半导体大光斑激光粉末熔敷成形特征

杨文婷，石 玗，黄健康，顾玉芬

（兰州理工大学省部共建有色金属先进材料加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050）

半导体大光斑激光粉末熔敷成形特征

杨文婷，石 玗，黄健康，顾玉芬

（兰州理工大学省部共建有色金属先进材料加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050）

半导体大光斑激光具有光电转化率高、功率密度高等优点，是用于表面熔覆的理想热源。为了研究半导体大光斑激光作用下合金粉末的熔化及铺展成形特点，在Q235钢基体表面进行Fe35合金粉末工艺试验。对比半导体大光斑与小焦点CO2激光的熔覆效率及成形特点；分析预置粉末厚度变化对大光斑激光熔敷层表面形貌、稀释率、铺展性的影响和体能量密度变化对接触角大小的影响。结果表明，与小焦点CO2激光相比，大光斑激光具有更高的熔覆效率、成形系数；随着预置粉末厚度的增加，熔覆层宽度逐渐增加，熔深先增加后减小；稀释率逐渐减小；接触角的大小随体能量密度的增加而增大。

表面熔覆；半导体大光斑激光；体能量密度

0 前言

工程应用中许多重要工程材料件的腐蚀和磨损大多从材料表面开始，因此增加工程材料表面耐磨及耐蚀性能具有重要的工程实用价值和意义。

表面熔覆是一种新型的表面改性技术，既能充分发挥基体材料的强韧性优势，又能使基体表面获得极高的耐磨耐蚀性，应用越来越广泛。现有的熔覆方法主要有钨极氩弧熔覆、等离子熔覆、激光表面熔覆等，其中激光熔覆技术由于具有对基体的热影响小、熔覆层稀释率低且热变形小等优点，近年来成为国内研究的热点[1-3]。传统的CO2、YAG激光存在设备体积大、光斑面积小、熔覆效率低、成本高等缺点，只能用于一些精密设备的表面改性，限制了实际生产的应用。近年来，半导体激光得到了长足的发展，由于其具有聚焦光斑面积大、波长短易被金属材料吸收、温度梯度小、设备体积小等优点，特别适合作为表面熔覆热源[4-6]。

半导体激光与传统小光斑激光的热源特性明显不同，熔覆时粉末熔化及成形过程对熔覆质量有显著影响，因此有必要深入研究大光斑作用下的成

形特征，为工艺优化提供依据。本研究采用矩形大光斑半导体激光在Q235钢基体表面进行铁基合金粉末表面熔覆实验。首先对比半导体大光斑与小焦点CO2激光的表面熔覆，研究熔覆过程中粉末浸润铺展过程；通过改变预置粉末厚度分析粉末厚度变化对熔覆层形貌、稀释率、接触角及铺展性的影响。

1 试验设备

采用两套激光器，所用半导体大光斑激光为直接输出式激光，最大输出功率3 kW，输出激光的模式接近基膜，光斑形式为44 mm的矩形光斑；所用的小焦点激光为高频横流CO2激光器，最大输出功率10 kW、光斑半径为11 mm的圆形光斑；两套激光器的工作台如图1所示。大光斑激光与小焦点激光的参数如表1所示。

图1 激光工作台实物

表1 半导体激光器与CO2激光器参数

2 工艺实验

试验基体选用200 mm×100 mm×12 mm的Q235钢板。采用预置粉末法，金属粉末选用Fe35自熔性合金粉末，粉末成分如表2所示。

表2 Fe35自熔性粉末配比成分％

为了研究大光斑激光与小焦点激光在表面熔覆中的不同，在粉末厚度为1mm的基体上进行变功率实验，功率在800～1 600 W之间连续变化。为了研究半导体大光斑激光成形特征，进行变粉末厚度工艺试验，保持激光功率1 200 W、焊接速度1.5 mm/s不变，粉末厚度在1～3 mm之间变化。

