送粉式激光熔覆粉末有效利用系数的检测方法及其影响因素
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第 22 卷 第 6 期
焊接学报
VOI . 22
NO . 6
2 0 0 1 年 1 2 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION December 2 0 0 1
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
US Uf
。
（5）
! . " 粉末有效利用系数" 的金相检测
式（5）揭示了两体式送粉激光熔覆过程中粉末
有效利用系数" 与工艺参数的相互关系。为计算
粉末有效利用系数"，如何检测熔覆层的宏观参数
是非常关键的，尤其是熔覆层的宽度必须采用冶金
结合长度 D 进行计算。这是由于在送粉激光熔覆
图 " 熔覆层与基体冶金结合示意图 Fig. " Schematic illustrated of width
而产生的熔覆层宽化Leabharlann Baidu象。
多，不能形成平整的熔覆层；激光能量密度过低，不
（3）忽略由于基体材料的混入而引起的熔覆材 能满足熔覆材料与基体材料发生冶金反应所需的能
料物理参数的变化。
量，不能形成冶金结合的熔覆层。从微观角度看，激
光作用于熔池的能量分布是不均匀的。近光束中心
部分能量比较集中，远离光束中心熔池边缘能量较
浓度梯度共同作用形成的表面张力梯度决定了熔池 到足够高的温度才能满足两者在界面上形成冶金结
表面是曲面而不是平坦的，如图 l 所示。为研究问 合。从激光熔覆冶金过程看，熔覆工艺的选择，激光
题方便，假设熔覆层的轮廓线是抛物线。
能量密度是非常关键的因素。从宏观范围看，激光
（2）忽略由于单道激光熔覆沿熔覆道的热积累 能量密度过高，易形成等离子体，熔覆材料烧损过
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收稿日期：2001 - 04 - 23 基金项目：清华大学 985 基金资助项目；THSJZ 基金资助。
智能控制具有非常重要的理论和实践意义。本文在 系统分析激光熔覆过程中熔覆材料加入方式、激光 束中的运动规律、吸热特性等过程的基础上，利用金 相检测法计算了两体式送粉法条件下的粉末有效利 用系数，并对其影响因素进行了探讨。
低，局部可能存在能量过高或过低的情况，不利于形
成完整的熔覆层。由此推论出在熔覆层与基体的界
面上存在着不能完全形成冶金结合的可能性。为解
释这一问题，提出冶金结合系数 f0 的概念。设 D< 为熔覆材 料 与 基 体 在 界 面 上 冶 金 结 合 长 度 的 一 半
（见图 2）。则冶金结合系数 f0 可定义为冶金结合的 长度与光束直径之比为
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2 粉末有效利用系数! 的影响因素
NO
1S（/ mm·S - 2）
1f（/ mg·S - l）
ti / S
Pw / l0（2 J·mm - 2）
f0
D / mm
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有效利用系数!，但这种设备还不完善，有待于进一 步的丰富和发展；另一种是普遍采用的金相检测法，
通过检测的熔覆层宏观参数，按一定的方法计算得
出。而采用金相检测法，则必须选择一定时间内或
一定长度的熔覆道作为计算单元。因此，不同计算
单元的选择，将对应不同的粉末有效利用系数!，但 其最终表达式是一致的［5］。为此，选择作用时间 "i
1 粉末有效利用系数! 的表达式
粉末有效利用系数! 的定义：实际检测出的熔 覆层质量与送粉系统输出的熔覆材料质量之比。设
熔覆层的质量为 !1，对应的送粉系统输出的熔覆材
料的质量为 !2，则粉末有效利用系数! 为
!=
!1 !2
。
（1）
目前理论上检测送粉激光熔覆粉末有效利用系
