1 引言

激光熔覆成形技术^[1]是以高能量激光束为热源熔化金属材料并进行逐层堆积,进而形成零件实体的制造技术。根据材料添加时性状的不同,熔覆成形技术可分为送粉式熔覆和送丝式熔覆两种^[2]。送丝式熔覆成形技术具有极高的材料利用率及环境污染小等特点,近年来受到了人们的广泛关注。送丝式熔覆根据丝材进给位置可分为光外送丝熔覆与光内送丝熔覆两种。本文采用实验室自主研发的三光束光内送丝熔覆喷头^[3]进行实验,该喷头在熔覆过程中送丝平缓,丝材受热均匀。

熔池的温度分布直接影响着熔池的对流、传质和传热过程,进而影响熔覆层的形貌与质量,因此对熔池温度场的研究至关重要。在激光熔覆成形过程中,熔池具有升温快、温度高的特点,采用实验测量的方式很难得到熔池的温度场分布。目前,国内外很多研究者都通过数值模拟对熔池的温度场进行模拟^[4-5]:孙进^[6]利用ANSYS仿真软件对侧向送丝熔覆成形进行了温度场和应力-应变场的有限元分析,并据此推测出熔覆层内部晶粒的生长方式以及熔道的热变形情况;戴德平等^[7]利用Abaqus软件对718镍基合金的单道多层熔覆过程进行了温度场和应力场的仿真,分析了激光熔覆过程的温度场分布、热循环特征以及残余应力的分布特点;Tseng等^[8]提出了一种新的激光熔覆热源模型,在综合考虑了光束波长、光束半径、透射电镜模式和聚焦条件等的条件下,预测了预置钴粉层激光熔覆过程中的温度分布和熔覆层形貌,并在与数学模型相同的条件下进行了激光熔覆实验,验证了数值计算结果的正确性。上述研究主要针对的是圆形激光光斑熔覆方式,对于三光束激光光斑熔覆温度场尚缺乏深入研究。圆形激光光斑熔覆温度场的热源大部分可视作单个的高斯热源,能量集中区域为光斑的中心,而三光束光内送丝激光熔覆温度场的热源是三个高斯热源的叠加,能量集中区域从中心变为外缘,能量分布更加均匀,同时能够改善圆形激光光斑熔覆时熔覆层边缘部分冶金结合较差的缺点。本文基于三光束光内送丝熔覆喷头建立了三光束光源的热源模型,利用ANSYS软件进行了熔池温度场的仿真,对熔覆层的形貌进行了预测与分析,优化了单道熔覆的工艺参数,为后续光内送丝熔覆成形工艺提供了实验与数据参考。

2 仿真模型的建立

三光束光内送丝熔覆喷头的光丝耦合原理如图1所示。图1(a)为光丝耦合模型,激光被一组反射镜均匀地分成三束,随后会聚于同一点,该喷头可以实现丝材与光源的同轴,丝材受热均匀。实验中采用负离焦,当光束照射到基板上时形成3个光斑,光斑位置如图1(b)所示。

图 1. 光丝耦合原理图。(a)耦合模型;(b)光斑位置

Fig. 1. Coupling principle of light and wire. (a) Coupling model; (b) light spot location

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A、B和C为3个独立的光斑,R为独立光斑的半径,即热源作用的有效半径,R₀为整体光斑的外径。热源模型可以视为三个高斯热源的叠加,高斯热源的热流密度可表示为

Q=kaPπR2exp-kr2R2,(1)

式中:Q为任一点处的热流密度;k为常系数;a为激光吸收效率;P为激光功率;r为任意一点到高斯光源中心的距离。

为了减少仿真过程的计算时间,同时保证计算结果较为精确,截取基板的尺寸为20 mm×15 mm×5 mm,网格划分尺寸为0.25 mm×0.25 mm×0.5 mm,网格尺寸由熔池到基板边缘逐渐增大^[9]。网格划分使用solid70单元,该单元具有8个节点,每个节点有一个温度自由度,适用于瞬态与非瞬态热分析。激光熔覆是一个极为复杂的过程,包含着熔化、凝固、对流和辐射等。为了简化模型,使仿真计算便于实现,现进行如下假设^[10-12]:材料均为各向同性;材料的物理属性随温度的变化而变化;不考虑热辐射的影响;忽略熔池的流动和重力的影响。

