摘要：研究了在其它工艺参数不变的条件下，扫描速度对CO2激光熔覆成形宏观形貌的影响。实验结果表明，随着扫描速度的增加熔覆层高度和宽度均减小，形状系数总体呈现出增长的趋势，但不是简单的对应关系。
关键词：CO2激光；扫描速度；激光熔覆成形；宏观形貌
1引言
随着CO2激光熔覆技术和快速成形技术的发展，结合两种技术的优势而产生的CO2激光熔覆成形技术因其制造柔性高和生产周期短等优点，受到了学术界和制造业的广泛关注[1-4]。CO2激光熔覆成形技术也称作激光直接制造法(Directlaserfabrication,DLF)，与传统的切削加工工艺相反，其不是通过去除材料，而是通过添加材料的工艺方式生成所需的材料和零件，如图1所示。
图1DLF技术与传统工艺制造思想的比较
(a)传统方法采取去除成形(b)DLF技术采用离散/叠加法成形
通过对DLF技术增材制造思想的分析，不难看出单道单层激光熔覆工艺是DLF技术的基础，单道单层激光熔覆工艺的好坏直接影响熔覆成形的质量，因此对单道单层激光熔覆工艺进行研究十分必要。本文研究了扫描速度对单道单层激光熔覆宏观形貌的影响。图2给出了单道单层激光熔覆层横截面几何形貌示意图[5]。图中A1是熔覆层，A2是稀释区，HAZ是热影响区。从图中可以看出反映熔覆层横截面尺寸特征的参数主要有：熔覆层宽度W、熔覆层高度H、基体熔化深度h和接触角θ等。
图2单道激光熔覆层几何形状示意图[5]
利用几何原理可以推出θ与H和W的函数关系式如下：
(4-1)
因此，扫描速度对截面形状和尺寸特点的影响可以采用W、H和形状系数η(W/H)三个形状参数随扫描速度的变化来描述。
2实验材料和方法
实验所用CO2激光熔覆成形系统是由吉林省激光研究所自行开发集成的先进制造系统，它主要由5kWCO2激光器，三轴联动激光加工数控机床和同轴送粉系统组成。
实验选择工业上应用广泛的Q235钢板为基体材料，所选基体材料板厚为5mm，用线切割加工成尺寸为90mm×50mm的矩形块，实验前用砂纸将表面氧化皮去除，用酒精擦拭干净。选取纯度分别为99.5%、99.3%和99.5%的Ni、Ti、C粉，烘干后经混料机制成Ni体积分数为90%的Ni、Ti、C混合粉末（Ti/C原子比为1）作为熔覆粉末。实验中粉嘴和基体的距离为8mm，光斑大小D为3.5mm×3.5mm，激光功率P为2200W，扫描速度V分别为200mm/min、250mm/min、300mm/min、350mm/min、400mm/min、450mm/min和500mm/min，载气量Rg为200L/h，送粉率Rp为5g/min，送粉载气及保护气体均为Ar气，制备的熔覆层长度为30mm。样品经线切割后制成金相试样，用扫描电镜和读数显微镜观察。
3实验结果和分析
图3所示为不同扫描速度V的单道熔覆层截面形貌。从图中可以看出其它工艺参数不变的条件下，V增加，H变化十分明显。这是由于V的增加，粉末有效利用率降低和单位时间内输入基体激光能量降低造成的。邓琦林等[6]和王华明等[7]分别在Ni基高温合金的成形和TiAl合金激光熔覆中发现了相似的规律。刘喜明和关振中[8]用有效送粉率和实际送粉率的概念解释了这一现象。
图3(a)-(g)不同扫描速度V的单道熔覆层截面形貌
(P=2200W，D=3.5mm×3.5mm，Rg=200L/h和Rp=5g/min)
(a)200mm/min(b)250mm/min(c)300mm/min(d)350mm/min(e)400mm/min
(f)450mm/min(g)500mm/min
图4为不同扫描速度V对形状参数的影响规律。从图中可以看出当V增加时H和W均减小，η总体呈现增长趋势，但当V大于350mm/min时η出现不规律变化。在其它参数不变的条件下，H和W随扫描速度V的增加均减小，这种现象可以解释为：一方面，当扫描速度的逐渐增加时，使得熔覆过程中对基体和粉末的加热时间缩短，即单位时间内输入的能量减少了，这就造成有效光斑的减小，熔池变窄，粉末利用率减小；另一方面，当扫描速度增加时，虽然送粉率没有改变，但单位长度的基体表面沉积的粉末量却减少了(即有效送粉率减少了)。在这两方面因素的综合作用下，使得熔覆层的W和H出现了均减小的状态。形状系数η总体呈现增长的趋势，揭示了在其它参数不变的条件下，随着扫描速度的增加，熔覆层高度减小的趋势大于熔覆层宽度减小的趋势，从图3中也可以明显的看出熔覆层的高度变化比熔覆层宽度的变化更为明显。
图4扫描速度V对形状参数的影响规律
(P=2200W，D=3.5mm×3.5mm，Rg=200L/h和Rp=5g/min
4结论
（1）在其它参数不变的条件下，随着扫描速度的增加熔覆层宽度W和高度H均呈逐渐减小趋势，形状系数η总体呈现为增长。
（2）形状系数η总体呈现增长的趋势，揭示了在其它参数不变的条件下，随着扫描速度的增加，熔覆层高度减小的趋势大于熔覆层宽度减小的趋势。
参考文献
[1] 关振中,激光加工工艺手册,中国计量出版社,1998(第一版),279-283.
[2] 邓琦林,胡德金,激光熔覆快速成型致密金属零件的试验研究,金属热处理,2003,28(2),33-38.
[3] 刘秀波,王华明,工艺参数对TiAl合金激光熔覆复合涂层的影响,激光技术,2006,30(1),67-69.
[4] 刘喜明,关振中,送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件极其影响因素,中国激光,1995,(26)5,470-476.
