45钢送丝激光熔覆成型基础工艺*

四库孙进

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640）

目前，激光熔覆主要用于表面改性、表面修复和零件制造［1－2］，航天领域研究较多［3－5］。从材料的输送方式来看其分为送粉（预先铺置和送粉器送粉）［1，6］、送丝［2，7－8］和粉丝同送［9］3 大类。近年来，研究者聚焦于送粉激光熔覆技术上。然而，该技术难以达到和传统制造相媲美的效率，且难以得到致密的金属组织。聚焦于送丝激光熔覆技术上的研究多涉及的是Ti合金［8］等功能合金，并未涉及普通钢材。本文旨在研究基于送丝技术的45钢激光熔覆成型技术及其各种参数对熔道质量和熔覆效率的影响。

表1 45钢化学成分

1 实验过程

1.1 实验装置

实验装置主要包括500 W的Nd:YAG激光器（1.06 μm）及光路传输系统、侧送送丝装置和数控台。数控台拥有4个自由度:x轴、y轴、z轴和送丝A轴。另外，该装置还包括冷却系统、摄像系统和气体保护系统。聚焦系统设定焦距为75 mm，聚焦光斑直径为0.3～0.6 mm，实验装置和送丝情况如图1所示。

1.2 实验材料

45钢经调质处理可获得良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，且可作模具修复材料。45钢具有良好的焊接性能，宜作为激光熔覆材料。本实验将把丝径为0.4 mm的45钢钢丝熔覆于厚度为3 mm的45钢基板上。45钢的化学成分见表1。

1.3 实验设置

光束能量沿扫描方向成正态分布，送丝方向选定为此方向，如图1所示。宽的光束可为丝材提供更大的振动容度，防止丝材偏出光束而熔化不充分，从而保证熔覆过程稳定进行。基于此拟定单熔道的长度为90 mm。实验将按照以下3大步进行:第一步，根据熔道表面质量确定送丝方向和角度;第二步，研究激光扫描速度、送丝速度和激光功率对熔道质量和熔覆效率的影响，以及熔道间的最佳搭接率;第三步，在前两步的基础上研究熔道的微观硬度和微观组织特性。

1.4 式样制备与表征

熔道完成后将其截断并抛光，用超景深测量容道宽度和高度，以此评价熔覆效率。用HV－1000型显微硬度仪测量微观硬度，光学显微镜观察熔道表面质量和缺陷。继而将抛光的试样用含氢弗酸2%硝酸5%的酒精溶液侵蚀，干燥后用4XC金相显微镜和扫描电镜观察微观组织。最后，综合评价熔覆效率和熔道质量，找出最佳工艺参数。

2 实验结果和分析

2.1 送丝方向和角度的确定

1.3中确定送丝方向平行于扫描方向。图2中a图和b图对比展示了前送和后送熔道质量情况，a图熔覆表面较之b图光滑，据此选定前送。后送熔覆过程中，丝材被送到熔池表面且远离熔池，熔化不充分，如此形成瘤块状断续的波纹熔道。前送熔覆过程中，丝材经预热被送进熔池，充分熔化后结晶凝固又经边缘低能光束回火可得到光滑的熔道。

前送方式下，设定激光输入电流I为300 A，扫描速度Vf为 300 mm/min，送丝速度Vc为 30 mm/min，送丝角度 α 分别为15°、45°、60°，实验获得的3条熔道如图3所示。送丝角度为15°时，丝材与熔池间的空间极小，其未经充分熔化就触碰到已凝固的熔道而折弯偏出熔道，熔道表面质量极差。送丝角度为45°时，丝材与光束的作用位置良好，可得到光滑的熔道。送丝角度为60°时，丝材与激光接触时间增长，熔道的波纹度加大，表面质量变差。根据以上结论选定送丝角度为 45°。

2.2 激光功率、扫描速度和送丝速度度对熔道的影响

图4为熔道截面草图，用作截面尺寸测量参照。设定扫描速度Vf为300 mm/min、送丝速度Vc为 30 mm/min，变换激光功率进行实验，熔道宽度和高度测量值如图5所示;设定激光器电流I为300 A，Vc为30 mm/min，变换扫描速度进行单道熔覆实验，熔道宽度和高度测量值如图6所示;设定激光器电流I为300 A，Vf为300 mm/min，变换送丝速度进行单道熔覆实验，熔道宽度和高度测量值如图7所示。

图5显示，随着激光功率增大熔道宽度增大、高度减小，由于受到扫描速度和送丝速度的限制总体堆积效率不变，但是该趋势有利于多道搭接以及多层熔覆。图6显示，随着扫描速度增大，熔道宽度和高度都减小，堆积效率降低。图7显示，随着送丝速度增大，熔道宽度和高度增大，堆积效率提高，但是送丝速度过大将造成熔化不充分现象。图8是上述情况的直观显示。

2.3 搭接率对熔覆层的影响

在选定送丝方向为前送，送丝角度α为45°，激光输入电流I为300 A，扫描速度Vf为300 mm/min，送丝速度Vc为30 mm/min的情况下进行搭接实验，搭接率分别为15%、20% 和30%，图9显示了其实验结果。当搭接率为15%时，熔道间明显凹陷;搭接率为30%时，熔道后道盖过前道，出现熔道逐渐抬高的现象;搭接率为20%时，搭接情况良好。另外，从熔道高度标准差也可看出搭接率为20%时搭接情况良好。

2.4 熔道的微观组织

图10显示了整个熔道截面区的柱状微观组织，晶粒生长方向从熔道中心向四周扩展，与传热方向一致。由c区和b区金相组织对比可得c区重熔区的晶粒度明显小于b区熔道区，这是c区热传导效率明显高于b区的缘故。由单道微观组织图和多道搭接处的微观组织图可知，熔道处无组织缺陷，送丝激光熔覆成型技术可得到致密的金属组织。

2.5 熔道的微观硬度

设定基体表面为基面，基面偏向熔道的方向为“+”，分别在熔道、重熔区和热影响区选定多点进行微观硬度测量，测量结果如图11所示。激光熔覆时重熔区和熔道属于快熔快凝过程，类似于淬火处理。由于不同区域的散热情况不同，其硬度值也不同。图11显示最高硬度值出现在重熔区。该区域热量向各个方向传导，较之熔道传热效率更高，晶粒度相对较细小，硬度值自然相对较高。而熔道中心由于散热较慢，晶粒度相对较大，硬度值最低。

3 结语

本文通过45钢钢丝的激光熔覆成型基础工艺研究，可得出以下结论:

45钢送丝法激光熔覆成型可得到致密无孔松的金属组织，光滑的金属表面。送丝最佳方向为前送，最佳角度为45°。最佳工艺参数搭配为激光输入电流300 A，扫描速度300 mm/min，送丝速度30 mm/min。熔道截面区生成柱状晶粒，其生长方向从熔道中心向四周扩展与传热方向一致。微观硬度值由重熔区向上下两端递减，其中熔道中心硬度值最低。

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