扫描路径对薄壁件激光熔覆涂层形变的影响

第４４卷　第４期２０２０年７月
激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ，２０２０
文章编号：１００１ ３８０６（２０２０）０４ ０４４７ ０４
扫描路径对薄壁件激光熔覆涂层形变的影响
梁志刚１，战金明１，师文庆１
，谢玉萍１，黄　江１，安芬菊２
（１．广东海洋大学电子与信息工程学院，湛江５２４０８８；２．广东海洋大学机械与动力工程学院，湛江５２４０８８）摘要：为了改善收割机割刀等薄壁件在激光熔覆提升性能时容易产生形变的状况，采用Ｎｄ∶ＹＡＧ激光加工系统在Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式、轮廓偏置式和光栅式的３种不同的扫描路径下分别制备不同的铁基合金熔覆涂层，并取得了基材形变量和熔池深度等相关数据。

结果表明，轮廓偏置式扫描路径在中心处的熔池深度最大，为０．７５ｍｍ，且试样形变量达到了０．３０ｍｍ；激光熔覆过程中熔池与其附近区域的温度梯度和基材形变量有着正相关的关系，熔池深度越大，温度越高，不同区域之间的温度梯度越大，产生的热应力越大，进而形变的倾向也会越大；光栅式扫描路径熔池深度随时间递增，温度梯度较小，故对基材的形变倾向较弱，且所制备的熔覆涂层质量较好，是适合于薄壁件激光熔覆的扫描路径。

此研究对薄壁件激光熔覆具有指导意义。

关键词：激光技术；激光熔覆；扫描路径；薄壁件；形变
中图分类号：ＴＧ１５６．９９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２０ ０４ ００９
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄｐａｒｔ
ＬＩＡＮＧＺｈｉｇａｎｇ１，ＺＨＡＮＪｉｎｍｉｎｇ１，ＳＨＩＷｅｎｑｉｎｇ１，ＸＩＥＹｕｐｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＪｉａｎｇ１，ＡＮＦｅｎｊｕ
２
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ５２４０８８，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ５２４０８８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄｐａｒｔｓｕｃｈａｓｈａｒｖｅｓｔｅｒｃｕｔｔｅｒａｒｅｐｒｏｎｅｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｆｏｒｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔＦｅ ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙＮｄ∶ＹＡＧｌａｓｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｓｏｆＨｉｌｂｅｒｔｆｒａｃｔａｌ，ｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｓｅｔ，ａｎｄｇｒａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｄａｔａｏｆｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅａｎｄｔｈｅｂａｔｈｄｅｐｔｈｗｅｒｅｔｈｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂａｔｈｄｅｐｔｈａｔｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｓｅｔｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｉｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔ，ｗｈｉｃｈｉｓ０．７５ｍｍ，ａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｒｅａｃｈｅｓ０．３０ｍｍ；ｔｈｅｒｅｉｓａｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｇｒａｄｉｅｎｔｏｆｔｈｅｂａｔｈａｎｄｉｔｓｖｉｃｉｎｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎｔｈｅｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ，ｔｈｅｆａｓｔｅｒｔｈｅｃｈａｎｇｅｉｓ，ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓ．Ｔｈｅｂａｔｈｄｅｐｔｈｉｎｇｒａｔｉｎｇｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｇｒａｄｉｅｎｔｉｓｓｍａｌｌ，ｓｏｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｓｗｅａｋ，ａｎｄｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｅａｔｕｒｅｉｓｔｈｅｂｅｓｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｏｆｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄｐａｒｔ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｈａｓｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｏｎｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄｐａｒｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ；ｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈ；ｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄｐａｒｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
基金项目：广东海洋大学创新强校工程资助项目（
ＧＤＯＵ２０１７０５２５０４）；广东省普通高校特色创新资助项目（Ｑ１８２６７）；广东海洋大学优秀青年骨干教师培养计划资助项目（
ＨＤＹＱ２０１７００５）；湛江市科技计划资助项目（２０１９Ａ０１０３５）作者简介：梁志刚（１９８７ ），男，硕士研究生，现主要从事激光加工等方面的研究。

通讯联系人。

Ｅ
ｍａｉｌ：ｓｗｑａｆｊ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１９ ０７ ２９；收到修改稿日期：２０１９ ０８ １５
引　言
随着中国传统农业逐步向机械化和自动化的方向
发展，联合收割机以其优秀的性能在全国范围的应用越来越多。

其中割刀是保障收割机性能的关键部件，也是故障频发、极易磨损的部件，其质量对于联合收割机的产品质量有着极大的影响。

激光熔覆是一种新兴的表面改性技术，它可以在割刀表面制备所需要的高性能合金熔覆涂层，从而提高割刀的性能和使用寿命，
如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性等［１］。

