激光沉积成形工艺参数对熔池温度及成形尺寸的影响
选区激光熔化工艺参数对Ti-6Al-4V成形质量的影响
中图分类号 ： ＴＨ１ ６
文献标识码 ： Ａ
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ９ ６ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — ０ ２ ３ Ｘ． ２ ０ １ ７ ． ０ １ ０ ． ０ １ ４
Ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎｃ ｅ ｏ ｆ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ Ｆｏ ｒ ｍｉ ｎｇ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｎ Ｔｉ 一 ６ Ａｌ 一 ４ Ｖ Ｆａ ｂ ｒ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｍｅ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｘｉ ’ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ４ ８ ； ４ Ｇｕ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｈａ ｎ ｂ ａ ｎ ｇ
２ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｊ ｉ ｎ ａ ｎ ２ ５ ０ ０ ６ １ ； ３ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
激光熔化成形 Ｔｉ 一 ６ Ａ１ － ４ Ｖ 样 品， 分 析 影 响选 区激 光熔 化 成 形质 量 的主 要 因素 ， 采 用体 式 显微 镜 、 金 相 显微 镜 、 扫描 电子 显微 镜
（ Ｓ Ｅ Ｍ） 、 显微硬度计 系统研 究 了不 同工艺参数对 Ｔ ｉ － ６ Ａ １ － ４ Ｖ合金 选 区激光熔化 成形样品的表面形貌 、 致 密度 、 组织 、 显微硬度的影响
激光器焊接工艺参数优化及其对焊接质量的影响分析
激光器焊接工艺参数优化及其对焊接质量的影响分析激光器焊接工艺是一种常用的焊接方法，具有高效、精确和稳定等优点，广泛应用于制造业中。
激光器焊接工艺的参数对焊接质量有着重要的影响，合理的参数选择能够提高焊接质量，提高生产效率。
本文将探讨激光器焊接工艺参数优化及其对焊接质量的影响。
激光器焊接工艺参数主要包括激光功率、激光束直径、焦距、激光脉冲频率、焊接速度等。
这些参数直接影响焊缝形成和焊接质量的稳定性。
在确定这些参数时，需要综合考虑焊接材料的性质、焊件的类型和大小、焊接要求等因素。
首先，激光功率是指激光器单位时间内发出的能量，决定了焊接过程中的热输入量。
功率过低会导致焊缝质量不良，功率过高则容易引起焊缝溶洞、熔皮等缺陷。
因此，选择合适的激光功率非常重要。
在确定激光功率时，可以通过试验和经验总结得到一些关于功率与焊缝质量之间的关系，以便更好地选择合适的功率。
其次，激光束直径和焦距决定了激光束在焊接过程中的热功率密度分布。
激光束直径和焦距的选择应根据焊件的材料和尺寸，以及所要求的焊缝形态进行优化。
通过调整激光束直径和焦距，可以控制焊缝的宽度、深度和形状，以满足不同工件的需求。
再次，激光脉冲频率是指激光器单位时间内发出的脉冲数量，也称为脉冲频率。
脉冲频率对焊接质量有重要影响，过低的脉冲频率容易造成焊接缺陷，而过高的脉冲频率则会增加焊接热输入，导致过烧、过烫等问题。
因此，需要选择适当的脉冲频率，以确保焊接质量。
最后，焊接速度是指焊缝在激光束照射下焊接过程中的移动速度。
焊接速度的选择需要考虑焊接材料的熔化温度和熔池形态、焊缝要求等因素。
过快的焊接速度容易导致焊缝不完整，过慢的焊接速度则容易产生焊缝凹陷和焊瘤等问题。
因此，需要根据具体情况选择适当的焊接速度。
总之，激光器焊接工艺参数优化对焊接质量具有重要的影响。
合理的参数选择可以提高焊接质量，降低焊接缺陷的产生。
在确定参数时，需要综合考虑焊接材料、焊件尺寸和形态、焊缝要求等因素，通过试验和经验总结，找到最佳的参数组合。
选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究
选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究一、本文概述随着增材制造技术的快速发展，选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）作为一种先进的金属增材制造技术，已经广泛应用于航空航天、医疗生物、汽车制造等领域。
由于其独特的逐层堆积成型方式，SLM技术在制造复杂结构和高性能金属部件方面具有显著优势。
然而，SLM过程中涉及的高温、快速冷却和复杂的热应力变化，往往导致成型件产生热裂纹、翘曲变形等缺陷，严重影响了部件的质量和性能。
因此，对SLM过程中的温度场和应力场进行深入研究，对于优化成型工艺、提高部件质量具有重要意义。
本文旨在通过数值模拟方法，研究选区激光熔化AlSi10Mg过程中的温度场和应力场变化规律。
