激光内送粉变姿态增材制造薄壁墙的试验研究

为了探索在非水平基面上激光增材制造薄壁件的成形规律，拓展激光增材修复技术的广泛应用。基于激光内送粉技术，分别在0°~150°的倾斜基板上进行薄壁件的成形试验，研究了不同倾斜角度下薄壁墙的成形规律，并分析了非水平基面下熔池的受力规律。试验结果表明：随基板倾斜角度的增大，薄壁墙的总体宽度及高度增大，熔池长度变短；随着基板倾斜角度的增大，成形件尾部塌陷越来越严重，在基板角度150°时，产生最大角度为21°的斜坡。该研究结果可以为非水平基面上激光增材制造及修复提供参考价值。

Abstract

To investigate the forming rules of laser additive manufacturing thin-walled parts on a nonhorizontal substrate and expand the extensive use of laser additive repair technology, the forming experiments of thin-walled parts were conducted on an inclined substrate from 0° to 150°, based on the inside-beam powder feeding technology. The forming rules of thin walls under different inclination angles were examined, and the forces of a molten pool under the nonhorizontal substrate were investigated. The experimental findings demonstrate that the total width and height of thin walls increase, and the length of the molten pool decreases with the increase of substrate inclination angle. The forming part’s tail collapse becomes severe with the increasing substrate inclination angle. A slope with a 21° maximum angle is obtained when the substrate angle is 150°. The study findings offer reference value for laser additive manufacturing and repair on the nonhorizontal substrate.

1　引言

激光增材修复是增材制造的一个典型应用，基于激光熔覆等材料激光沉积技术原理，实现零部件损伤部位尺寸修复和零部件性能恢复甚至提升^［1］。与其他常规修复技术相比，修复层与基体是冶金结合，具有冷却速度快、热影响区小、晶粒细化、层内组织均匀等优点，可以使修复后的零部件恢复性能甚至是优于基体的力学性能^［2］。现有激光增材修复技术大多基于水平基面加工，即熔覆头/喷粉头始终保持垂直位置在水平基面上进行加工，而对于不便搬运及不便摆平的大型火电站、核电站、轮船、石化，以及航空航天行业的装备、结构件、零部件的表面等就很难进行修复加工^［3］。为了进一步拓宽激光增材制造技术的应用范围，在非水平基面上进行增材制造，学者们也进行了积极的探索。1998年，Milewski等^［4］构建了一套五轴联动的直接光制造系统，采用螺旋轨迹扫描成形出全致密半球薄壁件。刘立峰等^［5］研发了一套基于机器人的柔性激光熔覆再制造系统，通过机器人对熔覆喷头小角度偏摆的控制，实现了在复杂形状曲面的三维激光修复。Dwivedi等^［6］搭建了一套激光直接金属沉积系统，熔覆喷头在堆积过程中呈一定角度偏摆并始终垂直于成形表面，通过对轨迹路径及工艺的优化，成形了最大倾斜角度达45°枝状悬垂结构件。李宽等^［7］基于光内送粉技术，实现了大倾角、大扭曲结构的三元叶片成形，有效缓解了大倾角所产生的台阶效应。余超等^［8］提出了在激光束与基板垂直方向之间预设夹角的方法，实现了无支撑大倾斜角薄壁结构的成形。以上研究虽然可以实现不同倾斜角度下熔覆成形，但是在非水平面下不同倾斜角对增材制造薄壁件的成形规律尚缺乏系统研究。

本文采用课题组研发的光内同轴送粉激光熔覆头^［9］，在非水平基板上分别进行了0°~150°的薄壁墙的增材制造试验，研究了非水平基板倾斜角下薄壁件的成形规律，结合非水平面下熔池的受力分析对试验结果进行了解释，该研究结果为非水平基面上激光增材制造及修复提供了参考价值。

2　试验材料与方法

试验用粉末为铁基316L不锈钢，粒度为140~325目，其材料成分（质量分数，%）如下：C（0.02%），Cr（16.9%），Ni（10.3%），Mn（1.77%），Mo（2.11%），Si（0.5%），P（0.04%），S（0.01%），Nb（0.03%），Cu（0.39%），Fe（余量）。基材为316L不锈钢，其化学成分（质量分数，%）如下：Ni（10.17%），Cr（16.75%），Mo（2.05%），C（0.024%），Si（0.51%），Mn（1.53%），P（0.024%），S（0.003%），Fe（余量），几何尺寸为100 mm×100 mm×8 mm。试验装置由功率2 kW光纤激光器、6轴机器人、可倾斜工作台、光内同轴送粉喷嘴和GTV送粉器组成。送粉载气和保护气都是氮气。整个增材制造试验系统装置如图1（a）所示。

图 1. 试验装置。（a）增材制造系统；（b）CCD摄像机安装位置

Fig. 1. Experimental device. (a) Additive manufacturing system; (b) location of CCD camera