3 试验结果和分析

3.1 小光斑激光与大光斑激光表面熔覆分析

分别采用CO2小焦点激光和半导体大光斑激光在预置粉末厚度为1 mm的Q235表面进行了变功率激光熔覆试验。对焊缝进行抛样，计算焊缝的稀释率和成形系数。

稀释率为

成形系数为

式中Sf为熔敷层的厚度；Sj为基体熔化深度。

激光熔敷层特征示意如图2所示，α为接触角，B为熔宽。

图2 激光熔敷层特征示意

通过对比图3、图4可知，CO2小焦点激光的稀释率（大于0.3）明显大于大光斑激光的稀释率（小于0.3），而成形系数明显小于大光斑激光成形系数。这是由于小焦点激光的能量集中、透过粉末用于熔化基体的能量更多；大光斑激光光斑面积大，能量分布均匀，使得用于熔化金属粉末的能量更多，而透

过粉末用于熔化基体的能量更少。因此，在功率相同的情况下，大光斑激光的熔覆率更高。成形系数反映了熔覆层的润湿铺展性，大光斑激光的成形系数更大，表明大光斑激光的熔覆层润湿铺展性更好，更有利于表面熔覆。由图5可知，大光斑激光得到焊缝熔深浅、熔宽宽，熔覆效果更好。

图3 小焦点激光稀释率与成形系数

图4 大光斑激光稀释率与成形系数

图5 不同激光下熔覆道形貌

综上所述，与小焦点激光相比，大光斑激光的熔覆率更高，熔覆层的润湿铺展性更好。

3.2 大光斑激光浸润铺展结果分析

3.2.1 粉末层厚度对熔覆层成形的影响

在Q235基体表面进行变粉末厚度工艺实验，不同粉末厚度得到的焊缝表面形貌及熔深截面如图6所示。

图6 不同厚度下的焊缝及熔深形貌

由图6可知，在粉末厚度较薄时（1 mm），熔覆层表面出现了规则的鱼鳞状波纹，且随着粉末厚度增加，鱼鳞纹逐渐消失。这是由于在粉末厚度较薄时，激光形成的熔池具有较强的流动性，造成熔池后缘液面凸起，在快速冷凝过程中被“冻结”，形成波纹。随粉末厚度的增加，熔池的流动性逐渐降低，鱼鳞纹波纹逐渐消减，熔覆表面逐渐光顺。

为研究粉末厚度变化对熔覆层表面润湿铺展性的影响，采用余高-熔宽比来表征熔覆层的表面润湿铺展性，并与熔宽一起衡量熔覆层成形情况。

在激光功率不变的情况下，单道熔覆层成形随粉末厚度变化趋势如图7所示。图7a表明随着粉末厚度的增加，熔覆层宽度逐渐增加；这是由于粉末厚

度是决定进入熔池粉末量的主要因素，厚度增加使得进入熔池中粉末量也增加，从而引起熔宽增加；由图7b可知，随着粉末厚度的增加，余高熔宽比逐渐增大，这表明熔覆层的铺展性随着粉末厚度的增加逐渐变差。这是由于在进行激光表面熔覆时，激光的热源首先作用于熔覆粉末表面使金属粉末熔化，同时少量的能量通过熔化金属粉末传递到基体表面与基体发生冶金结合，随着粉末厚度的增加，传递到基体表面的能量逐渐减少；当粉末厚度过厚，激光能量无法提供足够的能量保持金属粉末“熔化—球化—铺展—收缩”过程的稳定，无法得到成形较好的熔覆层。

图7 不同厚度熔宽及铺展性变化曲线

3.2.2 粉末层厚度变化对熔敷层稀释率的影响

稀释率是衡量激光表面熔敷涂层质量的重要评价指标之一。在实际应用中，在保证熔覆层力学性能的前提下，应尽量使稀释率保持最小。

厚度与稀释率的关系曲线如图8所示。由图8可知，随着熔敷金属粉末层厚度的增加，稀释率呈现逐渐减小的趋势。原因是在激光能量不变的前提下，粉末厚度的增加将会导致用于熔化金属粉末的能量增加，使得透过粉末用于熔化基体的能量相应减少，造成熔化金属粉末与基体发生冶金结合的量减少，稀释率逐渐降低。

图8 熔敷金属粉末不同厚度下的稀释率

3.2.3 体能量密度变化对熔覆层接触角的影响

在表面熔覆中接触角是衡量熔覆层质量的重要因素。接触角的大小主要受熔池所受表面张力、材料的润湿性、温度等多种因素的影响，由于从工艺参数方面对接触角进行研究过于复杂，因此从体能量密度的角度研究接触角的变化规律。