我们将建立SLM过程的数学模型，包括激光与粉末材料的相互作用、粉末的熔化与凝固过程、热传导与热对流等物理现象。
然后，利用有限元分析软件，模拟不同工艺参数下AlSi10Mg材料的温度分布和应力分布。
通过分析模拟结果，我们可以深入了解SLM过程中温度场和应力场的演变规律，揭示影响成型质量的关键因素。
本文还将探讨如何通过优化工艺参数、改善热管理等方式，降低SLM过程中的热应力，减少成型缺陷，提高AlSi10Mg部件的质量和性能。
我们期望通过本研究，为SLM技术在AlSi10Mg等高性能金属材料的应用提供理论支持和实践指导。
二、文献综述随着增材制造技术的快速发展，选区激光熔化（Selective Laser Melting，简称SLM）作为其中的一种重要工艺，已经在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域展现出广泛的应用前景。
AlSi10Mg铝合金，作为一种轻质高强度的金属材料，在SLM工艺中备受关注。
然而，SLM过程中产生的温度场和应力场对零件的质量和性能具有重要影响。
因此，对AlSi10Mg在SLM过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究，对于优化工艺参数、提高零件质量具有重要意义。
熔融沉积成型工艺工艺参数主要包括分层厚度、光斑直径、加热温度等
熔融沉积成型工艺工艺参数主要包括分层厚度、光斑直径、加热温度等
熔融沉积成型工艺是一种制造铜、铝、镁、钛等金属材料的工艺。
它是一种利用熔融池进行喷涂的方式，将金属材料通过高速熔化，喷射到基体表面形成涂层的过程，熔融沉积成型工艺常用于表面涂层、修复、制造个性化工件等方面。
工艺参数主要包括分层厚度、光斑直径、加热温度等方面。
分层厚度是熔融沉积成型工艺中一个非常重要的参数，它决定了涂层的厚度和质量。
分层厚度大小一般在10-100微米之间，可以根据不同工件要求进行调整。
分层厚度不足时，涂层的热稳定性和机械性能较差；分层厚度过大时，涂层易于龟裂并且影响制品外观质量。
光斑直径是另一个非常关键的参数，它指的是喷射枪出口的焦点直径。
通常光斑直径大小控制在60-120微米之间，影响熔融沉积成型过程的喷射速度和能量。
光斑直径太小，喷射速度过慢，会降低涂层质量；光斑直径太大，则喷射能量过强，容易将基材烧坏。
加热温度是制品制造中最重要的参数之一，直接决定了涂层合金化程度，温度控制精度也对涂层合金化有重要影响。
通常加热温度在1500-2500℃之间，可以根据熔点、热导率、热膨胀系数和材料特性等要素进行调整。
加热温度太低，导致化学反应不充分，涂层中存在大量氧化、杂质等不良物质，影响涂层的力学性能；加热温度过高，则会烧毁涂层。
总之，熔融沉积成型工艺的工艺参数掌握非常重要。
分层厚度、光斑直径和加热温度等参数都需要根据制品特性和生产需要进行不同程度的调整，以制造出合适的产品，保证涂层质量达到最佳状态。
超高速激光熔覆工艺参数对熔覆层组织和性能的影响
超高速激光熔覆工艺参数对熔覆层组织和性能的影响,郑红彬X王淼辉2,葛学元2,王欣2(1.机械科学研究总院，北京100083$.北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，北京100083)摘要：超高速激光熔覆技术与传统激光熔覆有所不同，可大幅提高熔覆效率，制备无缺陷的均匀薄涂层。
为研究超高速激光熔覆主要工艺参数对熔覆层组织与性能的影响，采用超高速激光熔覆技术，分别 以不同激光功率、熔覆速度、熔覆道间距在9Cr2Mo钢基体表面制备M2高速钢涂层，对熔覆层微观组织及力学性能进行表征。
结果表明：熔覆层以细小等轴晶为主，晶间存在网状碳化物；熔覆层主要由crFe、2-Fe以及少部分的MC和M2C碳化物组成；随着激光功率的增大、熔覆速度的减小、熔覆道间距的减小，激光束对熔覆层输入的能量密度随之增大，熔覆层平均晶粒尺寸呈现增大趋势；改变超高速激光熔覆工艺参数，提高对熔覆层的输入能量密度，熔覆层的显微硬度也更加均匀，平均硬度明显提高。
关键词：激光技术；超高速激光熔覆；工艺参数；涂层；微观组织；显微硬度中图分类号:TG174.4文献标志码：AInfluence of Ultra-high-speed Laser Cladding Process Parameters on the Structure and Propertiesof the Cladding LayerZHENG Hongbin1,WANG Miaohui,GE Xueyuan2,WANG Xin2(1.