激光同軸送粉增材制造工藝 調(diào)控研究

孫軍浩 龐小通 朱彥彥 李鑄國

摘要：基于激光同軸送粉沉積技術(shù)，對316L不銹鋼增材制造構(gòu)件的成形控制進行研究。分析了打印平面位置及層高對接頭尺寸的影響，建立了接頭尺寸和工藝參數(shù)之間的回歸關(guān)系模型。結(jié)果表明，當(dāng)打印平面處于激光焦點所在的平面時，打印平面隨實際層高的波動會發(fā)生自動反饋調(diào)節(jié)的過程;實際層高隨設(shè)定層高進行自動調(diào)節(jié)，直到實際層高和設(shè)定層高基本保持一致，不同粉末沉積率下存在最佳的層高設(shè)定值;得到接頭尺寸和工藝參數(shù)之間的回歸模型，并優(yōu)化工藝制備出成形較好的單壁和實體增材構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：激光同軸送粉;增材制造;工藝調(diào)控;回歸模型;構(gòu)件成形

中圖分類號：TG665? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0256-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.29

0? ? 前言

激光增材制造技術(shù)（3D打印）是一種兼顧精準(zhǔn)成形和高性能成性一體化需求的先進制造技術(shù)。聚焦激光束高的能量密度加上小尺寸熔池和大體積已沉積材料之間的無界面導(dǎo)熱，可以獲得超高溫度梯度和冷卻速度，使得制備的材料顯微組織均勻細小，有助于減少傳統(tǒng)制備工藝中不可避免的成分偏析和組織粗大等問題，并顯著提升合金的力學(xué)性能，且增材過程中無模具加工，不受合金體系及工件形狀的制約[1-2]。在激光增材技術(shù)中，以同軸送粉為主要特征的激光熔化沉積技術(shù)具有較高的沉積效率，適用于大尺寸構(gòu)件的增材制造，受到廣泛關(guān)注[3]。

使用激光同軸送粉進行增材時，工藝參數(shù)及增材過程的調(diào)控對于獲得高質(zhì)量的增材構(gòu)件非常重要。楊義成等[4]研究了激光送粉增材制造過程中光粉的交互作用，發(fā)現(xiàn)通過控制激光能量密度，可以有效地調(diào)控粉末顆粒受激光輻射的作用程度，從而有助于改善熔池的狀態(tài)及整體成形。Cheikh等[5-6]提取了不同工藝條件下激光同軸送粉單層接頭的尺寸及形貌特征，并對其簡化得到相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，利用該模型預(yù)測不同條件下的層道尺寸，可以對增材工藝進行指導(dǎo)。Andrew[7]通過有限元分析建立了激光同軸送粉增材過程中熔池形貌及層道的模型，用來分析不同條件下的層道尺寸。

文中基于激光同軸送粉沉積技術(shù)，對316L不銹鋼增材制造構(gòu)件的成形控制進行研究，分析打印平面位置和層高設(shè)定值對接頭尺寸的影響，建立接頭尺寸和工藝參數(shù)之間的回歸關(guān)系模型，為激光同軸送粉增材構(gòu)件的精確成形提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 試驗部分

試驗采用激光同軸送粉工藝對316L不銹鋼進行增材制造，如圖1所示。圖1a為增材制造設(shè)備，使用光纖將二極管激光器（Laserline 800718）產(chǎn)生的激光引到送粉頭上部，并將激光頭和送粉頭固定在CNC機床上，通過路徑規(guī)劃軟件對增材構(gòu)件進行工藝參數(shù)的設(shè)置以及路徑的規(guī)劃。圖1b為送粉頭的局部放大圖，粉末通過4個小孔匯聚到激光束所在直線上，通過調(diào)節(jié)送粉器吹粉氣流量以及轉(zhuǎn)盤速度對粉末的速率進行控制。316L不銹鋼粉末的顆粒度為53～150 μm，采用尺寸為150 mm×150 mm×30 mm的316L不銹鋼作為基材。試驗過程中，主要通過控制打印平面位置、設(shè)定層高值、激光功率P（700～1 500 W）、掃描速度R（400～1 400 mm/min）、送粉氣流G（8～15 L/min）和轉(zhuǎn)盤速度R（8～18 r/min）進行1、2、6、12、20、100層等不同層數(shù)單壁墻的制備。此外，在優(yōu)化的工藝下完成單壁構(gòu)件和實體構(gòu)件的增材制備。

采用線切割制備316L單壁墻的金相試樣，經(jīng)過打磨及拋光后，采用王水對金相試樣進行腐蝕，用金相顯微鏡進一步觀察分析試樣。單層及多層接頭形貌如圖2所示，主要對不同接頭的高度H、寬度W及粉末沉積面積S進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印平面位置對構(gòu)件成形的影響