3 实验与仿真结果分析

3.1 熔覆层形貌的预测与实验验证

采用IPG YLS-2000-TR光纤激光器进行熔覆实验,额定输出功率为2000 W。熔覆材料为碳钢实芯焊丝,其熔点约为1450 ℃,丝材直径为1.2 mm,其化学成分如表1所示。熔覆基板材料为304不锈钢。

光斑的移动如图2所示,v为扫描速度,三个光斑围绕着丝材,同时同向移动。利用ANSYS软件对熔覆过程进行温度场的仿真,得到图3所示的熔池温度分布云图。由于高斯热源能量分布的特点是由中部到边缘能量逐渐降低,且熔池后部的温度由于光斑A的加热而更高,故熔池的最高温度区域为光斑B与C的中心。选取E和F点观察这两点的温度随时间的变化图,如图4(a)所示。E和F点的峰值温度分别为1750 ℃和1824 ℃,即对应光斑B与A处的最高温度。

采用德国三铯M322双色红外测温仪测试温度,温度测量范围为800~3000 ℃。测试方法为定点测试,即温度测试仪固定不动,熔覆过程中光斑移动并经过测试点。由于温度测试仪的测试点半径较大,故只能测得EF线上的最高温度。测量得到的熔池温度曲线如图4(b)所示,其中两个峰值分别为光斑A的中心点A经过F处时的峰值温度1820.1 ℃和光斑B的中心点B经过E处时的峰值温度1746.1 ℃。将仿真结果中的温度曲线与实际测量的温度曲线进行对比,发现两者基本一致,由此证明了模型构建的合理性。

图 2. 光斑移动示意图

Fig. 2. Diagram of movement of spot

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图 3. 熔池温度分布云图

Fig. 3. Cloud chart of temperature distribution of molten pool

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图 4. 仿真和采用温度仪测试得到的温度曲线。(a)仿真结果;(b)温度仪测试值

Fig. 4. Diagrams of temperature curves obtained by simulation and measurement with thermometer.(a) Simulation; (b) thermometer test

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图5为基板纵切面和横截面上的温度分布云图,光斑B、C中心的熔池温度较高且熔深较大,而光斑A处的熔池温度较低且熔深较小,图5(c)中高温区(高于丝材熔点温度1450 ℃的温度区域)呈现出W形。同工艺参数下得到的熔覆层的横断面如图6所示,与图5(c)所示温度分布云图一致。结合图3,光斑B和C处熔深最大,在熔覆过程中决定了熔覆层稀释区的形貌,因此可以利用BC线横截面温度分布云图来预测与分析熔覆层的形貌特征。

图 5. 基板纵切面及横截面上的温度分布云图。(a) DF;(b) BE;(c) BC

Fig. 5. Temperature profiles of longitudinal section and cross section of basal plate. (a) DF; (b) BE; (c) BC

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图 6. 熔覆层的横断面形貌

Fig. 6. Cross section of cladding layer

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3.2 离焦量的影响

离焦量是光斑焦点与熔覆层之间的距离,离焦量的大小决定了光斑的半径。实验采用负离焦,在其他参数不变的条件下,随着离焦量增大,熔覆层的宽度、高度和宽高比如表2所示。

由表2可知:随着离焦量的增大,熔覆层的宽度增大,高度下降,宽高比增大。随着离焦量的增大,独立光斑的半径增大,光斑之间的距离也增大,整体光斑的覆盖范围扩大,丝材熔化区域增大,所以熔覆层的宽度增大。同时,由于单位时间内进入熔池的丝材质量不变,故熔覆层高度减小,故而宽高比增大。宽高比是衡量熔覆层质量的重要参数之一,宽高比越大,熔覆层的横向扩展能力越强^[2],成形质量越好,因此采用激光熔覆时需要选择较大的离焦量。

