金属激光直接成形最佳搭接率计算及试验验证来佑彬1,2， 张本华1， 赵吉宾2， 刘伟军2， 赵宇辉2 (1. 沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110866; 2. 中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016) 摘 要：为了提高金属激光直接成形零件的表面平整度，建立了搭接率数学模型，对最佳搭接率进行了理论求解、结果表明，最佳搭接率不受成形件特征尺寸的影响，即无论其它工艺参数如何设定，采用33.3%的搭接率均能得到理想的表面平整度. 为了对理论模型进行验证，利用单因素的试验方法进行了12组不同搭接率试验，在显微镜下测量得到不同搭接率对于成形件表面平整度的影响. 试验结果充分说明了理论模型的正确性，并发现搭接率在30%～45% 时，成形件表面平整度均较为理想，因此在实际的金属激光直接成形过程中，可以根据具体的加工情况在该范围内灵活设定搭接率. 关键词：金属激光直接成形；搭接率；表面平整度；单因素试验 0 序 言金属激光直接成形技术(laser metal direct manufacturing, LMDM)将快速成形技术和激光熔覆技术相结合,是一种无需模具和刀具，直接把CAD模型转化为复杂金属零件的先进制造技术[1]. 该技术可直接制造出具有复杂外形和良好力学性能的全密度三维实体金属零件，具有制造速度快、柔性好、生产周期短、成本低等优点，在航空航天、汽车船舶、武器装备、生物医学等领域有着广泛的应用前景[2,3]. 在金属激光直接成形过程中，激光、金属粉末及基板相互作用是一个较为复杂的物理过程，成形中的工艺参数对成形质量起决定性作用[4]. 搭接率是金属激光直接成形技术中的一个重要工艺参数，搭接率的大小将直接影响到成形表面的宏观平整程度和质量精度. 如果搭接率选择不当将导致成形表面出现凹凸不平，而且这种不平整度会随着加工过程的层层沉积而加重，严重时甚至会导致加工过程无法进行下去. 所以，合理设定搭接率对于成形质量的控制至关重要，搭接率过小或者过大都无法获得平整的表面. 在已有的研究中，主要是通过大量的试验来获取最佳搭接率[5-8]，并没有明确提出搭接率与表面平整度的关系. 文中建立了搭接率理论模型，并通过试验进行验证. 1 搭接率模型在金属激光直接成形过程中，高能激光束熔化同步送入的金属粉末，工作台沿设定好的轨迹往复运动，经过逐道逐层的扫描堆积而得到近终形零件(图1). 在逐道扫描堆积的过程中，搭接率是一个至关重要的工艺参数，搭接率的不同，将出现不同的成形结果[9](图2).  图1 金属激光直接成形示意图  图2 不同搭接率对成形质量的影响 搭接率过小会导致成形件表面凹凸不平(图2a)，这种凹凸不平容易在上下成形层之间形成孔洞等缺陷，降低成形件的致密度，甚至造成层间开裂. 搭接率过大会造成成形层的表面呈现出凸起的斜坡(图2c)，随着堆积层数的增加，其倾斜角度将逐渐增大，最终将导致成形表面的尺寸精度完全无法保证. 图2b所示情况最为理想，成形表面平整，能够连续稳定成形. 下面通过建立搭接率模型的方法对最佳搭接率进行理论计算. 为了便于分析计算，这里假定每道成形轨迹截面面积均相同且截面轮廓曲线为抛物线[5]. 所建立的搭接率模型如图3所示，图中OA代表单层成形轨迹高度，用h表示；OF代表单层成形轨迹宽度，用w表示. 抛物线OBF和EGH分别表示两条成形轨迹，分别记为f1(x)和f2(x)，由于受已成形轨迹OBF的影响，第二条实际成形轨迹变为CGH，这里同样把CG作为抛物线对待，其方程记为f3(x). λ表示层间偏移量，搭接率计算公式为  (1)  图3 搭接率模型示意图 图3中，Δh表示成形表面最高点(凸点)与最低点(凹点)的差值，这里称为表面平整度，显然最佳搭接率时，应满足表面平整度 Δh=h-yC=0 (2) 式中:yC表示的是f1(x)与f3(x)交点C的纵坐标. 根据上述分析可知  (3) f2(x)=f1(x-λ) (4) 假设抛物线GC延长后与x轴相交于(m，0)，进一步可得  (5)   (6)  (7) 根据前面的假设有 SCDG=SDEF (8) 联立上述各式可得  (9) 表面平整度  (10) 将式(1)代入式(10)得到 (11) 结合式(2)可得，最佳搭接率 η=33.3% (12) 由式(12)可以看出，最佳搭接率不受成形特征尺寸(单道宽度、高度等)的影响，即在理想情况下，无论其它工艺参数如何设定，最佳搭接率均为33.3%. 2 试验验证2.1 试验方法 试验在中国科学院沈阳自动化所金属激光直接成形系统(图4)上进行. 基板材料为45号钢，试验前先将基板打磨抛光，以便去除表面氧化皮层并增加其表面光洁度，然后用丙酮对其做进一步的清洗处理[10]. 粉末材料为Inconel 625合金球形粉末，粒度为-100～+300目，试验前在120 ℃真空环境下进行干燥处理，以除去粉末中的水分，增强粉末的流动性及传送时的均匀性. 成形过程在基板冷却系统上进行，以保证基板内的热量及时散去. 图4 金属激光直接成形系统示意图 由式(1)可知，搭接率是由层间偏移量和单条轨迹宽度决定的，因此先采用表1所示的参数进行了单道试验，测得其宽度为3.28 mm. 进而分别采用0～55%的搭接率进行了12组单层多道搭接试验，成形长度为50 mm，道数为5. 通过线切割机将试验中得到的12个样件从中间切开，利用光学显微镜测量其截面凸点和凹点高度差值即表面平整度. 2.2 试验结果与分析 通过上述单因素试验得到12个如图5所示的测试样件，将各样件从中间切开进行测量，得到表2所示的测量结果. 表1 试验中的工艺参数 激光功率P/W扫描速度v/(mm·s-1)送粉速度f/(g·min-1)光斑直径D/mm喷嘴距离L/mm载气流量q/(mL·h-1)保护气流量Q/(mL·min-1)搭接率η(%)20004203164503000～55 图5 测试样件 由表2可知，搭接率在35%时表面平整度值最小，这与前述理论计算结果非常吻合，由此说明了上述理论模型的正确性. 通过表2还可以看出，搭接率在30%～45%时，成形件表面平整度处于较低水平. 因此，在实际的金属激光直接成形过程中，可以综合考虑成形的质量和效率,根据具体的加工情况在该范围内灵活设定搭接率，而非必须严格设定为某一特定的值. 表2 表面平整度测量结果 试验号搭接率η(%)层间偏移量λ/mm高度差Δh/mm103．281．605253．1160．9473102．9520．2894152．7880．2725202．6240．2376252．460．2107302．2960．1758352．1320．1019401．9680．14510451．8040．15111501．640．20212551．4760．331 3 结 论(1) 建立了金属激光直接成形搭接率模型，并计算出最佳搭接率为33.3%. (2) 通过单因素试验的方法验证了最佳搭接率理论计算值的正确性，为金属激光直接成形工艺优化提供了实际参考. (3) 在实际的金属激光直接成形过程中，可以根据具体的加工情况在30%～45%范围内灵活设定搭接率. 参考文献： [1] 杨小虎， 张安峰， 李涤尘， 等. 