激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
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表 1 不同激光功率下的激光熔覆工艺参数
Table 1 Process parameters of laser cladding wit h
different laser powers
Parameter name
Val ue
Laser power / W
150 200 250 300
Widt h / mm
同理 ,在成形过程中的工艺参数及不同扫描速 度所对应的单层熔覆宽度及高度和由 (1) 式及 (2) 式 所计算出的参数列于表 2 中 。图 7 为不同扫描速度 对应的熔覆层的横截面表面平整度 、平宽比及平高 比的变化图 。
工作原理如图 1 所示 ,实验装置如图 2 所示 。 由 Nd : YA G 激光器 、三轴联动工作台 、同轴送粉喷 嘴 、送粉器 、分粉器及辅助装置组成 。粉末预先干燥 以增强流动性 ,基材经过砂纸打磨后经乙醇丙酮清 洗以去除油脂与污渍 。实验成形试样为一圆环 ,内 外直径分别为 15 mm 与 30 mm 。然后将成形试样 沿垂直于扫描方向线切割 ,将横截面打磨抛光以进 行观察和测试 。
6
Beam diameter / mm
0. 5
Powder mass flow rate / (g/ min)
8. 8
Shielding gas / (mL/ min)
Ar ,200
Carrier gas flow rate / (L/ min)
8
幅度小于单层熔覆宽度的增加 ,随激光功率持续增 大 ,平整度值增加的幅度大于单层熔覆宽度的增加 , 不利于提高熔覆层表面平整程度 ;表面平整程度增 加的幅度与单层熔覆高度增加的幅度几乎相当 。所 以 ,从熔覆层表面平整程度及平宽比角度考虑应该 采用较低的激光功率 ,但是激光功率不能过低 ,否则 会出现粉末熔化不完全的现象 ,反而会导致粉末黏 附在熔覆层表面造成表面变粗糙 。从实验结果来 看 ,在激光功率 P ≤100 W , 其他工艺参数如表 1 时 ,激光能量不足以完全熔化金属粉末 ,而造成表面 平整程度较差 。 3 . 2 扫描速度对熔覆层表面平整度的影响
E2mail : gxzhu2005 @st u. xjt u. edu. cn 导师简介 : 李涤尘 (1964 —) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事快速成形制造 、生物制造和复合材料成形等方面的研究 。
E2mail : dcli @mail. xjt u. edu. cn (通信联系人)
1期
收稿日期 : 2009202209 ; 收到修改稿日期 : 2009203227 基金项 目 : 国 家 973 计 划 ( 2007CB707704 ) 、国 家 自 然 科 学 基 金 ( 50675171 ) 和 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划
( PCSIR T0646) 资助课题 。 作者简介 : 朱刚贤 (1980 —) ,男 ,博士研究生 ,主要从事复杂构件的高能束控形控性制造方面的研究 。
图 3 成形试件的扫描路径 Fig. 3 Scanning pat h of fo rming sample
个小区域 ,分别实现各个小区域的连续扫描 ,扫描一 个连续的小区域后直接跳跨到另一个临近的小区 域 ,直至整个区域填充完成 。这样扫描线就避开了 孔洞区域 ,减少了空行程 ,节约了跳跨时间 ,提高了 效率[ 8～12 ] 。 2 . 3 搭接率
而是 周 期 性 振 荡 起 伏 的 粗 糙 面 。用 KE YENCE V H28000 显微镜对不同工艺参数所产生的单道熔 覆层宽度 、高度及熔覆层表面的凸起与下凹之间的 差值 (即表面平整度 s , 定义如图 4 所示) 进行了测 量 。同时对熔覆层平宽比 p (表面平整度与单层熔覆 宽度之比 : q = s/ w ) 及平高比 (表面平整度与单层
图 4 表面平整度 s 的定义 Fig. 4 Definition of surface smoot hness
298
中 国 激 光
37 卷
熔覆高度之比 : q = s/ h) 进行了计算 , 用表面平整 度来衡量是由于测量值已不满足表面粗糙度的范 围 。图 5 为成形后的熔覆层横断面形貌 。