对于三光束光斑而言,离焦量直接影响到熔覆层稀释区的形貌。当离焦量分别为-2 mm与-1 mm时,熔池的温度分布如图7所示。可见:当离焦量为-2 mm时,熔池的最高温度为1824 ℃,高温区呈W形;当离焦量为-1 mm时,熔池的最高温度为2027 ℃,高温区域呈V形。相同工艺参数下熔覆层横断面的形貌如图8所示,与温度场结果一致。该现象是由离焦量减小时,光斑之间的距离减小,高温区域逐渐靠近重叠所致。相对于V形稀释区,W形稀释区能够改善熔覆层边缘处基体不能完全达到冶金结合的情况,因此选取离焦量时应不小于1.5 mm。

图 7. 不同离焦量下的熔池温度分布云图。(a) -2 mm;(b) -1 mm

Fig. 7. Cloud charts of temperature distributions of molten pool at different defocusing amounts. (a) -2 mm; (b) -1 mm

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图 8. 不同离焦量下制得的熔覆层的横断面形貌。(a) -2 mm;(b) -1 mm

Fig. 8. Cross sections of cladding layer obtained at different defocusing amounts. (a) -2 mm; (b) -1 mm

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3.3 激光功率的影响

激光功率决定了光源能量输入的大小。在其他参数不变的条件下,随着激光功率逐渐增大,熔覆层的宽度、高度和宽高比如表3所示。

随着激光功率增大,熔覆层的宽度增大,高度下降,宽高比增大。这是由于激光功率增大时,光斑的能量密度增大,熔覆层的熔宽与熔深增大,进而熔覆层的宽度和稀释率增大,但光斑尺寸未发生改变,故熔覆层的宽度变化幅度较小。稀释率是衡量熔覆层质量的另一个重要参数,在保证冶金结合的情况下,稀释率越小越好^[13]。激光功率分别为1400 W与1700 W时熔池的温度分布云图和熔覆层的横断面形貌如图9与图10所示。随着激光功率增大,熔池的最高温度由1738 ℃升高到1982 ℃,高温区域范围扩大,熔覆层中部的熔深增大,稀释区由明显的W形逐渐向V形转变,熔覆层稀释率增大。同时在实验过程中发现,当激光功率过小时,丝材与基板得到的能量少,熔池温度低,丝材不能及时熔化,熔覆层表面出现波纹状。可见,为了得到宽高比大、稀释率小且形貌良好的熔道,需要合理地选择激光功率。

图 9. 不同激光功率下的熔池温度分布云图。(a) 1400 W;(b) 1700 W

Fig. 9. Cloud charts of temperature distributions of molten pool at different laser powers. (a) 1400 W; (b) 1700 W

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图 10. 不同激光功率下得到的熔覆层的横断面形貌。(a) 1400 W;(b) 1700 W

Fig. 10. Cross sections of cladding layer obtained at different laser powers. (a) 1400 W; (b) 1700 W

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3.4 扫描速度的影响

扫描速度反映了单位时间内光斑移动的距离。在其他参数不变的情况下,随着扫描速度增大,熔覆层的宽度、高度和宽高比如表4所示。

随着扫描速度增大,熔覆层的宽度减小,高度下降,宽高比增大。扫描速度直接影响单位时间内进入熔池的丝材质量,同时影响单位时间内丝材与基板对激光能量的吸收。随着扫描速度增大,单位时间内进入熔池的丝材质量减少,熔覆层高度显著下降。同时,熔覆层同一位置的熔池接受能量的时间缩短,接受的能量减少,熔覆层熔深与熔宽均减小,进而使得熔覆层的宽度减小。扫描速度分别为3 mm/s与7 mm/s时熔池的温度分布云图和熔覆层的横断面形貌如图11和图12所示,可见:当扫描速度改变时,熔池高温区域的横向分布变化较小,从而熔覆层宽度的变化较小。同时在实验中发现,扫描速度过大时,熔池在单位时间内吸收的能量少,熔池温度低,不能及时熔化丝材,无法形成完整的熔道,故不宜选择过大的扫描速度。