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.,Ltd.,Beijing100083,China；2.Beijing National Innovation Institute of Lightweight Co.,Ltd.,Beijing100083,China)Abstract:Ultra-high-speed laser cladding technology was different from traditional laser cladding,which could greatly improve the cladding efficiency and prepare a uniform thin coating without defects.In order to study the influence of the mainprocessparameGersofulGra-high-speedlasercladdingonGhesGrucGureandperformanceofGhecladdinglayer ulGra-high-speedlasercladdingGechnology wasusedGoprepare M2high-speedsGeelcoaingonGhesurfaceof9Cr2MosGeelsubsGraGe wihdi f erenGlaserpower claddingspeed andcladdingchannelspacing.The microsGrucGureand mechanicalproperGiesof the cladding layer were represented.The results showed that the cladding layer was mainly composed of small equiaxed crystals andtherewerenetworkEarbidesbetweentheErystals.TheEladdinglayerwas mainlyEomposedof1-Fe2-Feanda sma l partofMCand M2CEarbides withtheinEreaseoflaserpower EladdingspeeddeEreased andEladdingEhannelspaE-ing also decreased,the energy density of laser beam input to the cladding layer would increase ,and the average grain size of thecladdinglayerincreased；changingtheultra-high-speedlasercladdingprocessparameterscouldincreasetheinputenergy densitytothecladdinglayer themicrohardnessofthecladdinglayerwasalso moreuniform andtheaveragehardnesswas significantlyimproved.Key words:laser technology ,ultra-high-speed laser cladding,process parameters,coating,microstructure ,microhard-激光熔覆是指将熔覆材料以不同方式添加到熔覆基体表面,并以激光束作为热源,将熔覆材料熔化凝固到基体表面制备与基体具有冶金结合的表面涂层，从而实现材料的表面改性以及产品的表面修复等的工艺方法%13&。
激光熔池温度场检测研究
激光熔池温度场检测研究随着制造业的发展和技术的不断进步，激光熔池焊接技术已经成为一种重要的制造方法。
然而，在激光熔池焊接过程中，温度场是一个非常关键的参数，对焊接质量和性能有着重要的影响。
因此，对激光熔池温度场进行准确的检测和控制，对于提高焊接质量和生产效率具有重要的意义。
1. 激光熔池温度场的影响因素在激光熔池焊接过程中，温度场的大小和分布受多种因素的影响，主要包括以下几个方面。
（1）激光功率：激光功率是影响熔池温度场的最主要因素之一。
激光功率越大，熔池温度越高，熔池大小也会跟着增加。
（2）焊接速度：焊接速度是指激光焊接头在工件表面移动的速度，它也是影响熔池温度场的重要因素之一。
当焊接速度较快时，熔池温度会降低，熔池大小也会减小。
（3）工件材料：工件材料的热导率和熔点也会对熔池温度场产生影响。
热导率越大的材料，熔池温度就越难以升高；而熔点越高的材料，熔池温度也会相应提高。
（4）气氛环境：在激光熔池焊接过程中，气氛环境也会对熔池温度场产生影响。
例如，在氧气气氛中焊接时，熔池温度会降低，这是由于氧气会与熔池中的金属产生反应，吸收了一部分热量。
2. 激光熔池温度场检测方法在激光熔池焊接过程中，准确测量熔池温度场是非常重要的。
目前，常用的检测方法主要包括以下几种。
（1）光学检测法：光学检测法是一种常用的非接触式测量方法，它通过测量熔池辐射的光谱来确定熔池温度。
这种方法可以实现较高的测量精度，但需要专门的检测设备和较为复杂的算法。
（2）热电偶检测法：热电偶检测法是一种接触式测量方法，它利用热电偶来测量熔池表面的温度。
这种方法简单易行，但对熔池表面的影响较大，容易引起测量误差。
（3）红外测温法：红外测温法是一种基于热辐射原理的非接触式测量方法，它通过测量熔池表面发出的红外辐射来确定熔池温度。
这种方法无需接触熔池表面，对熔池的影响较小，但精度相对较低。
3. 激光熔池温度场控制方法除了准确测量熔池温度场外，对熔池温度场进行控制也是非常重要的。
激光熔覆的温度
激光熔覆的温度引言激光熔覆是一种先进的表面处理技术，可用于增强材料的性能和改善其耐磨、耐腐蚀等特性。
激光熔覆的过程中，温度是一个关键参数，它直接影响着熔覆层的质量和性能。