数! 的方法有两种：一种是设计光、机、电一体化的 自动化监控系统，直接测得每道工艺条件下的粉末
表 ! 相关参数金相检测结果及 ti、Pw、f"、Sf、D 的计算结果 Table ! Experimental results of related parameters obtained by metallographic
method and calculated results of ti、Pw、f"、Sf、D
为计算单元。
! . ! 作用时间 "i 内粉末有效利用系数! 的表达式 激光熔覆是一个非常复杂的快速加热、冷却的
62
焊接学报
第 22 卷
物理冶金过程。为研究问题方便，做如下的简化和 条件下，存在着激光束与运动的粉末颗粒之间的相
假设。
互作用，同时也存在着透过粉末颗粒云的激光束与
（l）在激光熔覆过程中，由熔池内存在的温度、 基体材料的相互作用，以保证熔覆材料与基体加热
第6期
张庆茂，等：送粉式激光熔覆粉末有效利用系数的检测方法及其影响因素
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mmx 8 mm x 600 mm 的 条 件 下，采 用 激 光 功 率 为 3 . l kW，光束直径为 8 mm 的连续 CO2 激光，送粉器 喷嘴直径 4 mm，调整工艺参数如扫描速度、送粉速
率等，进行单道激光熔覆获得的熔覆层宏观参数和 相关参数的计算结果。
高送粉速率。工艺参数与熔覆材料粉末有效利用系 数的关系见图 3。熔覆材料从喷嘴出来进入激光束 到形成熔覆层，可能有两种情况导致其损失即加热 温度过高烧损和飞散于激光束之外，没有进入熔覆 层损失掉。在激光参数和扫描速度一定时，随送粉 速率的增加，单位质量熔覆材料的比能降低，熔覆材 料颗粒平均吸收能量相对减少，温度降低，熔覆材料 烧损减少，粉 末 有 效 利 用 率 增 加；当 送 粉 速 率 一 定 时，随扫描速度的增加，实际输入比能变小，熔覆材 料颗粒的 温 度 降 低，烧 损 减 少，粉 末 有 效 利 用 率 增 加［7］。从作用时间 ti 和激光能量密度 Pw 角度看， 随扫描速度的增加，激光能量密度 Pw 降低，作用时 间 ti 变短，熔覆材料的加热温度降低，熔覆材料的 烧损减少，粉末有效利用系数提高；在激光能量密度 Pw、作用时间 ti 一定的条件下，随送粉速率的增加， 作用时间内进入激光束的粉末颗粒数目增多，熔覆 材料颗粒吸收的能量降低，同样有利于粉末有效利 用系数提高［8］。通过以上的分析，在激光熔覆工艺 稳定时，熔覆材料损失的主要机制是因温度过高而 烧损。因此，欲获得理想的熔覆层，提高粉末有效利 用率需要激光参数、送粉装置喷嘴形状和大小、送粉
of well incorporated region
冶金结合系数 f0 的大小主要取决于工艺参数、 熔覆材料和基体材料的热物理参数以及它们之间相 互的化学匹配性。对应着式（6）冶金结合系数 f0 可 能有四种结果： （l）f0!l，即 DC! rB，熔覆材料过度 烧损，形成等离子体，不能形成良好的熔覆层。（2） f0 = l，DC = rB 熔覆层的宽度等于光斑直径，能够形 成良好的熔覆层。（3）f0 > l，即 DC > rB，但熔敷层 与基体冶金结合，熔覆层宽化。（4）f0 < l，即 DC < rB 熔覆层与基体在界面上能够形成冶金结合，但宽度 变窄。针对这些情况必须采用金相检测法，才能准 确地检测出熔覆层与基体的冶金结合宽度。对于确 定工艺的单道熔覆层可以从始端切开，制成金相试 样，采用适当的腐蚀剂可以观察并测得 DC 的值［6］。 表 l 是在熔覆材料颗粒平均尺寸 r = 0 . 08 mm 的 Ni60A 自熔合金、基体材料为 @235，试样尺寸为 60
送粉式激光熔覆粉末有效利用系数的 检测方法及其影响因素
张庆茂1，2， 钟敏霖1， 杨 森1， 刘文今1
（1 . 清华大学 机械系激光加工研究中心，北京 100084；2 . 解放军军需大学，长春 130062）