但割刀是属
于薄壁钢材器具，其屈服强度极限较低［２］。

在应用激光熔覆技术提升其所需性能时，割刀薄壁处极容易产
生形变，影响割刀的使用性能。

激光熔覆是由多种变量相互作用的过程，例如激
激 光 技 术２０２０年７月
光功率、扫描速率、光斑大小等。

这些变量称为激光工
艺参量，是基材产生形变的主要因素［
３ ４］。

通过优化激光工艺参量，可以有效地控制激光的热能量输入和基
体的形变［５ ７］。

在此基础上，选择不同的扫描路径同样
也会对熔覆效率、熔覆的精度、表面质量和基材变形产生巨大影响
［８］。

ＬＩＵ等人
［９］
通过建立激光熔覆温度
场／应力场有限元分析模型，对比分析不同扫描路径对基材温度场、应变场和形变的影响。

ＨＡＮ等人
［１０］
利
用ＳＹＳＷＥＬＤ软件模拟３０４不锈钢在不同扫描路径下的温度场和应力 应变场的变化情况，以优化激光熔覆工艺参量。

目前，扫描路径对基材形变的研究，多在数
值模拟上进行分析，而实验分析则研究较少［
１１ １４］。

本文中拟在模拟分析的基础上，通过设计实验去研究和验证不同扫描路径对薄壁件激光熔覆铁基合金涂层形
变的实际影响。

１　实　验
１．１　实验材料
根据割刀的工作特点，割刀在高速旋转工作的条件下会受到多次小能量的冲击。

为保证其使用寿命，一般选用碳素工具钢和弹簧钢制作。

故本次实验基体材料为Ｔ９Ａ高级碳素工具钢，试样尺寸为１００ｍｍ×
５０ｍｍ×２ｍｍ，熔覆前试样表面用１００＃
砂纸磨光，并用
酒精清洗干净。

为提升铁基熔覆涂层的性能，本实验中选用的熔覆粉末为铁基粉末和单晶硅粉按４０∶１比例混合而成的复合粉末。

铁基粉末选用牌号为Ｆｅ６０的铁基Ｆｅ Ｃｒ Ｂ Ｓｉ自溶性合金粉末（成分见表１）。

Ｔａｂｌｅ１　Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）ｏｆＦｅ６０
ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＣＢＳｉＣｒＮｉＷＦｅＦｅ６０
０．０４０～０．０４５
０．０１５～０．０２５
０．０２０～０．０３０
０．２４０～０．３００
０．０４０～０．０６０
０．０２０～０．０３０
ｂａｌａｎｃｅ
１．２　实验方法
采用ＸＬ ８００ＷＦ光纤传输ＹＡＧ激光加工系统以不同的扫描路径进行预置粉末式多道激光熔覆实验，具体工艺参量如表２所示。

设定扫描行距为１．５ｍｍ，
熔覆涂层面积大小均为２
２．５ｍｍ×２２．５ｍｍ。

观察铁基合金熔覆涂层的宏观形貌和形变程度，并测量熔池深度。

本文中选择的３种扫描路径如图１所示，分别为Ｈ
ｉｌｂｅｒｔ分形式、轮廓偏置式和光栅式。

Ｔａｂｌｅ２　Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｐｏｗｅｒ／Ｗｓｐｏｔｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ
ｓｃａｎｎｉｎｇｓｐｅｅｄ／（ｍｍ·ｍｉｎ－１）
ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇｒａｔｅ／％
ｐｏｗｄｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓ／ｍｍ
ｖａｌｕｅｓ
７５２
０．８
３００
２５
１．
０
Ｆｉｇ １　Ｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｄｉａｇｒａｍｓ
ａ—Ｈｉｌｂｅｒｔｆｒａｃｔａｌ　ｂ—ｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｓｅｔ　ｃ—ｇｒａｔｉｎｇ
２　实验结果与分析
２．１　熔覆涂层表面宏观形貌
实验结束后，成功在基材上分别制备了３种熔覆涂层，如图２所示。

由图可见，Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式扫描制备的熔覆涂层质量较差，表面不平整。

Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式从路径上来看像由多个“凹”字组成，激光束行走到“凹”字中心处时，激光照射处附近单位面积上的能量供给极其不均匀，熔覆层产生较大高度差导致涂层表面不平整；轮廓偏置式四周形成良好的熔覆涂层，但涂层中心有较大的凹陷。

这是由于激光束在四周扫描时，能
Ｆｉｇ ２　Ｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｅａｔｕｒｅｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｓａ—Ｈｉｌｂｅｒｔｆｒａｃｔａｌ　ｂ—ｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｓｅｔ　ｃ—ｇｒａｔｉｎｇ
量均匀供给，没有形成能量堆积。

而激光束到达中心点时，在热累积的作用下，中心温度变得很高，导致熔覆涂层过烧，合金元素蒸发，从而产生凹陷；与其它扫描方式相比，光栅式扫描在基材表面形成了致密的熔覆涂层，表面平整、整洁度高，没有裂纹和气孔。