在使用激光同軸送粉進行增材的過程中，不合理的打印平面位置會造成構(gòu)件存在較大偏差，甚至導(dǎo)致構(gòu)件的打印失敗，因此打印平面位置的選擇對構(gòu)件的成形和精度至關(guān)重要。接頭尺寸隨打印平面高度的變化趨勢如圖3所示。圖3a為G=15 L/min、R=18 r/min所對應(yīng)的空間分布，激光焦平面和粉末焦平面距離送粉頭下平面高度分別為17.5 mm、19.5 mm，激光焦點附近光斑直徑為1.8 mm。圖3b～3d為距離激光焦平面不同高度進行增材時所對應(yīng)接頭的H、S、W，其中，激光功率為1 000 W，激光掃描速度為400～

1 000 mm/min。

如圖3b～3c所示，接頭的高度H及橫截面積S

呈拋物線的變化趨勢，在距離激光焦點平面下方1～3 mm范圍內(nèi)，即粉末焦點附近，粉末分布集中，且此處靠近激光焦點，可以實現(xiàn)較高的沉積效率，此時接頭的高度和橫截面積相對較大;隨著遠離粉末焦點平面，粉末分布變得發(fā)散，沉積效率逐漸降低，因此接頭的高度和橫截面積逐漸下降;進一步遠離粉末焦點平面，粉末分布和光束同時分散，接頭的高度和橫截面積出現(xiàn)明顯下降。不同速度下H 和S 的變化趨勢一致，只是速度為400 mm/min時變化更加明顯。圖3d為距離激光焦點不同距離時接頭寬度W 的變化趨勢，當(dāng)距離激光焦點平面-3～3 mm范圍內(nèi)，W 總在定值周圍進行波動，只是速度越慢，該值越大;進一步遠離激光焦點平面，W 會明顯下降。

根據(jù)上述結(jié)果，選擇激光焦點所在平面作為打印平面，此位置距離送粉頭下平面高度為17.5 mm，焦點所在的位置可以保證粉末有較大的熔化效率，得到較大的單層接頭高度和寬度。另外由圖3b、3c可知，此位置打印平面會隨單層接頭高度呈現(xiàn)自動的反饋調(diào)節(jié)過程：如果單層接頭高度低于設(shè)定的層高值，則打印平面位置會向正方向偏移，熔化效率提升，單層接頭高度增加，打印平面位置會回到激光焦平面;如果單層接頭高度大于設(shè)定的層高值，則打印平面位置會向負方向偏移，熔化效率降低，單層接頭高度減小，打印平面位置會回到焦點平面。反饋調(diào)節(jié)有助于增材過程順利進行。

2.2 層高設(shè)定值對構(gòu)件成形的影響

使用激光同軸送粉進行增材時，層高的設(shè)定對構(gòu)件成形具有重要的影響，不合理的層高設(shè)定值會導(dǎo)致構(gòu)件尺寸偏差較大或打印的失敗。設(shè)定層高為0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm時所對應(yīng)的構(gòu)件整體高度、實際值與理論值偏差He、實際平均層高如圖4所示，其中P=1 000 W、G=15 L/min、R=18 r/min、v=600～1 200 mm/min。

圖4a為速度600 mm/min時的接頭情況。構(gòu)件整體高度隨層數(shù)的增加呈直線增加，且設(shè)定層高值越大，構(gòu)件整體高度越大。對不同層高設(shè)定值下構(gòu)件實際高度和理論高度間的偏差分析發(fā)現(xiàn)，在前20層，偏差值隨著層數(shù)的增加而明顯增加;隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，偏差值的上升變得緩慢，最后趨于一個穩(wěn)定值。對不同層數(shù)下構(gòu)件的平均層高進行分析發(fā)現(xiàn)，層數(shù)越低，實際層高和設(shè)定層高值偏差越大;隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，實際層高和設(shè)定層高偏差降低，最后實際層高和設(shè)定層高基本保持一致。根據(jù)試驗結(jié)果分析，在速度600 mm/min進行增材時，對于三種層高設(shè)定值來說，由于初始時實際層高值均遠大于設(shè)定層高，所以打印平面會偏離激光焦點平面而上移，這使得粉末的沉積效率降低，實際層高下降，當(dāng)打印面上移的位置保證實際層高和設(shè)定層高相一致后，打印平面不再變動，實際層高也保持穩(wěn)定。因此，構(gòu)件尺寸的偏差也會隨打印平面的調(diào)節(jié)而逐漸累積，直到打印平面不再變動后保持恒定。

隨著打印速度的增加，實際層高降低，打印平面的上移調(diào)節(jié)距離隨之降低，構(gòu)件整體尺寸偏差也會下降。如圖4b所示，速度為800 mm/min時，經(jīng)過打印平面位置的自動的反饋調(diào)節(jié)，對于三種層高設(shè)定值來說，實際層高和設(shè)定層高最終均基本保持一致。但當(dāng)設(shè)定層高為0.2 mm和0.25 mm時，100層后的構(gòu)件整體尺寸偏差較大;而層高設(shè)定為0.3 mm時，構(gòu)件整體尺寸偏差僅為0.5 mm，說明在該速度以及激光功率、送粉速率下，層高設(shè)定0.3 mm較為合理。