激光金属直接成形工艺参数对形貌自愈合能力的影响[J]. 中国激光, 2011, 38(6): 212-218. Yang Xiaohu, Zhang Anfeng, Li Dichen, et al. Influence of process parameters on self-healing ability in laser metal direct forming[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(6): 212-218. [2] 葛江波， 张安峰， 李涤尘， 等. 激光金属直接成形DZ125L高温合金零件工艺的研究[J]. 中国激光, 2011, 38(7): 119-125. Ge Jiangbo, Zhang Anfeng, Li Dichen, et al. Process research on DZ125L superalloy parts by laser metal direct forming[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(7): 119-125. [3] 侯慧鹏， 田象军， 刘 栋， 等. 氩弧焊修复激光成形TC11钛合金组织及高周疲劳性能[J]. 焊接学报, 2016, 37(8): 9-12. Hou Huipeng, Tian Xiangjun, Liu Dong, et al. Microstructure and high-cycle fatigue properties of laser melting deposited TC11 titanium alloy repaired by tungsten argon arc welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2016, 37(8): 9-12. [4] 朱刚贤， 张安峰， 李涤尘， 等. 激光金属制造薄壁零件z轴单层行程模型[J]. 焊接学报, 2010, 31(8): 57-60. Zhu Gangxian, Zhang Anfeng, Li Dichen, et al. Model of layer thickness of thin-walled parts in laser metal direct manufacturing [J]. Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(8): 57-60. [5] Li Yanxiang, Ma Jian. Study on overlapping in the laser cladding process[J]. Surface and Coating Technology, 1996, 90(1): 1-5. [6] 张霜银， 林 鑫， 陈 静， 等. 工艺参数对激光快速成形TC4钛合金组织及成形质量的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2007, 36(10): 1839-1843. Zhang Shuangyin, Lin Xin, Chen Jing, et al. Influence of processing parameter on the microstructure and forming characterizations of Ti-6Al-4V titanium alloy after laser rapid forming processing[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2007, 36(10): 1839-1843. [7] 咸士玉， 杨爱萍， 颜 羽， 等. 扫描路径和搭接率对激光平面熔覆基板变形的影响[J]. 航天制造技术, 2011(2): 26-32. Xian Shiyu, Yang Aiping, Yan Yu, et al. Effect of scanning path and overlap rate on substrate deformation during Laser cladding[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011(2): 26-32. [8] 温 鹏， 冯振华， 王 罡， 等. 激光热丝焊表面修复成形质量分析和控制[J]. 焊接学报, 2015, 36(5): 21-24. Wen Peng, Feng Zhenhua, Wang Gang, et al. Formation quality analysis and parameters optimization of laser hot wire repair welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2015, 36(5): 21-24. [9] Aiyiti W, Zhao Wanhua, Lu Bingheng, et al. Investigation of the overlapping parameters of MPAW-based rapid prototyping[J]. Rapid Prototyping Journal, 2006, 12(3): 165-172. [10] 来佑彬， 刘伟军， 赵宇辉， 等. TA15粉末激光成形基板应力影响因素的试验研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2014, 43(7): 1605-1609. Lai Youbin, Liu Weijun, Zhao Yuhui, et al. Experimental research on influencing factors of the residual stress of substrate in Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr powder laser shaping[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(7): 1605-1609. 收稿日期：2014-11-11 基金项目：中科院重点部署项目资助课题(KGZD-EW-T04-2); 辽宁省教育厅科学技术研究重点课题(LSNZD201603) 中图分类号：TG 457.19 文献标识码：： A 文章编号：： 0253-360X(2016)12-0079-04 作者简介：来佑彬，男，1988年出生，博士，讲师. 主要从事金属激光增材制造工艺技术和残余应力控制方面的研究. 发表论文10余篇. Email: youbinlai@163.com 通讯作者：赵吉宾，男，研究员，博士研究生导师. Email: jbzhao@sia.cn |
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