图 11. 不同扫描速度下的熔池温度分布云图。(a) 3 mm/s;(b) 7 mm/s

Fig. 11. Cloud charts of temperature distributions of molten pool at different scanning speeds. (a) 3 mm/s; (b) 7 mm/s

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图 12. 不同扫描速度下得到的熔覆层的横断面形貌。(a) 3 mm/s;(b) 7 mm/s

Fig. 12. Cross sections of cladding layer obtained at different scanning speeds. (a) 3 mm/s; (b) 7 mm/s

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3.5 扫描方向的影响

光外侧向送丝熔覆时丝材为单边受热,三光束光内同轴送丝熔覆过程中光斑围绕着丝材,丝材受热较为均匀。由于三个光斑呈正三角形分布,故在0°~60°范围进行扫描方向实验。选取离焦量为-2 mm,每隔15°进行一次激光熔覆,温度场云图及对应的熔覆层的横断面形貌如图13和图14所示。在0°与60°时,熔池最高温度区域沿扫描方向对称分布,稀释区呈W形,其余位置的熔池为近V形,且熔深最大处偏向熔覆层一侧。因此在熔覆过程中应尽量选择0°与60°的方向进行熔覆,以便得到质量较高的熔覆层。

图 13. 不同扫描方向下的温度场云图。(a) 0°;(b) 15°;(c) 30°;(d) 45°;(e) 60°

Fig. 13. Cloud charts of temperature field at different scanning directions. (a) 0°; (b) 15°; (c) 30°; (d) 45°; (e) 60°

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图 14. 不同扫描方向下得到的熔覆层的横断面形貌。(a) 0°;(b) 15°;(c) 30°;(d) 45°;(e) 60°

Fig. 14. Cross sections of cladding layer obtained at different scanning directions. (a) 0°; (b) 15°; (c) 30°; (d) 45°; (e) 60°

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3.6 优化实验与组织分析

通过仿真与实验分析得到了能够较好地进行熔覆的工艺参数范围:离焦量为-1.5~-2.5 mm,激光功率为1400~1800 W,扫描速度为3~7 mm/s。选取离焦量为-2 mm、激光功率为1500 W、扫描速度为5 mm/s进行单道熔覆实验,得到的熔覆单道、截面及组织如图15所示。熔覆层表面平整光滑,无明显缺陷,宽高比为3.72,稀释率为33.6%。如图14(c)所示,熔覆层中部区域主要为马氏体组织,这是由于激光熔覆是一种快冷快热的加工工艺,熔覆层在熔覆过程中快速冷却生成了马氏体。提取图15(b)所示5个位置处的仿真温度值,并在这几个位置处进行硬度测试,得到的结果如图16和图17所示。一般来说,金属的晶粒越细小,其硬度就越高。如图16所示,熔覆层中部温度较低而边缘温度较高,且熔覆层边缘散热条件较好而中部散热较差,故熔覆层整体温度梯度趋于平缓,熔覆层内部晶粒尺寸比较接近,硬度分布较为均匀,平均值为411 HV。

图 15. 单道熔覆层及横截面形貌。(a)单道;(b)截面;(c)组织

Fig. 15. Single cladding layer and cross section. (a) Cladding layer; (b) cross section; (c) texture

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图 16. 熔覆层的仿真温度

Fig. 16. Simulation temperature of cladding layer

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图 17. 熔覆层的显微硬度

Fig. 17. Microhardness of cladding layer

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4 结论

基于三光束光内送丝熔覆喷头,采用ANSYS软件分析了熔池的温度场,并对熔覆层的形貌进行了预测和验证,得出如下结论:建立的三光束热源模型能够较为合理地反映熔池的温度场;离焦量的减小会使熔覆层稀释区形状由W形向V形转变;扫描方向对稀释区的对称性有一定的影响,应尽量选取0°与60°方向进行熔覆;在优化的工艺参数下能得到平整光滑、质量较高的单道熔覆层。

通过仿真与实验分析对单道熔覆工艺参数进行了优化,但并未对多道多层熔覆成形工艺进行研究。下一步计划进行多道多层熔覆成形实验,进一步分析样件的组织、性能与工艺参数的关系。