A bs t r act To obtain t he s moot h s urface qualit y of cladding laye r , t he effects of p rocess parameters on s urface s moot hness and t he ratios of t he widt h and height of cladding layer to s urface s moot hness we re s t udied by expe rime nts i n lase r cladding. The relations hips of t he height and widt h of cladding layer wit h ce nte r dis tance and overlapping ratio we re analyzed , and t he height , widt h and s urface s moot hness of cladding layer we re tes ted. The expe rime ntal res ults indicate t hat t he degree of s urface s moot hness decreases wit h t he increase of lase r powe r and p owde r mass flow rate and t he reducing of t rave rse sp eed ; t he degree of s urface s moot hness firs tly increased t he n decreased wit h t he growt h of car rie r gas flow rates . Key w o r ds lase r technique ; lase r cladding ; forming qualit y ; p rocess paramete rs ; s urface s moot hness
图 5 熔覆层的横断面形貌 Fig. 5 Cro ss2section morp hology of cladding layer
3 . 1 激光功率对熔覆层表面平整度的影响 成形过程中的工艺参数及不同激光功率所对应
的单层熔覆宽度及高度和由 (1) 式及 (2) 式所计算出 的参数列于表 1 中 。图 6 为不同激光功率所对应的 熔覆层的横截面表面平整度 s ,平宽比 p 及平高比 q 的趋势图 。
热点和追求的直接目标 ,而加工工艺参数 (如激光功 率 、扫描速度 、送粉量及载气流量等) 对熔覆层成形 质量起决定性作用 ,在已有的研究中主要关注的是 送粉量 、激光功率 、扫描速度 、保护气流量等加工参 数对熔覆层成形宽度 、高度的影响规律 ,也有研究搭 接率对表面成形质量的影响[1～7] ,而熔覆层的表面 平整度作为衡量熔覆层成形质量的一个重要指标 , 目前尚缺乏系统的研究 。本文在扫描路径一定的条
(1)
h
ηc
=
ww
c,
(2)
式中 w , h 分别为单层熔覆宽度与高度 。可以看出 ,
搭接率由单层熔覆宽度与高度决定 ,所以必须先根
据工艺参数做单道熔覆实验 ,测量出熔覆层宽度与
高度 ,然后由 (2) 式求解出临界搭接率 。
3 实验结果
根据图 3 扫描路径及 (2) 式临界搭接率分别进 行各个工艺参数的单层熔覆成形实验 。由于液态表 面在表面张力及粉末颗粒与基材间碰撞产生的弹力 共同作用下 ,导致熔覆层表面不是理想的光滑平面 ,
Ef f ect of P r oces s P a r a met e r s o n S u rf a ce S m oot h nes s i n L a s e r Cl a d di n g
Zhu Gangxian Zhang Anf e ng Li Diche n
( S t a te Key L abor a t or y f or Ma n uf act u r i ng S ys te ms Engi neer i ng , Xi′a n J i aot ong U n i versi t y , Xi′a n , S h a a n xi 710049 , Chi n a)
0. 35 0. 53 0. 55 0. 62
Height / mm
0. 05 0. 08 0. 10 0. 13
Center distance / mm
0. 24 0. 36 0. 38 0. 43
Overlapping ratio / %
32. 26 32. 13 31. 60 31. 04
Traverse speed / (mm/ s)
朱刚贤 张安峰 李涤尘
(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 , 陕西 西安 710049)
摘要 为了获得平整的熔覆层表面质量 ,对 316L 不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度 、平宽比 (表面平 整度与单层熔覆宽度比值) 及平高比 (表面平整度与单层熔覆高度的比值) 的影响进行了实验研究 。分析了单层熔 覆宽度 、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系 ,并进行了单层熔覆宽度 、单层熔覆高度及表面 平整度的测试 。实验结果表明 ,随激光功率增大 、送粉量增大及扫描速度的减低 ,熔覆层表面的平整程度降低 ;随 载气流量增大 ,熔覆层表面的平整程度先增加后降低 。 关键词 激光技术 ; 激光熔覆 ; 成形质量 ; 工艺参数 ; 表面平整度 中图分类号 TN249 ; T G39 文献标识码 A doi : 10. 3788/ CJL20103701. 0296
1 引 言