本文将深入探讨激光熔覆的温度对熔覆层性能的影响，并介绍常用的温度控制方法。
激光熔覆的温度控制方法激光熔覆的温度控制方法多种多样，常见的有以下几种：1. 功率控制法激光熔覆过程中，激光束的功率直接影响着熔覆层的温度。
通过调整激光束的功率，可以控制熔覆层的温度。
一般来说，功率越高，温度越高，熔覆层的熔化程度也越大。
因此，功率控制法是一种常用的温度控制方法。
2. 扫描速度控制法扫描速度也是影响激光熔覆温度的重要参数。
通过调整扫描速度，可以控制激光照射时间和熔覆层的冷却速度，从而控制温度。
一般来说，扫描速度越快，激光照射时间越短，温度越低，熔覆层的冷却速度越快。
3. 辅助气体控制法在激光熔覆过程中，常常需要使用辅助气体来保护熔池和控制熔覆层的成分。
辅助气体的种类和流量也会对温度产生影响。
例如，氩气可以起到保护熔池和降低温度的作用，而氮气则可以增加熔池的温度。
激光熔覆温度的影响因素除了温度控制方法，激光熔覆温度还受到以下几个因素的影响：1. 材料的熔点不同材料的熔点不同，对应的激光熔覆温度也会有所差异。
在选择激光熔覆参数时，需要考虑材料的熔点，以确保能够达到合适的温度。
2. 熔覆层的厚度熔覆层的厚度也会对温度产生影响。
一般来说，较厚的熔覆层需要较高的温度，以确保材料能够充分熔化和熔合。
3. 激光束的直径激光束的直径对温度的分布有重要影响。
激光束直径越小，能量密度越大，温度也会相应增加。
因此，在激光熔覆过程中，需要考虑激光束的直径，以控制温度的分布。
4. 激光照射时间激光照射时间也是影响温度的关键因素。
照射时间越长，温度越高，熔覆层的熔化程度也越大。
因此，在激光熔覆过程中，需要合理控制激光照射时间，以达到所需的温度。
激光熔覆温度的影响激光熔覆的温度对熔覆层的性能有着重要影响。
激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌的影响及优化
激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌的影响及优化于天彪;宋博学;郗文超;马哲伦【摘要】应用IPG-500激光器对45号钢进行了激光熔覆,研究了工艺参数对熔覆层形貌的影响,采用极差分析找出影响熔覆层形貌的关键因素.在此基础上,提出采用灰色关联度分析不同参数组合下的熔覆层质量与理想的熔覆层质量之间的关联度,从而找出最佳的激光熔覆工艺参数组合.结果表明,激光功率与扫描速度是影响熔覆层形貌的主要因素,并且在激光功率为400 W,扫描速度为7 mm/s及送粉速率为0.7 r/min的条件下,所获得的熔覆层质量最优,为激光熔覆工艺参数的选择提供理论支持.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】6页(P537-542)【关键词】再制造;激光熔覆;极差分析;参数优化;灰色关联度【作者】于天彪;宋博学;郗文超;马哲伦【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TH17对废旧机械零部件进行再制造,能够实现巨大的经济与社会效益,是实现资源节约与可持续发展的重要手段之一[1-2].近年来,随着我国再制造产业的发展,逐步形成了包括再制造成形技术、拆解与清洗技术及检测与评估技术在内的再制造技术体系[3],有力推动了再制造技术的柔性化、智能化发展[4].激光熔覆作为一种高效的再制造成形技术,已经被应用于多种不同类型的废旧零部件的修复实践中[5-6].然而,激光熔覆所产生的的熔覆层质量与激光熔覆工艺参数的选取密切相关,针对不同材料的基体与金属粉材,恰当的激光熔覆工艺参数的选取是获得高质量熔覆层的关键.目前已有诸多学者从不同角度对激光熔覆参数进行了研究.朱刚贤等[7]研究了激光功率、扫描速率及送粉气流量对熔覆层表面平整度的影响;张庆茂等[8]从稀释率的角度出发,研究了稀释率与扫描速度和送粉速率之间的关系;Wang等[9]采用有限元建模分析熔池温度场的分布情况,并指出激光功率与扫描速度均对熔池温度场有较大影响;Fan等[10]对不同工艺参数下的熔覆层形貌、组织和性能等进行了研究,指出加入Mo2C可提高熔覆层硬度;Ansari[11]通过分析镍基合金粉末下的激光熔覆参数对熔覆层形貌的影响,提出利用回归模型对熔覆层形貌进行预测,并取得了良好的预测效果.在激光熔覆工艺参数优化方面,已经有诸多学者针对包括齿轮钢[12]、316 L不锈钢[13]等不同种类的基体材料与不同种类的合金粉末进行了研究.根据以上分析,目前研究大多集中于激光功率参数与熔覆层形貌特征及微观组织等之间的关系,以实验研究为主,尚缺乏基于统计学的激光功率参数优化选择的相关研究.本文在研究不同激光功率参数对熔覆层形貌影响的基础上,探究影响熔覆层质量的主要因素.在此基础上,提出采用灰色关联度分析研究不同实验参数的组合与理想的熔覆层质量之间的关系,进而找出适应于当前实验材料的最佳激光功率参数.1 灰色关联度分析激光熔覆形成的熔覆层质量由多个工艺参数共同决定,而不同工艺参数之间存在复杂的相互关系.因此,激光熔覆是信息不完备系统,属于灰色系统,应采用灰色关联度分析不同工艺参数下熔覆层质量与理想质量之间的不确定性.若激光熔覆实验结果包含n个评价指标,则第i个评价对象可描述为Xi={xi1,xi2,…,xij,…,xin},i=1,2,…,m.