基于金属熔覆三维成型的机械手指研究与设计∗

张慧超 赵广元

（西安邮电大学 西安 710121）

1 引言

目前，国内外拥有许多不同的金属熔覆成型方式，如光固化快速成型技术（Stereo Lithography Ap⁃praratus，SLA）、选择性激光融化技术（Selective la⁃ser melting，SLM）等，以上这些技术虽然在金属成型方面占有一定的优势，但也存在缺陷，比如修复成型的细节不够精准，需要后期再加工。激光熔覆再制造技术是新型发展起来的先进制造技术，它既可以用于修复有缺陷的金属部件，还可以用于复杂零件的快速成型。由于工程现场的复杂性，不可避免会对金属部件及表面造成损坏，为提高零件的利用率［1～4］。本文采用光纤激光器对机械手指表面的缺陷利用激光金属熔覆技术进行修复，通过调整参数，对比成效，获得最佳实验数据，满足机械手指表面修复的工程要求［5］。

2 基本原理

2.1 激光熔覆技术的基本原理

激光熔覆也是再制造技术的一种，利用修复材料与修复件在激光的作用下，熔化、交融，从而凝结为一体，形成稀释率极低的金属熔覆层，达到金属器件修复的目的。其激光功率密度的分布区间为104W/cm2～106W/cm2，介于激光淬火和激光合金化之间［6～9］。

送粉方式有两种，预置送粉和同步送粉，两种方法最后成型效果相似，但第二种方法便于机器自动控制且生成的熔覆层表面效果良好，无明显瑕疵，可以防止新形成的熔覆表层出现较大裂纹。此时再结合保护气的作用，会获得更加完美的表层。本文选用同步送粉方式。

2.2 稀释率

稀释率是在激光熔覆工艺控制中的最重要参数之一。稀释率的大小对最后修复形成的熔覆层表面的物理性能产生巨大影响。当稀释率过大时，受损工件的被修复层表面对新熔覆层在熔融状态时的浓度变小，不利于后续的凝固过程，使熔覆层表面拥有的性能发生改变，出现表层裂开裂纹的情况；反之，会导致熔覆层过于宽厚，不易粘贴在基体表面，造成脱落现象。调整材料的稀释率大小是能够获得物理性能良好的熔覆层的关键所在。

根据稀释率的定义得，稀释率η 的计算：

其中，A1为激光熔覆区的横截面积，A2为被修复器件的表面面积。

倘若A1和A2按照抛物线面积公式计算：

利用显微镜测量激光熔覆区的宽度B 和高度H，被修复器件表面的宽度b 和高度h，分别代入式（2）计算出A1和A2，即可求出该熔覆层的稀释率。当稀释率太小（η＜10%），熔覆区的显微硬度波动较小，平均显微硬度大于800HV，为基体硬度的3倍以上；当稀释率较大（η＞25%），熔覆区上部和下部硬度差较大［10～13］；如果稀释率合适（10%≤η ≤25%），此时，熔覆区上下部硬度值最优。

3 激光熔覆系统结构

基于三维打印的激光熔覆过程是一个复杂的累积堆叠的过程，随着层数的增多，精确度变小，难控制。由温度场控制和离焦量控制，这些都需要生成的效果反馈回主操作台的反馈信号来控制［14～16］。文中增加了反馈控制器，以调节系统各参数的具体数值。改进后的系统结构图如图1所示。

图1 改进后激光熔覆系统结构图

4 基于激光熔覆技术对机械手指修复实验方案

为使熔覆修复实验效果满足工程要求，根据改进后激光熔覆系统结构图，选用合适的单元部件，经过对比测量之后，系统整体运动形式选用机床式运动形式，核心器件发热源选用光纤激光器，送粉系统及水冷机系统各选用同轴送粉和激光器专用制冷机。

4.1 多层多道激光熔覆

在机械手指的修复前夕，由于握笔的力度和角度时常发生变化，导致其磨损面积和结构不一，仅仅依靠单道激光熔覆和单层多道的修复模式往往难以完成修补工作。单层多道激光熔覆技术是以单道熔覆参数为基础，改变扫描速率、激光功率等参数，并进行改良优化，找到最合适的参数，最终完成对金属部件的熔覆修复工作。改进后的多层多道激光熔覆实验可根据机械手指表面损坏程度，调节熔覆层高度及宽度，以达到完整修复和修复边缘完美契合。实验效果图如图2 所示。观察其宏观的表面效果，光洁度和平整度都能够满足修复工程要求，同时测量得相关参数如表1所示。