激光熔覆技术是利用高能激光束为热源 ,以预 置或同步供给方式在基材表面添加金属粉末 (丝) 使 之具有优异的耐磨 、耐蚀及耐热等性能的表面改性 技术 。在激光熔覆过程中 ,激光 、粉末材料及基体间 相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化2凝固冶 金过程 ,这就导致熔覆层的成形质量很难得到准确 控制 。提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的
图 1 成形原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of t he p rocess p rinciple
2 . 2 扫描路径 试样的填充模式如图 3 所示 。分区平行扫描方
式是最常用的扫描方式 ,即将一个大区域分为若干
图 2 激光熔覆系统图 Fig. 2 System diagram of t he laser cladding
朱刚贤等 : 激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
297
件下 ,通过不断改变工艺参数来研究对熔覆层表面 平整度 、平宽比及平高比的影响 。
2 实 验
2 . 1 实验材料及方法 实验用熔覆金属粉末的材料是 316L 不锈钢 ,
粉末颗粒大小在 15～45 μm 之间 ;基材为 316L 不 锈钢 ,几何尺寸为 150 mm ×100 mm ×8 mm 。
本文研究的是激光功率 、扫描速度 、送粉量及载 气流量对成形轨迹截面表面平整度的影响 。为了避 免搭接率对成形表面平整度的影响 ,成形时必须选 择适当的搭接率 。搭接率的大小将直接影响成形表 面的平整程度 ,依据文献[ 13 ,14 ]得出轨迹间中心距 c 及临界搭接率ηc 的计算式为
c = [ ( w/ 2) 2 + h2 ]/ (2 h) 2 arcsin ( w h) / [ ( w/ 2) 2 + h2 ] - [ ( w/ 2) 2 - h2 ]/ (2 h) ·( w/ 2) ,
第 37 卷 第 1 期 201Biblioteka Baidu 年 1 月
中 国 激 光
CHIN ES E J OURNAL O F LAS ERS
文章编号 : 025827025 (2010) 0120296206
Vol. 37 ,No . 1 J anuary , 2010
激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
Table 1 Process parameters of laser cladding wit h
different laser powers
Parameter name
Val ue
Laser power / W
150 200 250 300
Widt h / mm
同理 ,在成形过程中的工艺参数及不同扫描速 度所对应的单层熔覆宽度及高度和由 (1) 式及 (2) 式 所计算出的参数列于表 2 中 。图 7 为不同扫描速度 对应的熔覆层的横截面表面平整度 、平宽比及平高 比的变化图 。
工作原理如图 1 所示 ,实验装置如图 2 所示 。 由 Nd : YA G 激光器 、三轴联动工作台 、同轴送粉喷 嘴 、送粉器 、分粉器及辅助装置组成 。粉末预先干燥 以增强流动性 ,基材经过砂纸打磨后经乙醇丙酮清 洗以去除油脂与污渍 。实验成形试样为一圆环 ,内 外直径分别为 15 mm 与 30 mm 。然后将成形试样 沿垂直于扫描方向线切割 ,将横截面打磨抛光以进 行观察和测试 。
6
Beam diameter / mm
0. 5
Powder mass flow rate / (g/ min)
8. 8
Shielding gas / (mL/ min)
Ar ,200
Carrier gas flow rate / (L/ min)
8
幅度小于单层熔覆宽度的增加 ,随激光功率持续增 大 ,平整度值增加的幅度大于单层熔覆宽度的增加 , 不利于提高熔覆层表面平整程度 ;表面平整程度增 加的幅度与单层熔覆高度增加的幅度几乎相当 。所 以 ,从熔覆层表面平整程度及平宽比角度考虑应该 采用较低的激光功率 ,但是激光功率不能过低 ,否则 会出现粉末熔化不完全的现象 ,反而会导致粉末黏 附在熔覆层表面造成表面变粗糙 。从实验结果来 看 ,在激光功率 P ≤100 W , 其他工艺参数如表 1 时 ,激光能量不足以完全熔化金属粉末 ,而造成表面 平整程度较差 。 3 . 2 扫描速度对熔覆层表面平整度的影响
E2mail : gxzhu2005 @st u. xjt u. edu. cn 导师简介 : 李涤尘 (1964 —) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事快速成形制造 、生物制造和复合材料成形等方面的研究 。
E2mail : dcli @mail. xjt u. edu. cn (通信联系人)
1期