(1)式中,m为实验组数.同时定义理想实验指标为X0={x01,x02,…,x0n} .(2)通过式(3)与式(4)对由激光熔覆实验结果组成的决策矩阵进行标准化处理:(3)(4)其中,正向指标由式(3)进行标准化处理,负向指标由式(4)进行标准化处理.在激光熔覆系统中,熔宽属于正项指标,熔深与熔高属于负向指标.在指标标准化后计算各个指标与理想指标之间的差值:i=1,2,…,m;j=1,2,…,n .(5)因此可得两级最大差与两级最小差:(6)(7)则第i个实验组的各个指标的关联系数为(8)式中,ρ为分辨系数,一般在0～1之间,通常取0.5.可得第i组实验与理想指标的关联度:i=1,2,…,m .(9)因此,与理想指标关联度最大的实验组对应的实验参数为理想实验参数.2 实验设计本实验采用的粉末为铁基合金粉末,主要成分如表1所示.表1 铁基合金粉末主要成分(质量分数)Table 1 Main components of Fe-based alloy powder %CSiMnBCrNiMoNbFe0.071.100.400.2315.25.101.000.31余量在使用粉末之前,需对其进行至少24 h的干燥过程,从而降低粉末氧化产生的成分变化,并保证送粉过程中粉末不会黏着于送粉管内壁,从而影响送粉速率.实验所用的基材为45号钢,其主要成分如表2所示.表2 基体主要成分(质量分数)Table 2 Main components ofsubstrate %CSiMnPSCrNiCuFe0.460.300.550.030.021.000.250.26余量实验中钢板尺寸为110 mm×120 mm×10 mm.进行熔覆实验前,应先用砂纸将基板表面摩擦光滑,防止表面存在锈迹与杂质等对熔覆质量产生负面影响.实验使用IPG-500光纤激光器,激光头由一台库卡机器人进行控制.实验采用氩气作为运送粉末的送粉气及激光熔覆过程中的保护气,防止激光熔覆过程中熔池元素由于高温而产生的氧化作用.激光光斑直径固定为1.1 mm,离焦量为12 mm.本次实验设计了3因素4水平的单道激光熔覆正交试验,如图1所示,各因素水平如表3所示.图1 单道激光熔覆实验Fig.1 Single-track laser cladding experiment表3 各因素实验水平Table 3 Experiment levels of factors因素水平 1水平2水平3水平4激光功率/W350375400425扫描速率/(mm·s-1)5.566.57送粉速率/(r·min-1)0.60.70.80.9其中,由于本实验所采用的送粉器为转盘式送粉器,金属粉末由粉盘旋转送入管道,因此送粉速率由粉盘的旋转速度控制.实验完成后的基板如图2所示,每组实验均重复多次并取其均值.在进行后处理时,首先沿着熔道的横截面方向进行线切割,获得其熔道横截面;然后采用目数由小到大的砂纸对横截面进行摩擦,并对其进行镜面抛光处理;最后通过配制的盐酸-氯化铁腐蚀液对横截面进行腐蚀处理.获取熔道横截面的形貌后,通过显微镜获取熔道形貌的微观图像,并测量其熔宽、熔深及熔高.最终的实验结果如表4所示.图2 实验后的基板Fig.2 Substrate after laser cladding3 实验结果分析与优化3.1 极差分析通过极差分析可以得到影响熔覆层形貌的主要因素.若令Sij为i因素在j水平下的结果之和,则(10)式中:vij为i因素j水平的实验结果;m为水平数.令D为极差,则有(11)其中:Di为极差;n为因素数量.各因素的极差如表5所示.表4 实验结果Table 4 Experiment results组数激光功率W扫描速率mm·s-1送粉速率r·min-1熔宽μm熔深μm熔高μm13505.50.61005.00133.00341.2623506.00.71018.78126.28306.7433506.50.8880.06120.00264.7143507.00.9903.76115.01266.5153755.50.71085.0214 2.57362.2463756.00.61027.51136.37338.7773756.50.91005.17126.27271.28 83757.00.8954.35120.03282.6494005.50.81216.25151.74377.28104006.00.9 1076.25139.85355.69114006.50.61107.87121.29320.00124007.00.71076.25 118.21297.50134255.50.91177.54159.68410.03144256.00.81135.06146.524 03.80154256.50.71140.01133.27371.25164257.00.61122.73125.58333.77 由表5可知,熔宽主要受激光功率的影响,其次为扫描速率,而送粉速率对熔宽的影响较小.熔深主要由扫描速率决定,而激光功率对熔深也有一定影响,送粉速率对熔深的影响较小.熔高主要由激光功率与扫描速率所决定,而送粉速率对熔高影响较小.由正交实验可知,熔覆层形貌由不同的工艺参数共同决定,因此,在选取工艺参数时应综合考虑不同的工艺参数对熔覆层形貌所造成的不同影响.基于此,通过对影响熔覆层形貌较大的前两个工艺参数进行交互作用分析,以确定单一的工艺参数对熔覆层的影响.3.2 单因素分析1) 熔宽:对于熔宽,由表5可知其主要由激光功率与扫描速率所决定.