摘 要： 利用金相检测法建立了送粉式激光熔覆过程中反映熔覆层宏观参数、工艺参 数之间相互关系的粉末有效利用系数的方程。确定了作用时间内粉末有效利用系数的 计算方法，系统分析了影响粉末有效利用系数的因素。为定量描述熔覆层与基体材料 在界面的结合状态，提出了冶金结合系数的概念。在激光功率、光斑尺寸保持不变的条 件下，作用时间内的粉末有效利用系数随扫描速度的增加而增大，随送粉速率的增加而 增大。对粉末有效利用系数随扫描速度的变化出现最大值的现象给出了合理的解释。 关键词： 激光熔覆；金相检测法；粉末有效利用系数 中图分类号：T156 . 99 文献标识码：A 文章编号：0253 - 360X（2001）06 - 61 - 04
试验发现对于送粉激光熔覆，无论激光束的光 斑形状是柱形还是矩形，实际检测到的熔覆层的厚 度均小于理论值。形成这种现象的原因很多，主要 有：熔覆材料和基体材料本身的物理、化学特性和相 互之间的匹配，激光输出功率，光斑形状及尺寸，送 粉装置喷嘴的形状、大小以及与试样表面的距离，粉 末粒子流与光束的位相关系，粉末粒子在光束中的 运动规律及分布方式，送粉速率和扫描速度等。在 激光功率、光斑尺寸保持不变时，熔覆材料粉末有效 利用系数随扫描速度和送粉速率的变化有显著的特 点。在扫描速度一定时，熔覆材料粉末有效利用系 数随送粉速率的增加而增加，而且在低扫描速度条 件下（1S !8 . 33 mm / S）高送粉速率增加的程度大。 在送粉速率一定时，熔覆材料粉末有效利用系数随 扫描速度的增加而增加，当扫描速度达到一定值时 （ 1S = 8 . 33 mm / S），熔覆材料粉末有效利用系数出现 极大值。超过该极值点，熔覆材料粉末有效利用系 数反而下降，且低送粉速率条件下，降低的幅度大于
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图 ! 激光熔覆层的几何形状 Fig. ! Geometry of laser clad layer
f0 =
D< rB
。
（6）
设激光束的半径为 rB，激光束扫描速度为 US， 则作用时间 ti 可以用激光束通过试样上某一点所 需的时间近似的表示为
ti =
2rB US
。
（2）
设熔覆材料的密度为!，熔覆层的宽度、厚度分 别为 D、Sf，则作用时间 ti 内熔覆层的质量为 Ml，即
张庆茂
0序 言
激光熔覆技术发展的一个里程碑是熔覆材料添 加方式的改进及其多样性。熔覆材料的状态有粉末 状、丝状、膏状。添加方式主要有预置和同步送料法 两种类型。同步送料法按熔覆材料的状态分为送膏 法、送丝法、重力送粉法和气动送粉法。同步送粉法 按结构分为两体式送粉法和同轴送粉法。同步送粉 法因其具有稀释率低、热变形小、熔覆带表面光滑、 熔覆区组织精细、易于实现自动化和全向性等优点， 必将成为今后激光熔覆中材料添加方式的主流［14］。 目前国内送粉激光熔覆应用的主体是两体式送粉装 置。两体式送粉装置因熔覆材料的供给装置与激光 束镜头分开，彼此独立，在熔覆过程中需调整两者之 间的匹配关系。目前由于国内设备不完善，调整工 艺参数之间的匹配关系，人为因素影响很大。因此， 激光熔覆工艺的实施困难很大，是推广送粉式激光 熔覆大规模工业化应用必须预先解决的问题之一。 大量试验表明激光熔覆层的厚度远小于理论熔覆层 厚度，这 是 由 于 送 粉 装 置 本 身 的 效 率 不 可 能 达 到 100% ；另一方面在熔覆过程中，又存在着烧损、飞溅 等现象。因此，寻求计算实际进入熔覆层的熔覆材 料质量，进而考察送粉系统的效率，对于研究激光束 与粉 末 粒 子 的 交 互 作 用、工 艺 的 稳 定 性、熔 覆 层 合金组织和成分的强韧化设计、未来熔覆过程的
Ml
=
2 3
DS!f US t i
=
4 3
DS!f rB。
（3）
设送粉速率为 Uf，则作用时间 ti 内送粉系统输
出的熔覆材料的质量 M2，即
M2 = Uf ti，
=
2 rB Uf US
。
（4）