收稿日期 : 2009202209 ; 收到修改稿日期 : 2009203227 基金项 目 : 国 家 973 计 划 ( 2007CB707704 ) 、国 家 自 然 科 学 基 金 ( 50675171 ) 和 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划
( PCSIR T0646) 资助课题 。 作者简介 : 朱刚贤 (1980 —) ,男 ,博士研究生 ,主要从事复杂构件的高能束控形控性制造方面的研究 。
图 3 成形试件的扫描路径 Fig. 3 Scanning pat h of fo rming sample
个小区域 ,分别实现各个小区域的连续扫描 ,扫描一 个连续的小区域后直接跳跨到另一个临近的小区 域 ,直至整个区域填充完成 。这样扫描线就避开了 孔洞区域 ,减少了空行程 ,节约了跳跨时间 ,提高了 效率[ 8～12 ] 。 2 . 3 搭接率
而是 周 期 性 振 荡 起 伏 的 粗 糙 面 。用 KE YENCE V H28000 显微镜对不同工艺参数所产生的单道熔 覆层宽度 、高度及熔覆层表面的凸起与下凹之间的 差值 (即表面平整度 s , 定义如图 4 所示) 进行了测 量 。同时对熔覆层平宽比 p (表面平整度与单层熔覆 宽度之比 : q = s/ w ) 及平高比 (表面平整度与单层
图 4 表面平整度 s 的定义 Fig. 4 Definition of surface smoot hness
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中 国 激 光
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熔覆高度之比 : q = s/ h) 进行了计算 , 用表面平整 度来衡量是由于测量值已不满足表面粗糙度的范 围 。图 5 为成形后的熔覆层横断面形貌 。
A bs t r act To obtain t he s moot h s urface qualit y of cladding laye r , t he effects of p rocess parameters on s urface s moot hness and t he ratios of t he widt h and height of cladding layer to s urface s moot hness we re s t udied by expe rime nts i n lase r cladding. The relations hips of t he height and widt h of cladding layer wit h ce nte r dis tance and overlapping ratio we re analyzed , and t he height , widt h and s urface s moot hness of cladding layer we re tes ted. The expe rime ntal res ults indicate t hat t he degree of s urface s moot hness decreases wit h t he increase of lase r powe r and p owde r mass flow rate and t he reducing of t rave rse sp eed ; t he degree of s urface s moot hness firs tly increased t he n decreased wit h t he growt h of car rie r gas flow rates . Key w o r ds lase r technique ; lase r cladding ; forming qualit y ; p rocess paramete rs ; s urface s moot hness
图 5 熔覆层的横断面形貌 Fig. 5 Cro ss2section morp hology of cladding layer
3 . 1 激光功率对熔覆层表面平整度的影响 成形过程中的工艺参数及不同激光功率所对应
的单层熔覆宽度及高度和由 (1) 式及 (2) 式所计算出 的参数列于表 1 中 。图 6 为不同激光功率所对应的 熔覆层的横截面表面平整度 s ,平宽比 p 及平高比 q 的趋势图 。
热点和追求的直接目标 ,而加工工艺参数 (如激光功 率 、扫描速度 、送粉量及载气流量等) 对熔覆层成形 质量起决定性作用 ,在已有的研究中主要关注的是 送粉量 、激光功率 、扫描速度 、保护气流量等加工参 数对熔覆层成形宽度 、高度的影响规律 ,也有研究搭 接率对表面成形质量的影响[1～7] ,而熔覆层的表面 平整度作为衡量熔覆层成形质量的一个重要指标 , 目前尚缺乏系统的研究 。本文在扫描路径一定的条
(1)
h
ηc
=
ww
c,
(2)
式中 w , h 分别为单层熔覆宽度与高度 。可以看出 ,
搭接率由单层熔覆宽度与高度决定 ,所以必须先根
据工艺参数做单道熔覆实验 ,测量出熔覆层宽度与
高度 ,然后由 (2) 式求解出临界搭接率 。
3 实验结果