由于激光功率是影响熔宽的主要因素,因此绘制在不同扫描速率下的激光功率趋势曲线,如图3所示.表5 极差分析Table 5 Range analysis水平熔宽/μm熔深/μm熔高/μm激光功率扫描速率送粉速率激光功率扫描速率送粉速率激光功率扫描速率送粉速率1951.91120.951065.79123.57146.75129.06294.81372.70333.4521018.01106 4.401080.02131.31137.26130.08313.73351.25334.4331119.161033.281046. 43132.77125.21134.57337.62306.81332.1141143.841014.271040.68141.261 19.71135.20379.71295.11325.88极差191.94106.6839.3417.6927.046.1484.9177.588.56由图3可知,在扫描速率一定的前提下,随着激光功率的增加,熔宽呈现增加的趋势.这是由于,随着激光功率的增加,主要影响两个方面：一是输入到基板的能量增加,导致熔池的面积增大,熔宽随着熔池面积的增加而增加;二是激光熔化的金属粉材的数量增加,导致参与形成熔覆层的材料增加,这同样会增加熔宽.2) 熔深:对于熔深而言,由表5可知其主要取决于激光功率与扫描速率.由于扫描速率是影响熔深的主要因素,因此,绘制在不同激光功率下的扫描速率趋势曲线，如图4所示.图4 扫描速率对熔深的影响Fig.4 Effect of scanning speed on cladding depth 由图4可知,在激光功率一定的前提下,随着扫描速率的提高,熔深逐渐减小.随着扫描速率的提高,激光能量在单位时间内在某一区域的停留时间逐渐降低,因此该区域吸收的激光能量同样随之降低,因此激光能量所能熔化的基板材料随之降低,造成熔深随之降低.较低的熔深有助于降低稀释率,从而提高熔覆层质量.3) 熔高:对于熔高,由表5可知激光功率与扫描速率对熔高均有较大影响.由于激光功率与扫描速率的影响相当,因此分别绘制二者的影响趋势曲线,如图5与图6所示. 图5 扫描速度对熔高的影响Fig.5 Effect of scanning speed on cladding height 由图5可知,在激光功率一定的前提下,熔高随着扫描速率的增加而减小.通过分析可知,由于提高了扫描速率,激光在基板熔道的某一位置的停留时间缩短,造成激光能够熔化的金属粉末数量降低,即参与形成熔覆层的粉末数量降低,造成熔高的下降.同理,如图6所示,在扫描速率一定的前提下,随着激光功率的提高,熔高随之增加.在激光光斑直径一定的条件下,增加激光功率即增加了单位能量密度,使激光能够熔化的金属粉末的数量增加,进而使参与形成熔覆层的粉末数量增加,最终提高了熔高.然而,过高的熔高不利于零件的成型.因此,结合激光功率对熔宽的影响,在保证一定大小的熔宽前提下,应找出适当的激光功率使熔覆层不至于过高.3.3 实验结果优化根据单因素分析结果,理想的熔覆层应在具有较大熔宽的同时,适当降低熔高与熔深,结合实际需求与先前对齿轮导轨等零部件的修复经验,确定所需熔覆层的宽度为1 120 μm,高度为300 μm,深度为120 μm.对表4中的实验数据所组成的决策矩阵按照式(3)与式(4)进行标准化处理,并由式(5)计算差值.由式(6)与式(7)可得两级最大差与两级最小差:Δmax=0.888 3 ,Δmin=0 .由式(8)计算出第i个实验组各个指标的关联系数,从而由式(9)得各个实验组的灰色关联度,如图7所示(ρ=0.5).图7 灰色关联度Fig.7 Grey relational degree由图7可知,第12实验组对应的激光熔覆工艺参数为最佳工艺参数组合,与理想工艺指标最为接近.第12组实验对应的熔道横截面如图8所示.图8 熔覆层形貌Fig.8 Morphology of cladding layer通过观察其熔覆层形貌可知,其熔宽达到了1 000 μm以上,有利于搭接以形成大面积的熔覆层,并且其熔高小于350 μm,有利于零件的成型工艺.因此,无论从实验的角度分析,还是理论计算,该工艺参数组合具备较高的实践性.4 结论1) 通过极差分析可知熔宽主要取决于激光功率,熔深主要取决于扫描速度,而熔高主要取决于激光功率与扫描速度的共同作用.通过单因素分析可知,熔宽随着激光功率的增加而增加,熔深随着扫描速度的增加而减小,而熔高随着激光功率的增加而增加,随着扫描速度的增加而降低.2) 通过对各个实验组进行灰色关联度分析,可知激光功率400 W,扫描速度7 mm/s,送粉速率0.7 r/min为最佳激光熔覆工艺参数组合.参考文献：【相关文献】[1] McMath I.Remanufacturing:sustaining industry in the 21st century[J].Engineering Technology,2005,8(2):18-20.[2] 徐滨士,李恩重,郑汉东,等.我国再制造产业及其发展战略[J].中国工程科学,2017,19(3):61-65. 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度为±0.5%，输入电压24 V（DC），电流输出0～20 mA，
