摘要：研究了在其它工藝參數(shù)不變的條件下，掃描速度對(duì)CO2激光熔覆成形宏觀形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著掃描速度的增加熔覆層高度和寬度均減小，形狀系數(shù)總體呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　關(guān)鍵詞：CO2激光；掃描速度；激光熔覆成形；宏觀形貌
　　1引言
　　隨著CO2激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)而產(chǎn)生的CO2激光熔覆成形技術(shù)因其制造柔性高和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界和制造業(yè)的廣泛關(guān)注[1-4]。CO2激光熔覆成形技術(shù)也稱作激光直接制造法(Directlaserfabrication,DLF)，與傳統(tǒng)的切削加工工藝相反，其不是通過去除材料，而是通過添加材料的工藝方式生成所需的材料和零件，如圖1所示。
　　
　　圖1DLF技術(shù)與傳統(tǒng)工藝制造思想的比較
　　(a)傳統(tǒng)方法采取去除成形(b)DLF技術(shù)采用離散/疊加法成形
　　
　　通過對(duì)DLF技術(shù)增材制造思想的分析，不難看出單道單層激光熔覆工藝是DLF技術(shù)的基礎(chǔ)，單道單層激光熔覆工藝的好壞直接影響熔覆成形的質(zhì)量，因此對(duì)單道單層激光熔覆工藝進(jìn)行研究十分必要。本文研究了掃描速度對(duì)單道單層激光熔覆宏觀形貌的影響。圖2給出了單道單層激光熔覆層橫截面幾何形貌示意圖[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。
　　
　　圖2單道激光熔覆層幾何形狀示意圖[5]
　　利用幾何原理可以推出θ與H和W的函數(shù)關(guān)系式如下：
　　(4-1)
　　因此，掃描速度對(duì)截面形狀和尺寸特點(diǎn)的影響可以采用W、H和形狀系數(shù)η(W/H)三個(gè)形狀參數(shù)隨掃描速度的變化來描述。
　　2實(shí)驗(yàn)材料和方法
　　實(shí)驗(yàn)所用CO2激光熔覆成形系統(tǒng)是由吉林省激光研究所自行開發(fā)集成的先進(jìn)制造系統(tǒng)，它主要由5kWCO2激光器，三軸聯(lián)動(dòng)激光加工數(shù)控機(jī)床和同軸送粉系統(tǒng)組成。
　　實(shí)驗(yàn)選擇工業(yè)上應(yīng)用廣泛的Q235鋼板為基體材料，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(shí)驗(yàn)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(jīng)混料機(jī)制成Ni體積分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)中粉嘴和基體的距離為8mm，光斑大小D為3.5mm×3.5mm，激光功率P為2200W，掃描速度V分別為200mm/min、250mm/min、300mm/min、350mm/min、400mm/min、450mm/min和500mm/min，載氣量Rg為200L/h，送粉率Rp為5g/min，送粉載氣及保護(hù)氣體均為Ar氣，制備的熔覆層長(zhǎng)度為30mm。樣品經(jīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
　　圖3所示為不同掃描速度V的單道熔覆層截面形貌。從圖中可以看出其它工藝參數(shù)不變的條件下，V增加，H變化十分明顯。這是由于V的增加，粉末有效利用率降低和單位時(shí)間內(nèi)輸入基體激光能量降低造成的。鄧琦林等[6]和王華明等[7]分別在Ni基高溫合金的成形和TiAl合金激光熔覆中發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。劉喜明和關(guān)振中[8]用有效送粉率和實(shí)際送粉率的概念解釋了這一現(xiàn)象。

　　圖3(a)-(g)不同掃描速度V的單道熔覆層截面形貌
　　(P=2200W，D=3.5mm×3.5mm，Rg=200L/h和Rp=5g/min)
　　(a)200mm/min(b)250mm/min(c)300mm/min(d)350mm/min(e)400mm/min
　　(f)450mm/min(g)500mm/min
　　
　　圖4為不同掃描速度V對(duì)形狀參數(shù)的影響規(guī)律。從圖中可以看出當(dāng)V增加時(shí)H和W均減小，η總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但當(dāng)V大于350mm/min時(shí)η出現(xiàn)不規(guī)律變化。在其它參數(shù)不變的條件下，H和W隨掃描速度V的增加均減小，這種現(xiàn)象可以解釋為：一方面，當(dāng)掃描速度的逐漸增加時(shí)，使得熔覆過程中對(duì)基體和粉末的加熱時(shí)間縮短，即單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量減少了，這就造成有效光斑的減小，熔池變窄，粉末利用率減小；另一方面，當(dāng)掃描速度增加時(shí)，雖然送粉率沒有改變，但單位長(zhǎng)度的基體表面沉積的粉末量卻減少了(即有效送粉率減少了)。在這兩方面因素的綜合作用下，使得熔覆層的W和H出現(xiàn)了均減小的狀態(tài)。形狀系數(shù)η總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，揭示了在其它參數(shù)不變的條件下，隨著掃描速度的增加，熔覆層高度減小的趨勢(shì)大于熔覆層寬度減小的趨勢(shì)，從圖3中也可以明顯的看出熔覆層的高度變化比熔覆層寬度的變化更為明顯。
　　
　　圖4掃描速度V對(duì)形狀參數(shù)的影響規(guī)律
　　(P=2200W，D=3.5mm×3.5mm，Rg=200L/h和Rp=5g/min
　　4結(jié)論
　　（1）在其它參數(shù)不變的條件下，隨著掃描速度的增加熔覆層寬度W和高度H均呈逐漸減小趨勢(shì)，形狀系數(shù)η總體呈現(xiàn)為增長(zhǎng)。
　　（2）形狀系數(shù)η總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，揭示了在其它參數(shù)不變的條件下，隨著掃描速度的增加，熔覆層高度減小的趨勢(shì)大于熔覆層寬度減小的趨勢(shì)。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 關(guān)振中,激光加工工藝手冊(cè),中國(guó)計(jì)量出版社,1998(第一版),279-283.
　　[2] 鄧琦林,胡德金,激光熔覆快速成型致密金屬零件的試驗(yàn)研究,金屬熱處理,2003,28(2),33-38.
　　[3] 劉秀波,王華明,工藝參數(shù)對(duì)TiAl合金激光熔覆復(fù)合涂層的影響,激光技術(shù),2006,30(1),67-69.
　　[4] 劉喜明,關(guān)振中,送粉式激光熔覆獲得最佳熔覆層的必要條件極其影響因素,中國(guó)激光,1995,(26)5,470-476.