为了研究体能密度与激光接触角的关系，对不同粉末厚度下进行了变激光功率试验，激光功率在1 000～1 600 W每间隔200 W连续变化。

体能量密度为

式中E为体能量密度（单位：kJ/m3）；P为激光功率（单位：kW）；v为扫面速度（单位：mm/s）；D为光斑直径（单位：mm）；T为预制粉末厚度（单位：mm）。

由于焊接过程中D、v不会发生变化，因此E只与T、P有关。式（3）可变为

式中K为常数。

由式（4）可知，体能量密度E与激光功率P成正比，与粉末厚度T成反比。体能量密度E与熔覆层接触角α的关系曲线如图9所示。随着粉末厚度增加接触角逐渐减小，在厚度为3 mm时已全部小于90°；在粉末厚度一定条件下，接触角随着激光功率的增加呈略微增大的趋势。这是因为粉末厚度与体能量密度成反比，粉末厚度增加导致体能量减小，当体能量密度过低（T=3 mm）时，激光能量过低只能熔化表面金属粉末，而不足以透过粉末与基体发

生冶金结合；激光功率与体能量密度成正比，激光功率增加使体能量密度增加，使得透过金属粉末用于与基体发生冶金结合的能量更多。但由于与粉末厚度相比，粉末厚度对体能量密度变化的影响更大，使得在预置粉末不变的情况下，激光功率增加引起的接触角变化幅度相比粉末变化的幅度很小。

图9 体能量密度E与接触角α的关系曲线

通过上述分析，接触角与体能量密度具有直接关系，接触角随着体能量密度的增大而增大。

4 结论

（1）通过对比小焦点激光，半导体大光斑激光具有能量分布均匀、稀释率低、成形系数大等优点，更有利于表面熔覆。

（2）在激光功率不变的前提下，随着预置粉末厚度的增加，熔覆层的铺展性、稀释率逐渐降低。

（3）熔覆层接触角大小与体能量密度有关，随体能量密度的增加而增大。

[1]唐琳琳，罗辉，张元彬.表面熔覆技术的研究进展[J].热加工工艺，2009，38（20）：86-89.

[2]朱刚贤，张安峰，李涤尘.激光熔敷工艺参数对熔敷层表面平整度的影响[J].中国激光，2010，37（1）：296-301.

[3]Meng Q W，Geng L，Zhang B Y.Laser cladding of Ni-base composite coatings onto Ti26Al24V substrates with replaced B4C+NiCrBSi powders[J].Surface and Coatings Technology，2006（200）：4923-4928.

[4]郎娟，邢志华，朱起云.激光表面改性技术在工业中的应用[J].中国设备工程，2003（8）：17-18.

[5]Sheng Li，Qian Wu Hu，Xiao Yan Zeng，et al.Effect of carbon content on the cracking susceptibility of Fe-based laser clad layer[J].Applied surface science，2005（240）：62-71.

[6]Lin Li.The advances and characteristics of high power diode laser materials processing[J].Optics and Lasers in Engineering，2000，34（4-6）：231-253.

Powder cladding formation with the large spot semiconductor laser

YANG Wenting，SHI Yu，HUANG Jiankang，GU Yufen
（StateKeyLaboratoryofAdvancedProcessingandRecyclingofNonferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Large spot semiconductor laser has advantages in power density，conversion efficiency，which is ideal heat source in surface cladding.In order to study the spreadability and wettability using large spot semiconductor in the process of surface cladding，several experiments with the base metal of Q235 were proposed.The efficiency and formability of cladding with large spot laser and small focus laser were analyzed.The influence of preset powder thickness for cladding layer morphology，dilution rate,spreadability and physical volume densityfor contact angle were analyzed.The results showed that large spot semiconductor laser had a higher claddingefficiencyand forming coefficient than the small focus laser.With the increase of powder thickness，the width and penetration of cladding layer gradually increased，dilution rate graduallydecreased.The contact angle increased with the physical volume density.

surface cladding；large spot semiconductor laser；physical volume density

TG455

A

1001－2303（2016）09－0029-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.07

2015-12-20；

2016-04-12

973计划前期研究专项（2014CB660810）；甘肃省自然科学基金项目（145RJZA119）；省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室开放基金项目（SKLAB02015008）

杨文婷（1989—），女，甘肃天水人，在读硕士，主要从事焊接工艺的研究。