２．２　熔覆涂层形变分析
观察试样，３种扫描路径在ｘ轴和ｙ轴方向上均没有观察到明显的形变，故不考虑ｘ轴和ｙ轴方向上的形变量。

而在ｚ轴方向上，Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式和轮廓偏置式扫描路径制备的铁基熔覆层在自然冷却后都有不同程度的形变，形变特征都是中间凹陷，四周翘曲；而光栅式扫描路径则几乎没有形变，如图３所示。

经测
８４４
第４４卷　第４期梁志刚 扫描路径对薄壁件激光熔覆涂层形变的影响　
Ｆｉｇ ３　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｓｉｎｚ ａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎａ—Ｈｉｌｂｅｒｔｆｒａｃｔａｌ　ｂ—ｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｓｅｔ　ｃ—ｇｒａｔｉｎｇ
量，轮廓偏置式扫描路径在ｚ轴上的形变量较大，达到了０．３０ｍｍ。

轮廓偏置式熔覆结束时的位置位于试样的中心处，同时该处是整个试样的最大形变点，这是因为熔覆层中心处的温度是最高的。

当激光束到达中心处后，熔覆随即结束，温度开始急剧下降，产生较大的温度梯度和热应力，导致基材发生较大的形变。

而Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式和光栅式在激光扫描时并没有趋向于某一点，热量相对容易分散，故没有明显的最大形变点。

Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式扫描路径在ｚ轴上的形变量为０．１２ｍｍ，而光栅式扫描路径则几乎没有发生形变。

２．３　熔覆涂层热应力分析
熔覆涂层的热应力σ
ｔｈ
可由下式［１５］判定：
σｔｈ＝ＥΔαΔＴ／（１－γ）（１）式中，Ｅ为熔覆层的弹性模量；Δα为基材和材料的线膨胀系数之差；ΔＴ是熔覆温度与室温的差值；γ为泊松比。

由（１）式可见，室温保持不变，而熔覆温度越高，那么ΔＴ就会越大，熔覆层热应力就会越大。

激光熔覆过程的温度是急剧变化着的，一般很难在实验过程中直接测得实时的熔覆温度。

但有相关研究表明熔池深度和温度成正相关的关系，也就是说温度越高，熔池深度也越大［１６］。

因此通过分析熔池深度的大小，可以探究激光熔覆过程中热应力的分布状况。

垂直于ｘ轴，在熔覆层ｘ方向上的中心处截取横截面。

沿着ｙ轴方向分别测量熔池深度，可以得到不同扫描路径在ｙ方向上熔池深度的变化曲线，如图４所示。

由图４可见，在轮廓偏置式扫描路径下，熔池深度曲线呈现单个驼峰状，且峰值位于中心处，达到了０．７５ｍｍ。

这是由于随着熔覆的进行，熔覆一圈的周期越来越短，熔覆涂层没有足够的时间去分散热量，同时熔覆涂层热传导条件不佳，导致热量在中心处累积，使其温度越来越高，熔池深度在中心处达到峰值；光栅式
Ｆｉｇ ４　Ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆｂａｔｈｄｅｐｔｈｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｈｓ
扫描路径的熔池深度随着距离增大而逐渐递增，熔覆完成时熔池深度最大，约为０．６０ｍｍ。

这是由于激光束在扫过中线后，到再次返回的过程中有一个散热的时间差，但这个时间不足以完全将热量发散掉，会有部分热量累积到下一道熔覆，故熔池深度随着熔覆进行而越来越高；而Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式扫描路径的熔池深度较小，在０．０２ｍｍ～０．１０ｍｍ之间浮动。

结合不同扫描路径的形变量，可以发现Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式的熔池深度是最小，但其形变量却不是最小。

总体来看，Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式扫描分为上下两个部分。

激光束先完成下部区域的扫描，再扫描上部区域。

对于单独一个区域来说，Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式可以使待熔覆区域进行有效的预热，减少温度梯度，故熔池深度较小。

但进行上部区域扫描时，下部区域熔覆已经完成并冷却凝固了。

此时上下两个区域会产生温度梯度，从而仍然有一定的形变倾向。

３　结　论
（１）激光熔覆过程中熔池与其附近区域的温度梯度和基材形变量有着正相关的关系。

熔覆时，温度梯度越大，产生的热应力越大，基材就越容易产生形变。

（２）轮廓偏置式和Ｈｉｌｂｅｒｔ分形式熔覆涂层质量均不佳，或是表面不够平整，或是中心会有凹陷，都有着较大的形变倾向，因而不适合用于割刀等薄壁件的激光熔覆；光栅式扫描路径既可以预热下一道单道熔覆，又有足够时间发散多余的热量，熔池温度不至于过高，故所制备的熔覆涂层表面平整，且洁净度高，且对基材的形变倾向最弱，可以满足薄壁件激光熔覆对熔覆涂层质量的要求。

参考文献
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