1 引言

激光直接制造技術(shù)DLF (Direct Laser Fabrication)是20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，它將快速成型技術(shù)與激光熔覆技術(shù)結(jié)合在一起，卞要力一法分為:同軸送粉與選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)。

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，DLF技術(shù)采用的激光器也不同，卞要種類有C 02激光器,Nd:YAG激光器和半導(dǎo)體激光器，CO2激光器發(fā)展較早，目前研究較多。對于Nd:YAG激光器快速成型的研究，目前相對而言還較少。本文利用ROFIN 1.1kW Nd:YAG激光器和同軸送粉力一式，進(jìn)行了金屬零件快速成型工藝實(shí)驗(yàn)研究。論述了激光功率、掃描速度、送粉量以及Z軸增量對成型質(zhì)量和形貌的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光直接制造系統(tǒng)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)按功能可以劃分為四個部分:能量供給模塊、CNC工作臺、粉末供給模塊和指令輸出模塊。其中，能量供給模塊由一臺Nd:YAG激光器及其輔助設(shè)施(水冷機(jī)、光路、聚焦鏡、冷卻水路等)組成;CNC工作臺由-套CNC控制單元和一臺3軸加工機(jī)床組成;粉末供給模塊則由送粉器、同軸送粉噴嘴和粉末回收裝置組成。指令輸出模塊為一臺PC機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為自熔性合金Ni45粉末，采用不同的工藝參數(shù)組合，在10mm厚Q235鋼板上進(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)。研究了主要工藝參數(shù)對熔覆層少I貌的影響。實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)見表1所示。實(shí)驗(yàn)前，N i45粉末經(jīng)烘干去除水氣處理，所有A3鋼板經(jīng)過丙酮清洗井烘干以去除油脂和污漬。實(shí)驗(yàn)后，將低碳鋼板沿垂直于熔覆道方向剖開，制成金相試樣，再用顯微鏡對熔覆層剖面形狀進(jìn)行測量與分析。最后利用一定的功率參數(shù)進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證最佳工藝參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 激光功率對熔覆層形貌的影響

如圖2所示為不同功率參數(shù)下激光熔覆層形貌。其中激光掃描速度為800mm/min送粉量4.2g/min，送氣量6Lmin-1。從圖中可以看出，激光功率的變化不僅影響熔覆層的寬度與高度，而且對熔覆層表而精度的影響也十分明顯，當(dāng)功率大于400時，重熔時間增加，明顯存在過燃燒現(xiàn)象，形貌較差，圖中最好的激光成型功率為200W 。

圖2 不同功率參數(shù)下激光熔覆層形貌

4.2 激光功率、掃描速度對單道熔覆的高度和寬度的影響

在激光功率、送粉量與送氣量恒定的情況下，掃描速度和熔覆的高度和寬度的關(guān)系如圖3,圖4所示。當(dāng)速度較小時(小于1400mm/min)激光能量密度可以熔化較多的金屬粉末，故單道熔覆的高度與寬度較大;在一定的速度范圍內(nèi)(1400/1600mm/min)，單位時間內(nèi)激光所能熔化的金屬粉末與送粉量大致相當(dāng)，故單道熔覆的高度與寬度變化不明顯;當(dāng)掃描速度再繼續(xù)增加時，激光能量密度下降，激光熔池尺寸減小，因此單道熔覆的高度與寬度減小。

4.3 送粉量對成型高度和寬度的影響

送粉量與成型高度、寬度的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)送粉量在-定范圍內(nèi)時，在激光功率足夠大的情況下，送粉量的增加導(dǎo)致熔化金屬粉末的增加，從而增大熔池的尺寸，在最終的凝固過程中，成型高度和寬度都會相應(yīng)增加。但當(dāng)送粉量超過激光功率所能熔化的最大金屬粉末量時，增加的金屬粉末不能得到熔化而成型，不會增加成型的高度與寬度，相反會造成更多的金屬粉末在高溫下粘結(jié)在成型零件的表而，影響成型精度和后續(xù)的制造。

4.4 Z軸增量與自山成型高度的關(guān)系

在研究的激光快速成型實(shí)驗(yàn)中，由于采用的是開環(huán)控制，也就是自由成型。所以成型高度與Z軸增量有很大的關(guān)系。因?yàn)閆軸增量決定了送粉噴嘴與制造工件的垂直距離，其大小直接影響到激光光斑的大小，從血影響激光能量密度的大小。在進(jìn)行多層熔覆時，實(shí)際每層的熔覆高度小于單道熔覆高度，如果Z軸增量等于實(shí)際的每層熔覆層的高度，送粉噴嘴和制造工件間就可以保持恒定的距離，從}的保證了光斑大小不變，即保證了激光能量密度不變，此時的Z軸增量為最仕值。

在激光功率、掃描速度、送粉量保持不變的情況下，單道熔覆參數(shù)為:功率200w ,掃描速度1100mm/min、送粉量4.2g/min,送氣量6L/min，在此參數(shù)下的單道熔覆高度為0.06mm，在不同的Z車由增量下，掃描100層，測量其最終成型高度。多層熔覆高度與Z軸增量的關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)Z軸增量為0.04mm時，成型高度為4.1，它與目標(biāo)成型高度的誤差最小，當(dāng)Z軸增量超過0.16時，根本無法形成薄壁形狀。

4.5 成型實(shí)例

在前而的工藝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找出每一功率條件下的掃描速度、Z軸增量、送粉量的最佳組合，進(jìn)行零件的成型實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

5小結(jié)

功率、掃描速度、光斑直徑、送粉量、Z軸增量是影響成型質(zhì)量與精度的重要工藝參數(shù)。

(1)當(dāng)激光功率增大、送粉量增加時，成型高度與寬度增加，當(dāng)功率一定，送粉量達(dá)到一定程度時，高度和寬度的增加就不明顯了;
(2)當(dāng)掃描速度增加時，成型高度與寬度下降;
(3)在進(jìn)行多層熔覆時，當(dāng)Z軸增量等十實(shí)際的每層熔覆層的高度時，是最佳值。