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表 1. 激光增材制造试验工艺参数

Table 1. Process parameters of laser additive manufacturing experiment

Laser power /W	Powder mass flow rate /（g·min^-1）	Laser defocusing distance /mm	Scanning speed /（mm·s^-1）	Carrier gas flow rate /（L·min^-1）	Shielding gas pressure /MPa
1600	12	-5	4	3	0.2

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试验前，将粉末烘干，以确保粉末的流动性。将基板先用砂纸打磨，再用乙醇丙酮清洗。试验过程中，将基板固定在可倾斜工作台上，通过调整工作台角度来改变基板的倾斜角度，再调整机器人角度以保证同轴送粉喷嘴始终垂直于基板，调整后的角度如图2所示。同时使用高速CCD摄像机实时监测熔池大小，CCD摄像机安装位置如图1（b）所示。试验完成后，用线切割将成形试样沿着垂直于扫描方向切出一个5 mm宽的长条，经过镶样、打磨、抛光、腐蚀处理后，在MX6R金相显微镜下观察成形件宽度。采用的试验工艺参数如表1所示。

图 2. 基板倾斜角度示意图。（a）θ=30°；（b）θ=60°；（c）θ=90°；（d）θ=120°；（e）θ=150°

Fig. 2. Schematic of substrate tilt angle. (a) θ=30°; (b) θ=60°; (c) θ=90°; (d) θ=120°; (e) θ=150°

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3　试验结果与分析

3.1　试验结果

采用表1中的工艺参数，选取6个典型倾斜角度进行薄壁墙增材制造。倾斜角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°，扫描方式为单向扫描，单层提升量设为0.8 mm，扫描长度为50 mm，共50层，成形试件如图3所示。首先，测量不同薄壁件的尾部塌陷倾斜角度，通过图像处理获得结果，如图4所示；其次，通过游标卡尺测量薄壁件的成形总高度；然后，在金相显微镜下测量薄壁墙的最大成形宽度w及通过CCD测量薄壁墙顶端尾部的熔池长度l；最后，通过图像处理将CCD采集出的熔池面积及熔池中阴影部分面积进行计算，获得熔池中阴影部分面积S₁与整个熔池面积S₂比值。

图 3. 不同倾斜角下的成形薄壁件。（a）θ=0°；（b）θ=30°；（c）θ=60°；（d）θ=90°；（e）θ=120°；（f）θ=150°

Fig. 3. Thin-walled parts with different inclination angles. (a) θ=0°; (b) θ=30°; (c) θ=60°; (d) θ=90°; (e) θ=120°; (f) θ=150°

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图 4. 不同倾斜角下的成形薄壁件尾部塌陷角度

Fig. 4. Tail collapse angles of formed thin-walled parts under different inclination angles

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从图3和图4可以看出，随着基板倾斜角度的增大，成形件尾部塌陷越来越严重，在基板倾斜角度为150°时，形成最大角度为21°的斜坡。如图5（b）和图6所示，随着基板倾斜角度的增大，成形件的宽度w总体呈现逐渐增大的趋势。CCD图像显示，熔池沿扫描方向的长度l越来越小，产生原因由下面的熔池受力分析加以解释。

图 5. 不同基板倾斜角时薄壁墙成形尺寸。（a）成形件总高度；（b）成形件宽度及熔池长度

Fig. 5. Forming dimensions of thin wall with different substrate inclination angles. (a) Overall height of forming part; (b) width of forming part and length of molten pool

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图 6. 不同基板倾斜角时成形件宽度及熔池长度的对比图。（a）θ =0°；（b）θ =30°；（c）θ =60°；（d）θ =90°；（e）θ =120°；（f）θ =150°

Fig. 6. Comparison of width and molten pool length with different substrate inclination angles. (a) θ =0°;(b) θ =30°; (c) θ =60°; (d) θ =90°; (e) θ =120°; (f) θ =150°

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如图7所示，随基板倾斜角度增大，熔池中阴影部分的面积占比越来越大，且阴影往熔池顶部延伸，延伸部分的阴影是由于重力作用而聚集在熔池顶部的未能熔透的金属粉末，该现象在每层的末端影响尤为明显，由于末端进入熔池的金属粉末未能完全熔化，即不能形成完整的熔池，且反弹大量金属粉末，粉末利用率明显降低，故每一层的末端都比前一层缺失一些，经过逐层累积，造成了成形件尾部塌陷的现象，并且随着基板倾斜角度的增大而越来越严重。

图 7. 不同基板倾斜角时熔池中阴影面积与熔池面积的比值。（a）熔池区域及阴影区域示意图；（b）熔池阴影面积比例

Fig. 7. Proportion of shadow area in the molten pool to the molten pool area with different substrate inclination angles. (a) Diagram of molten pool area and shadow area; (b) proportion of shadow area in molten pool

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同时，如图5（a）所示，随着基板倾斜角度的增大，成形件高度也越来越高，与理想值40 mm偏离越来越大，这是由于随着基板倾斜角度的增大，熔池受重力拉伸作用的影响越来越大，导致单层生长高度稍有增大，经过50层的累积，总体高度明显增大，并且熔池自身的重力作用使其有向下滴落的趋势，造成熔池长度随基板角度的增大而越来越短，末端熔池的粉末利用率进一步降低，导致成形件塌陷程度越来越严重。