图2 多层多道激光熔覆工艺效果图

表1 多层多道激光熔覆参数

4.2 熔覆层硬度测量

为使表面修复完成的机械手指能够经久耐磨，还需继续对熔覆层用更精确的测量仪器进行硬度测量。在进行测量之前，需将熔覆层上表面打磨平整，以确保放置在硬度计托盘上后不会影响硬度的测量。采用铸铁型硬度计进行测量，测量方法如下。

1）将所测量区域对准顶针，旋转转盘将物块固定在两片压片之中；

2）按下硬度计的测试按钮，仪器自动打下一个凹槽；

3）通过测试仪器测出凹槽直径d；

4）将测试的直径d乘以2得到测试结果；

5）将上述结果对照硬度计的附录表格读出硬度，并重复上述步骤三次，最后取平均。

取单层单道的实验结果进行硬度分析，分别取三个点记为A、B、C，其中A 为起始点，B 为中间点，C为末端点。表2～表5为硬度测量部分数据。

表2 2mm/s下不同激光功率的硬度测量数据

表3 4mm/s下不同激光功率的硬度测量数据

表4 6mm/s下不同激光功率的硬度测量数据

表5 8mm/s下不同激光功率的硬度测量数据

根据测量得到的所有数据得出激光功率对熔覆层的硬度有着很大的影响，随着激光功率的增大，硬度在不断减小，并且不同测量位置的硬度也存在差异。由此探讨了不同扫描速度、不同激光功率和不同位置分别对熔覆层硬度的影响，如图3～图5所示。

图3 不同的激光功率对熔覆层硬度影响

图4 不同的扫描速度对熔覆层硬度影响

图5 测量位置对熔覆层硬度影响

从图3 中发现，随着激光功率的升高，熔覆层硬度在逐渐降低，并且下降速度变化明显，同时扫描速度对熔覆层硬度并不会产生明显影响，变化趋势为平缓的下降，只有当激光功率为1000W，扫描速度达到8mm/s 时，硬度会有较为明显的上升趋势，能够满足机械手指修复的硬度要求；其次，在熔覆过程中难以避免气孔的产生，熔覆层表面会出现局部起球或空洞等现象，使得不同部位的硬度存在些许的差异。同时稀释率在此问题上也发挥了很大的影响，只有当稀释率控制在比较合适的范围内，才能得到质量优良的熔覆层，与基体结合牢固，表现出优良的效果，从图5 中看到，在激光功率一定的情况下，熔覆层的硬度在不同位置变化幅度并不是很大。相比较，A 点的硬度值整体高于B 点和C 点的硬度值，正是由于A 点作为起始点，在熔覆技术刚开始的时候只受到激光的能量，而越往后，随着时间的变化和激光的作用下，熔覆表层不仅接收到激光的能量，还有热能，使得熔覆表层的中端和末端的硬度值低于初始端。

综合以上结果，本文由实验获取到对机械手指表面损坏修复的最佳参数为激光功率为1000W，离焦量为18mm，扫描速度为8mm/s，光束直径2mm，送粉电压为11V，此时的硬度测量值为45HRC，满足金属再制造的工程要求，对机械手指表面进行激光熔覆修复。

5 结语

传统的金属表面修复工艺成型的细节不够精准，需要后期再加工。在金属激光熔覆过程中，同样也受到很多参数的限制，并且这些参数影响着最终效果。此间，熔覆层容易产生裂纹和气孔，也是不可忽视的熔覆层缺陷。选用适当的材料有利于表面修复，同时也要尽可能增加一定的散热方式，将多余热量散发出去。文中提出在熔覆系统结构中加入反馈器，来调节系统各参数的具体数值，同时改进实验方法，采用多层多道熔覆实验，进行实验，得到最佳参数，验证了改进后系统及实验方法的有效性和实用性，能够为金属再制造的工程提供参考依据。