测温仪的响应时间是10 ms，但是不会给整个结果的
信息和进一步分析带来影响。
测温方案主要有定点测量和实时跟踪测量两
种。定点测量是将探测头对准成形路径上的一点，
观察激光经过前后的温度变化情况；实时跟踪测量
是探测头定时测量采集成形路径上的工件熔池温
表3 不同激光功率的熔池温度方差和平均值
Tab.3 The variance and average of the molten pool'
金属零件的直接制造和修复领域具有广阔的发展 前景[2]。
在金属零件激光沉积成形过程中，不同的激光 工艺参数和扫描路径直接影响熔池温度和成形工 件温度场的变化，温度场及其变化与成形工件的残 余应力、组织结构、结合强度等有着非常密切的关 系，会直接影响到成形质量[3-7]；同时熔池温度的变 化对沉积速率、粉末粘附等方面产生影响，并影响
速度以及不同扫描路径对熔池区域温度和成形宽度、高度的影响规律。结果表明，随着激光功率和送粉速度的增大，熔池温度升
高，成形高度、宽度变大；随着扫描速度的增加，熔池温度下降，成形高度、宽度变小；扫描路径不同会产生不同的温度梯度，温度
梯度的不同会直接影响成形件高度；并从能量输入角度分析了熔池区域温度和成形宽度、高度的变化原因。为通过实时红外检
度，实现对熔池温度进行实时监测。本文测温试验
是对熔池区域温度的实时跟踪测量，即将测温探测
头对准熔池区域，工作台带动工件移动形成扫描路
径，形成扫描全过程温度跟踪测量。
2 激光金属沉积成形试验
２．１ 试验材料和方法
基体材料尺寸为50 mm×30 mm×5 mm的BT20
合金基板，用砂轮进行了表面打磨，除去氧化皮、油
0 引言பைடு நூலகம்
金属零件激光沉积成形技术利用高能激光束 局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料送 入熔池从而实现高性能复杂结构、致密金属零件的 直接成形制造[1]，通常也称为激光金属沉积成形技 术。该技术将激光熔覆技术和快速原形制造技术相 结合，具有成形零件复杂、加工材料范围广泛、能量 输入可控、柔性化程度高等独特优点，在复杂贵重
测熔池温度调控工艺参数和优选扫描路径来提高成形质量提供了指导依据。
关键词 激光沉积成形； 钛合金； 熔池温度； 工艺参数； 扫描路径
中图分类号：TN215
文献标识码：A
doi:10.3788/AL20133303.239
Effect of Process Parameters on Both Molten Pool Temperature and Layer Size During Metal Laser Deposition Shaping
到熔池形状变化，进而对成形尺寸精度和表面光洁 度等方面产生影响。因此，准确地揭示成形工艺、熔 池区域温度和成形质量状态三者之间的关系，可为 通过对成形过程熔池温度参量检测来反馈控制工 艺参数和优化扫描路径来提高成形质量和精度提 供指导依据。
由于金属零件激光沉积成形过程内部的热传 导过程错综复杂，成形工件内部的温度场变化规律 的相关研究常采用数值模拟分析为主要手段[8-11]。近 年来，非接触红外测温技术发展迅速，使熔化区域 的高温测量成为可能。非接触红外测温技术是根据 被测物体的热辐射，按照其亮度或辐射能量的大小， 间接推算被测物体的温度。非接触测量中测温元件 不与被测物接触,其传热惯性小，不会破坏被测物的 温度场和造成感温元件的耗损。将该方法与图像处 理技术相结合，能实现二维和三维温度场的快速实 时测量，将可全面、形象地反映出沉积成形过程中 温度场的变化规律，在快速成形温度场测量中得到 越来越多的应用[11-14]。本文将采用非接触红外测温 仪建立金属零件激光沉积成形过程熔池温度检测 系统，在此基础上研究激光功率、扫描速度、送粉速 度等工艺参数及扫描路径对成形过程熔池温度及 成形尺寸的影响规律。
Abstract The molten pool temperature of laser deposition shaping titanium alloy was measured by using infrared thermometer realtime tracking measurement method, the effect of process parameters and scanning path on both molten pool temperature and layer size during metal laser deposition forming was researched. The results show that, with the laser power and powder feeding rate increasing, the molten pool temperature,height and width of parts becomes larger;as the scanning speed increasing, the temperature of the molten pool decreases, height and width of parts becomes smaller.Forming height is directly affected by temperature