根据图 3 扫描路径及 (2) 式临界搭接率分别进 行各个工艺参数的单层熔覆成形实验 。由于液态表 面在表面张力及粉末颗粒与基材间碰撞产生的弹力 共同作用下 ,导致熔覆层表面不是理想的光滑平面 ,
Ef f ect of P r oces s P a r a met e r s o n S u rf a ce S m oot h nes s i n L a s e r Cl a d di n g
Zhu Gangxian Zhang Anf e ng Li Diche n
( S t a te Key L abor a t or y f or Ma n uf act u r i ng S ys te ms Engi neer i ng , Xi′a n J i aot ong U n i versi t y , Xi′a n , S h a a n xi 710049 , Chi n a)
0. 35 0. 53 0. 55 0. 62
Height / mm
0. 05 0. 08 0. 10 0. 13
Center distance / mm
0. 24 0. 36 0. 38 0. 43
Overlapping ratio / %
32. 26 32. 13 31. 60 31. 04
Traverse speed / (mm/ s)
朱刚贤 张安峰 李涤尘
(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 , 陕西 西安 710049)
摘要 为了获得平整的熔覆层表面质量 ,对 316L 不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度 、平宽比 (表面平 整度与单层熔覆宽度比值) 及平高比 (表面平整度与单层熔覆高度的比值) 的影响进行了实验研究 。分析了单层熔 覆宽度 、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系 ,并进行了单层熔覆宽度 、单层熔覆高度及表面 平整度的测试 。实验结果表明 ,随激光功率增大 、送粉量增大及扫描速度的减低 ,熔覆层表面的平整程度降低 ;随 载气流量增大 ,熔覆层表面的平整程度先增加后降低 。 关键词 激光技术 ; 激光熔覆 ; 成形质量 ; 工艺参数 ; 表面平整度 中图分类号 TN249 ; T G39 文献标识码 A doi : 10. 3788/ CJL20103701. 0296
1 引 言
激光熔覆技术是利用高能激光束为热源 ,以预 置或同步供给方式在基材表面添加金属粉末 (丝) 使 之具有优异的耐磨 、耐蚀及耐热等性能的表面改性 技术 。在激光熔覆过程中 ,激光 、粉末材料及基体间 相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化2凝固冶 金过程 ,这就导致熔覆层的成形质量很难得到准确 控制 。提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的
图 1 成形原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of t he p rocess p rinciple
2 . 2 扫描路径 试样的填充模式如图 3 所示 。分区平行扫描方
式是最常用的扫描方式 ,即将一个大区域分为若干
图 2 激光熔覆系统图 Fig. 2 System diagram of t he laser cladding
朱刚贤等 : 激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
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件下 ,通过不断改变工艺参数来研究对熔覆层表面 平整度 、平宽比及平高比的影响 。
2 实 验
2 . 1 实验材料及方法 实验用熔覆金属粉末的材料是 316L 不锈钢 ,
粉末颗粒大小在 15～45 μm 之间 ;基材为 316L 不 锈钢 ,几何尺寸为 150 mm ×100 mm ×8 mm 。
本文研究的是激光功率 、扫描速度 、送粉量及载 气流量对成形轨迹截面表面平整度的影响 。为了避 免搭接率对成形表面平整度的影响 ,成形时必须选 择适当的搭接率 。搭接率的大小将直接影响成形表 面的平整程度 ,依据文献[ 13 ,14 ]得出轨迹间中心距 c 及临界搭接率ηc 的计算式为
c = [ ( w/ 2) 2 + h2 ]/ (2 h) 2 arcsin ( w h) / [ ( w/ 2) 2 + h2 ] - [ ( w/ 2) 2 - h2 ]/ (2 h) ·( w/ 2) ,
第 37 卷 第 1 期 201Biblioteka Baidu 年 1 月
中 国 激 光
CHIN ES E J OURNAL O F LAS ERS
文章编号 : 025827025 (2010) 0120296206
Vol. 37 ,No . 1 J anuary , 2010
激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响