综合式（3）、 （4）和式（l），可得两体式送粉法条
件下作用时间 ti 内的粉末有效利用系数"
"=
2 3
DS!f
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! . " 粉末有效利用系数" 的金相检测
式（5）揭示了两体式送粉激光熔覆过程中粉末
有效利用系数" 与工艺参数的相互关系。为计算
粉末有效利用系数"，如何检测熔覆层的宏观参数
是非常关键的，尤其是熔覆层的宽度必须采用冶金
结合长度 D 进行计算。这是由于在送粉激光熔覆
图 " 熔覆层与基体冶金结合示意图 Fig. " Schematic illustrated of width
而产生的熔覆层宽化Leabharlann Baidu象。
多，不能形成平整的熔覆层；激光能量密度过低，不
（3）忽略由于基体材料的混入而引起的熔覆材 能满足熔覆材料与基体材料发生冶金反应所需的能
料物理参数的变化。
量，不能形成冶金结合的熔覆层。从微观角度看，激
光作用于熔池的能量分布是不均匀的。近光束中心
部分能量比较集中，远离光束中心熔池边缘能量较
浓度梯度共同作用形成的表面张力梯度决定了熔池 到足够高的温度才能满足两者在界面上形成冶金结
表面是曲面而不是平坦的，如图 l 所示。为研究问 合。从激光熔覆冶金过程看，熔覆工艺的选择，激光
题方便，假设熔覆层的轮廓线是抛物线。
能量密度是非常关键的因素。从宏观范围看，激光
（2）忽略由于单道激光熔覆沿熔覆道的热积累 能量密度过高，易形成等离子体，熔覆材料烧损过
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收稿日期：2001 - 04 - 23 基金项目：清华大学 985 基金资助项目；THSJZ 基金资助。
智能控制具有非常重要的理论和实践意义。本文在 系统分析激光熔覆过程中熔覆材料加入方式、激光 束中的运动规律、吸热特性等过程的基础上，利用金 相检测法计算了两体式送粉法条件下的粉末有效利 用系数，并对其影响因素进行了探讨。
低，局部可能存在能量过高或过低的情况，不利于形
成完整的熔覆层。由此推论出在熔覆层与基体的界
面上存在着不能完全形成冶金结合的可能性。为解
释这一问题，提出冶金结合系数 f0 的概念。设 D< 为熔覆材 料 与 基 体 在 界 面 上 冶 金 结 合 长 度 的 一 半
（见图 2）。则冶金结合系数 f0 可定义为冶金结合的 长度与光束直径之比为
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2 粉末有效利用系数! 的影响因素
NO
1S（/ mm·S - 2）
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有效利用系数!，但这种设备还不完善，有待于进一 步的丰富和发展；另一种是普遍采用的金相检测法，
通过检测的熔覆层宏观参数，按一定的方法计算得
出。而采用金相检测法，则必须选择一定时间内或
一定长度的熔覆道作为计算单元。因此，不同计算
单元的选择，将对应不同的粉末有效利用系数!，但 其最终表达式是一致的［5］。为此，选择作用时间 "i
1 粉末有效利用系数! 的表达式
粉末有效利用系数! 的定义：实际检测出的熔 覆层质量与送粉系统输出的熔覆材料质量之比。设
熔覆层的质量为 !1，对应的送粉系统输出的熔覆材
料的质量为 !2，则粉末有效利用系数! 为
!=
!1 !2
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（1）
目前理论上检测送粉激光熔覆粉末有效利用系
数! 的方法有两种：一种是设计光、机、电一体化的 自动化监控系统，直接测得每道工艺条件下的粉末
表 ! 相关参数金相检测结果及 ti、Pw、f"、Sf、D 的计算结果 Table ! Experimental results of related parameters obtained by metallographic