gradient which is affected by different scanning routes; The change reason of both molten pool temperature and layer size was analyzed base on energy input. These results would provide the guidance for optimizing process parameters and scanning path base of the real-time infrared detection molten pool temperature to improve the forming quality. Key words laser deposition shaping； titanium alloy； molten pool temperature； process parameters； scanning path
具体扫描试验过程如下：首先将大小一样的11 组 小基板（每组有3 块基板,工艺参数一致条件下进行 温度和尺寸等测量，尺寸测量数据取3 块的平均值， 温度测量数据取3 块较稳定的一组值） 固定在工作 台上，每组取不同工艺参数，依次编号1～11，每个
沉积成形试验都先进行对光，即将红外测温仪对准
激光熔池区域；利用工作台的移动实现了非接触式
成形 宽度 ／ ｍｍ
扫描 方式
３．０ 单道多层
４．０ 单道多层
５．５ 单道多层
５．６ 单道多层
５．０ 单道多层
５．５ 单道多层
５．６ 单道多层
５．５ 单道多层
长边单向扫描
短边单向扫描
短边往复扫描
２．２．１ 激光功率对熔池温度及尺寸影响 图 2 为相同的扫描速度和送粉速度下，不同激
光功率与熔池温度的变化曲线图。通过计算所得激 光功率为1.0、1.6、2.2、2.8 kW时对应的熔池温度方差 和平均值见表3，熔池的平均温度值分别为1 552.798、 1 811.586、1 988.833、2 021.962 ℃，随着激光功率的 增大熔池的平均温度值逐渐增大，但是增大的幅度明 显减小。如表 3 所示，1.0 kW和 2.2 kW时温度方差较 小，熔池温度均较稳定，这是因为在成形过程是一种 叠层制造过程，会有热量累积效果，随着成形件热 量的累积，熔池温度逐渐升高，并在随后的过程中 成形件体积不断增大，产生的热量与散失的热量达 到热平衡，熔池温度基本保持稳定，所以单道多层 成形过程中熔池的温度的变化是一个由累积升高并 趋于稳定的过程。由温度方差与平均值结合分析， 2.2 kW时能够成形出较好质量的成形件，因为合金粉 末的熔点在1 688 ℃左右，1.0 kW平均温度为1 552.798 ℃ 较低，会造成粉末的熔合不完全。
６－ｍａｔｒｉｘ ７－ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ８－ｃｏｍｐｕｔｅｒ 图１ 非接触红外实时跟踪测量示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
红外测温仪测温范围在摄氏500～3 000 ℃，精
Ｂｉａｎ Ｈｏｎｇｙｏｕ， Ｗａｎｇ Ｔｉｎｇ， Ｗａｎｇ Ｗｅｉ， Ｙａｎｇ Ｇｕａｎｇ， Ｑｉｎ Ｌａｎｙｕｎ， Ｃｕｉ Ｂａｏｌｅｉ， Ｗａｎｇ Ｗｅｉ， Ｘｉａｎｇ Ｋｕｎ （Shenyang Aerospace University, Key Laboratory of Fundamental Science for National Defence of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang, Liaoning １１０１３６, China）
1 系统构建和测温方法
本文采用DIAS-DG40N红外测温仪建立了激光 金属沉积成形温度测量系统即非接触红外测温工 作系统，如图 1 所示。
１－激光头 ２－激光束 ３－熔池区域 ４－成形层 ５－测温探头 ６－基体 ７－２４ Ｖ变压器 ８－计算机
１－ｌａｓｅｒ ｈｅａｄ ２－ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ３－ｍｏｌｔｅｎ ｐｏｏｌ ａｒｅａ ４－ｓｈａｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ ５－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｂｅ
２．２ 工艺参数对熔池温度及尺寸的影响 激光金属沉积成形试验先进行不同工艺参数
的单道多层扫描试验，然后用优化的工艺参数进行 不同扫描路径的多道多层的成形试验；同时进行熔 池区域温度的实时跟踪测量和成形试样尺寸高度 和宽度检测。选取激光功率、扫描速度和送粉速度 这3 个可调可控并对成形精度和质量有重要影响的 工艺参数，并确定激光功率P 范围在1.0～2.8 kW， 扫描速度V范围是3～7 mm/s，送粉速度Vf范围为 0.6～1.4 g/min；成形层数为10 层、分层厚度h为0.3 mm， 扫描间距L为2 mm。表 2列出了单道多层、多道多层 沉积成形试验的工艺参数及成形尺寸 （高度均值H 和宽度均值W）。