隨著打印速度的進一步提升，實際層高可能會低于設(shè)定層高，使得打印平面向激光焦點平面下方移動而提升實際層高。根據(jù)圖3b分析可知，如果打印平面向下調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)（約3 mm），實際層高和設(shè)定層高不匹配，就會使打印平面一直向下移動從而導(dǎo)致打印失敗。如圖4c所示，在速度為1 000 mm/min時，當(dāng)設(shè)定層高值為0.25 mm時，構(gòu)件整體尺寸偏差為0.2 mm，此層高設(shè)定比較合理;而當(dāng)設(shè)定層高值為0.3 mm時，構(gòu)件整體尺寸偏差為-3 mm，導(dǎo)致打印失敗。進一步提升速度至1 200 mm/min時，層高設(shè)定為0.2 mm比較合理，設(shè)定為0.25 mm和0.3 mm均會導(dǎo)致打印的失敗。因此，和其他工藝參數(shù)相匹配的層高選擇對增材構(gòu)件的成形非常重要。

2.3 接頭尺寸的回歸分析

使用激光同軸送粉進行增材時，激光功率、掃描速度、送粉速率等工藝參數(shù)也會對接頭的尺寸產(chǎn)生重要影響。下面根據(jù)多組不同參數(shù)下接頭的尺寸，對其進行回歸分析，其中打印平面位于激光焦平面。

在進行激光送粉沉積時，接頭尺寸Y （H、W、S ）和激光功率P、掃描速度V、粉末速率（送粉氣流P 和轉(zhuǎn)盤速度R ）之間存在如 式（1）所示關(guān)系[8]：

Y=CPKVLGMRn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中 C為常數(shù)。

對式（1）兩端分別取對數(shù)，可以得到：

lnY =lnC+klnP+LlnV+MlnG+nlnR? ? ? ?（2）

基于式（2）對接頭尺寸和工藝參數(shù)進行回歸分析，可得：

H=0.036 5P0.87V-1.16G0.3R1.19? ? ? ? ? ? ? （3）

W=0.207 6P0.63V-0.32G-0.14R0.14? ? ? ? ? ?（4）

S=0.018 6P1.42V-1.5G-0.06R1.25? ? ? ? ? ? ?（5）

根據(jù)式（3）～式（5），得到接頭的高度、寬度及上部面積和工藝參數(shù)之間的關(guān)系，回歸方程的置信度均在90%以上，且通過試驗驗證，模型可以較好地對接頭尺寸進行預(yù)測。

2.4 增材構(gòu)件的激光同軸送粉制備

基于上述接頭尺寸和相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系分析，可以制定匹配度較好的工藝規(guī)范，并結(jié)合路徑規(guī)劃軟件，完成構(gòu)件的增材制造。增材制備的兩個構(gòu)件如圖5所示，圖5a為單壁件，在速率為600 mm/min下制備，圖5b為實體件，在速率為1 000 mm/min下制備。兩種速度下，選擇合適的其他工藝參數(shù)，增材過程都比較穩(wěn)定，制備的構(gòu)件尺寸誤差小，表面平整，無裂紋產(chǎn)生。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)打印平面和激光焦點所在平面相一致，且位于粉末焦點所在平面之上時，打印平面所處位置會隨著實際層高的波動而發(fā)生自動反饋調(diào)節(jié)的過程，保障增材過程的順利進行。

（2）層高的設(shè)定值對構(gòu)件的成形和尺寸精度產(chǎn)生重大影響。在前20層，實際層高和設(shè)定層高差異較大，隨著層數(shù)的增加，打印平面在不斷地進行反饋調(diào)節(jié)，直到最終實際層高與設(shè)定層高基本保持一致。當(dāng)粉末的沉積率較高，層高設(shè)定值越大，最終構(gòu)件尺寸精度越小;隨粉末的沉積率降低，所需層高設(shè)定值減小;當(dāng)設(shè)定層高值超過實際層高值時，會造成構(gòu)件增材制備的失敗。

（3）基于回歸分析得到接頭尺寸和相關(guān)工藝參數(shù)之間的關(guān)系，從而獲得與接頭尺寸匹配度較好的工藝參數(shù)，并最終制備出成形較好的單壁及實體構(gòu)件。

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Research on the control of laser coaxial powder feeding additive

manufacturing process

SUN Junhao， PANG Xiaotong， ZHU Yanyan， LI Zhuguo

（Laser manufacturing laboratory， Institute of welding engineering， School of materials science and engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： Based on laser coaxial powder feeding deposition technology， the forming control of 316L stainless steel additive manufacturing components was studied. The influence of printing plane position on joint size and layer height on joint size is analyzed， and regression relationship model between joint size and process parameters is established. The results show that when the printing plane is on the plane where the laser focus is， the fluctuation of the printing plane with the actual layer height will occur an automatic feedback adjustment process; the actual layer height will be automatically adjusted with the set layer height until the actual layer height and the set layer height are basically consistent， and there is an optimal layer height setting value under different powder deposition rates; the return between joint size and process parameters is obtained. The single wall and solid additive components with good shape were prepared by optimizing the process.

Key words： coaxial laser powder feeding; additive manufacturing; process control; regression model; component forming