method and calculated results of ti、Pw、f"、Sf、D
为计算单元。
! . ! 作用时间 "i 内粉末有效利用系数! 的表达式 激光熔覆是一个非常复杂的快速加热、冷却的
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物理冶金过程。为研究问题方便，做如下的简化和 条件下，存在着激光束与运动的粉末颗粒之间的相
假设。
互作用，同时也存在着透过粉末颗粒云的激光束与
（l）在激光熔覆过程中，由熔池内存在的温度、 基体材料的相互作用，以保证熔覆材料与基体加热
第6期
张庆茂，等：送粉式激光熔覆粉末有效利用系数的检测方法及其影响因素
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mmx 8 mm x 600 mm 的 条 件 下，采 用 激 光 功 率 为 3 . l kW，光束直径为 8 mm 的连续 CO2 激光，送粉器 喷嘴直径 4 mm，调整工艺参数如扫描速度、送粉速
率等，进行单道激光熔覆获得的熔覆层宏观参数和 相关参数的计算结果。
高送粉速率。工艺参数与熔覆材料粉末有效利用系 数的关系见图 3。熔覆材料从喷嘴出来进入激光束 到形成熔覆层，可能有两种情况导致其损失即加热 温度过高烧损和飞散于激光束之外，没有进入熔覆 层损失掉。在激光参数和扫描速度一定时，随送粉 速率的增加，单位质量熔覆材料的比能降低，熔覆材 料颗粒平均吸收能量相对减少，温度降低，熔覆材料 烧损减少，粉 末 有 效 利 用 率 增 加；当 送 粉 速 率 一 定 时，随扫描速度的增加，实际输入比能变小，熔覆材 料颗粒的 温 度 降 低，烧 损 减 少，粉 末 有 效 利 用 率 增 加［7］。从作用时间 ti 和激光能量密度 Pw 角度看， 随扫描速度的增加，激光能量密度 Pw 降低，作用时 间 ti 变短，熔覆材料的加热温度降低，熔覆材料的 烧损减少，粉末有效利用系数提高；在激光能量密度 Pw、作用时间 ti 一定的条件下，随送粉速率的增加， 作用时间内进入激光束的粉末颗粒数目增多，熔覆 材料颗粒吸收的能量降低，同样有利于粉末有效利 用系数提高［8］。通过以上的分析，在激光熔覆工艺 稳定时，熔覆材料损失的主要机制是因温度过高而 烧损。因此，欲获得理想的熔覆层，提高粉末有效利 用率需要激光参数、送粉装置喷嘴形状和大小、送粉
of well incorporated region
冶金结合系数 f0 的大小主要取决于工艺参数、 熔覆材料和基体材料的热物理参数以及它们之间相 互的化学匹配性。对应着式（6）冶金结合系数 f0 可 能有四种结果： （l）f0!l，即 DC! rB，熔覆材料过度 烧损，形成等离子体，不能形成良好的熔覆层。（2） f0 = l，DC = rB 熔覆层的宽度等于光斑直径，能够形 成良好的熔覆层。（3）f0 > l，即 DC > rB，但熔敷层 与基体冶金结合，熔覆层宽化。（4）f0 < l，即 DC < rB 熔覆层与基体在界面上能够形成冶金结合，但宽度 变窄。针对这些情况必须采用金相检测法，才能准 确地检测出熔覆层与基体的冶金结合宽度。对于确 定工艺的单道熔覆层可以从始端切开，制成金相试 样，采用适当的腐蚀剂可以观察并测得 DC 的值［6］。 表 l 是在熔覆材料颗粒平均尺寸 r = 0 . 08 mm 的 Ni60A 自熔合金、基体材料为 @235，试样尺寸为 60
送粉式激光熔覆粉末有效利用系数的 检测方法及其影响因素
张庆茂1，2， 钟敏霖1， 杨 森1， 刘文今1
（1 . 清华大学 机械系激光加工研究中心，北京 100084；2 . 解放军军需大学，长春 130062）
