，粉末有效利用率下降，熔覆層高度減小。
　　參考文獻
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　　[5] 關振中,激光加工工藝手冊,中國計量出版社,1998(第一版),279-283.
　　[6] 鄧琦林,胡德金,激光熔覆快速成型致密金屬零件的試驗研究,金屬熱處理,2003,28(2),33-38.
　　

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