3.2　熔池受力分析

从机理上对试验现象进行解释，并对不同倾斜角度的熔池受力进行分析。由文献［10-11］及结合内送粉特征可知，变姿态激光增材制造时，液态熔池主要受熔池重力 $G$ 、基板的支持力 $F_{n}$ 、表面张力 $γ$ 、粘附力 $F_{μ}$ 和保护气压力 $F_{g}$ 的共同作用，受力示意图如图8所示。

图 8. 熔池受力分析图

Fig. 8. Force analysis diagram of molten pool

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熔融金属在倾斜基面产生的流淌行为主要受到表面张力 $γ$ 和粘附力 $F_{μ}$ 的共同约束。不同基板倾斜角度下熔池沿X方向的受力可分解为

G s i n θ = F_{μ} + γ_{x}

，（1）

式中：γ_x为表面张力沿X方向的分力。

随着基板倾斜角度的增大，式（1）中，重力 $G s i n θ$ 沿X方向上的分力先增大后减小，故熔池的流淌趋势也是先增大后减小，如图9所示，因为不同倾角下单道的宽度不同，为了方便对比顶点偏移量，将拟合曲线沿着单道底部的中点对齐排列。可以发现，随着基板倾斜角度的增大，单道熔覆层的顶点偏移量Δx（熔覆层横截面轮廓顶点与中心线的距离）先增大后减小，试验结果与受力分析结果一致。 $F_{μ}$ 是由于熔池有向下流淌的趋势而产生的约束熔池流淌趋势的粘附力，其方向与熔池流淌方向相反，熔池流淌越严重，粘附力 $F_{μ}$ 越大。

图 9. 不同倾斜角度下单道横截面轮廓曲线

Fig. 9. Single cross-sectional contour curves under different inclination angles

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表面张力的作用使得液态熔池液面内外产生压力差，这种弯曲液面的附加压力可由拉普拉斯方程^［12］进行描述，如图10所示。附加压力指向液面的曲率中心，导致液面内侧的压力 $P_{i n}$ 高于液面外侧的压力 $P_{o u t}$ ，定义 $Δ P = P_{i n} - P_{o u t}$ ， $Δ P$ 始终大于0。

图 10. 弯曲液面的附加压力

Fig. 10. Additional pressure on curved surface

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附加压力与曲率半径的关系如图11所示。

图 11. 附加压力与曲率半径的关系

Fig. 11. Relationship between additional pressure and radius of curvature

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设截面周界线上表面张力的合力为 $F$ ，则合力 $F$ 和附加压力 $Δ P$ 可由下式求得，

F = 2 π r_{1} γ c o s α = \frac{2 π γ r_{1}^{2}}{r}

，（2）

Δ P = \frac{F}{π r_{1}^{2}} = \frac{2 γ}{r}

，（3）

式中： $r_{1}$ 为截面半径O₁B； $r$ 为液面的曲率半径。

由式（3）可知，附加压力只随着熔池液面曲率半径 $r$ 的增大而减小，如图12所示。当基板倾斜时，由于重力的影响熔池有向下流淌的趋势，熔池A处的曲率半径大于B处的曲率半径，故 $Δ P_{2}$ > $Δ P_{1}$ ，经过熔池各点处附加压力的叠加，可知熔池总的附加压力 $Δ P_{a l l}$ 偏向X正方向，附加压力 $Δ P_{a l l}$ 沿X正方向的分力可以阻碍熔池流淌。当基板倾斜角度为0°~90°时，随着基板角度的增大，附加压力 $Δ P_{a l l}$ 沿X正方向的分力增大；当基板倾斜角度为90°~180°时，随着基板角度的增大，附加压力 $Δ P_{a l l}$ 沿X正方向的分力减小。因此，当基板倾斜角度为0°~90°时，粘附力 $F_{μ}$ 和表面张力 $γ$ 共同抵制熔池流淌，与重力沿X方向的分力形成一组相互作用力作用于熔池，随着基板角度的增大，成形件宽度越来越大，而熔池沿扫描方向的长度则越来越短。当基板倾斜角度为90°~150°时，熔池“倒吸”在上一层熔道上，随着基板角度的增大，熔池自身重力沿垂直于基板方向的径向分力影响越来越明显，从而进一步减小了熔池沿扫描方向的长度，产生了如图5和图6所示的结果。

图 12. 熔池表面张力的附加压力示意图

Fig. 12. Schematic of additional pressure on surface tension of molten pool

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4　结论

本文基于激光内送粉技术，通过在0°~150°的非水平倾斜基板上进行薄壁墙激光增材制造试验，获得如下结论：随基板倾斜角度的增大，薄壁墙的总体宽度及高度增大，沿扫描方向的熔池长度变短；随着基板倾斜角度的增大，成形件尾部塌陷越来越严重，在基板倾斜角度150°时，产生最大角度为21°的斜坡。该研究结果可以为非水平基面上激光增材制造及修复提供参考价值。

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