摘 要： 利用金相检测法建立了送粉式激光熔覆过程中反映熔覆层宏观参数、工艺参 数之间相互关系的粉末有效利用系数的方程。确定了作用时间内粉末有效利用系数的 计算方法，系统分析了影响粉末有效利用系数的因素。为定量描述熔覆层与基体材料 在界面的结合状态，提出了冶金结合系数的概念。在激光功率、光斑尺寸保持不变的条 件下，作用时间内的粉末有效利用系数随扫描速度的增加而增大，随送粉速率的增加而 增大。对粉末有效利用系数随扫描速度的变化出现最大值的现象给出了合理的解释。 关键词： 激光熔覆；金相检测法；粉末有效利用系数 中图分类号：T156 . 99 文献标识码：A 文章编号：0253 - 360X（2001）06 - 61 - 04
试验发现对于送粉激光熔覆，无论激光束的光 斑形状是柱形还是矩形，实际检测到的熔覆层的厚 度均小于理论值。形成这种现象的原因很多，主要 有：熔覆材料和基体材料本身的物理、化学特性和相 互之间的匹配，激光输出功率，光斑形状及尺寸，送 粉装置喷嘴的形状、大小以及与试样表面的距离，粉 末粒子流与光束的位相关系，粉末粒子在光束中的 运动规律及分布方式，送粉速率和扫描速度等。在 激光功率、光斑尺寸保持不变时，熔覆材料粉末有效 利用系数随扫描速度和送粉速率的变化有显著的特 点。在扫描速度一定时，熔覆材料粉末有效利用系 数随送粉速率的增加而增加，而且在低扫描速度条 件下（1S !8 . 33 mm / S）高送粉速率增加的程度大。 在送粉速率一定时，熔覆材料粉末有效利用系数随 扫描速度的增加而增加，当扫描速度达到一定值时 （ 1S = 8 . 33 mm / S），熔覆材料粉末有效利用系数出现 极大值。超过该极值点，熔覆材料粉末有效利用系 数反而下降，且低送粉速率条件下，降低的幅度大于
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图 ! 激光熔覆层的几何形状 Fig. ! Geometry of laser clad layer
f0 =
D< rB
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设激光束的半径为 rB，激光束扫描速度为 US， 则作用时间 ti 可以用激光束通过试样上某一点所 需的时间近似的表示为
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设熔覆材料的密度为!，熔覆层的宽度、厚度分 别为 D、Sf，则作用时间 ti 内熔覆层的质量为 Ml，即
张庆茂
0序 言
激光熔覆技术发展的一个里程碑是熔覆材料添 加方式的改进及其多样性。熔覆材料的状态有粉末 状、丝状、膏状。添加方式主要有预置和同步送料法 两种类型。同步送料法按熔覆材料的状态分为送膏 法、送丝法、重力送粉法和气动送粉法。同步送粉法 按结构分为两体式送粉法和同轴送粉法。同步送粉 法因其具有稀释率低、热变形小、熔覆带表面光滑、 熔覆区组织精细、易于实现自动化和全向性等优点， 必将成为今后激光熔覆中材料添加方式的主流［14］。 目前国内送粉激光熔覆应用的主体是两体式送粉装 置。两体式送粉装置因熔覆材料的供给装置与激光 束镜头分开，彼此独立，在熔覆过程中需调整两者之 间的匹配关系。目前由于国内设备不完善，调整工 艺参数之间的匹配关系，人为因素影响很大。因此， 激光熔覆工艺的实施困难很大，是推广送粉式激光 熔覆大规模工业化应用必须预先解决的问题之一。 大量试验表明激光熔覆层的厚度远小于理论熔覆层 厚度，这 是 由 于 送 粉 装 置 本 身 的 效 率 不 可 能 达 到 100% ；另一方面在熔覆过程中，又存在着烧损、飞溅 等现象。因此，寻求计算实际进入熔覆层的熔覆材 料质量，进而考察送粉系统的效率，对于研究激光束 与粉 末 粒 子 的 交 互 作 用、工 艺 的 稳 定 性、熔 覆 层 合金组织和成分的强韧化设计、未来熔覆过程的
Ml
=
2 3
DS!f US t i
=
4 3
DS!f rB。
（3）
设送粉速率为 Uf，则作用时间 ti 内送粉系统输
出的熔覆材料的质量 M2，即
M2 = Uf ti，
=
2 rB Uf US
。
（4）
综合式（3）、 （4）和式（l），可得两体式送粉法条
件下作用时间 ti 内的粉末有效利用系数"
"=
2 3
DS!f