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高功率光纤激光快速成型
作者 ：R.M. Miranda, G. Lopes , L. Quintino ， J.P. Rodrigues b, S. Williams
摘 要
激光快速成型技术包括一系列的先进技术，它能够适用于各种不同的材料。利用激光快速成型技术可以快速生产零件原型或小批量形状复杂的部件。本文介绍了一种快速成型技术，使用Ti-6AL-4V合金作为添加材料，并用8 kW功率的激光束熔化金属丝生产圆柱形状的部件。为此，本文设计了一个工程系统，即生产实验部分，主要进行沉积过程的实验。文章对两个加工参数进行了研究：即送丝和基板之间的相对位置关系和激光束与金属丝的宽度比。前者会影响熔融金属传输模式，通过对熔池金属丝顶端产生的压力，而激光束线宽度比影响该过程的效率，因为这是由过程的稳定性和工艺的速度共同决定的。这两个参数共同控制零件表面加工精度和该部分的平滑度。和别的预置粉末法加工相比该过程熔化效率相对较低，但是由于结构均匀，零件的密度有所改善。
关键字： 激光快速成型；送丝系统；宽度比
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1.引言
快速成型技术（RP）包括一整套技术，该技术使用逐层的过程中建立一个项目，每次提取零件一个截面的数据信息。一些技术已经开始应用与工厂，有些使用激光束，有些则没有。但大多采用粉末烧结（金属或非金属）[1-3]。
由于优点突出，从快速成型技术产生开始，激光技术就已经开始应用。高功率光纤激光器在快速成型技术中有一系列非常重要的特征，即可以人为灵活的控制激光束，整体运行的成本低，激光束作用区域小，光束发散角小。而且具有很高的效率。 钛合金是航空航天工业中常用的材料。由于其独特的化合结构，使其拥有重量轻，耐腐蚀性好等。最近在医学的外科应用中开始用钛合金制作整形外科假体。 随着快速成型送丝系统的出现，增材制造开始使用对不同的焊接工艺进行研究如钨极氩弧焊（GTAW）、气体金属电弧焊接（GMAW）[4,5]、脉冲GMAW [6]和最近的随着高功率激光器[在laserglasetm过程和layerglazetm过程中的适应[7,8]。使用这种技术能够更好的控制整体的微观结构，因为在该过程中可以控制热应力/应变。在增材制造过程中材料被逐步加入到基板上并成为零件的一部分。由于快速生产金属异型构件原型是铸造和锻造力所不能及的，因此许多行业包括航空航天和医疗设备方面对这种技术情有独钟。
由于激光束的位置可变和操作的灵活性。在快速成型中，高功率光纤激光器具有相当大的优势。此外，这些激光器具有高功率低发散，效率高，维护成本低等优点[10]。
2.实验过程
试验使用高功率掺镱光纤激光器进行，用最大额定功率为8千瓦的IPG产生波长为（1070–1080 nm）的激光。激光束的功率由斐光电激光仪进行检测和控制，激光束的形貌由激光焦点分析仪进行检测。该系统有一个中心直径为200微米的进料纤维耦和直径为300微米工作纤维，并通过光纤耦合器进行耦合。工作光纤末端对准直125毫米、焦距250毫米的聚焦透镜。加工头安装在机器人FANUC 上。一个拥有传统的XYZ正交轴的五轴机床和一个定义为W轴的旋转表关联。第五轴可以控制手动倾斜台。钻机轴运动是由Trio运动控制器控制。图1显示了五轴机床的安装结构。为安全起见对整个实验过程实行远程监测和控制。
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进行实验，以确定加工处理过程中所需的精确参数。最大功率为2千瓦。利用焦点位置控制激光束的直径为4.2毫米，光束移动速度在0.5和1.5m/min之间，送丝速度在0.5～1.2m/min之间。使用氩作为侧向气体保护系统，送气速率在20–30l/min。为了最大限度降低氧化，系统设计有两个气体喷嘴，一个喷嘴15毫米口径的主喷嘴和一个5毫米口径的副喷嘴，气流方向与金属丝方向一致。
制作样本截面切片，分析测试样本内部缺陷。使用Struers硬度测试仪在4.9N压力下用显微硬度维氏压头测试硬度，模型用羟甲雄烷酮处理。
计算不同实验下的溶化速率。
3. 结果分析
和传统的送份系统相比，送丝系统具有一系列的优点。即较高的沉积率，生产出的材料结构密集。然而，对于高温反应材料，例如钛合金容易产生过度的晶粒生长和容易淬火[ 12 ]，必须对以前沉积层重熔进行控制以减少热循环对这些层的影响。这就需要对金属丝和基板的相对位置以及束线宽度比进行控制如图3和4所示。
图3 金属丝相对于基板的位置
图4 激光束相对于金属丝的宽度
金属丝相对应基板的位置由进丝的角度和金属丝尖端到基板的距离决定。这些因 4
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素共同影响了金属丝传送方式和由位于熔池上方的金属丝尖端产生的压力。保持这一角度可以减少熔融金属材料的飞溅而且避免了固化后结晶纹理的波动。金属丝尖端与基板的距离决定了溶化后的金属液滴脱离金属丝和被传送到基板上的方式。金属液滴依靠重力和表面张力脱离金属丝如图3所示。如果液滴在脱离金属丝之前接触基板，则表面张力是主要的影响，所形成的熔池高度和形状将会连续且光滑。如果距离增加，液滴将会依靠重力作用以球状脱离金属丝，这些液滴在基板上快速凝固使层间表面的不规则且连续性差。加工出的零件将会不规则，粗糙，容易被氧化。
另一个可以控制的参数是激光束和金属丝的宽度比。事实上考虑加工效率时不仅要考虑加工的稳定性还要考虑加工速率。其他参数不变的情况下，如果只减小激光束的直径将会加快加工速率，但是一旦金属丝偏离了中心位置，就会出现故障。窄光束也更有效率，因为热量集中在熔线上而不会影响到基板，防止能量的损失，避免大面积金属丝处于高温下，防止先前层的过度熔化（如图4a）。在同样的功率下，相比于宽激光束窄激光束还可以实现更高的送丝率。增大激光束会增加基板上的溶化区域，但是降低了加工过程中由于金属丝震荡产生的风险如图4b。如果想要增加沉积区域，可以添加额外的金属丝以提高生产率。
（a）有波纹纹理; （b）分层光滑、凸缘过度平滑。
图5 形态份不同条件下生产的。
图5 显示了两个不同的角度生产的零件。由于以球形模式传递，图a中的纹理较为不规则。而图b部分则较为光滑。
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图6显示了沉积速率，它由送丝率（a）和（b）传输速度决定，和可以看出，尽管送丝率和传输速度都提高，但沉积率仍低于其它激光熔覆工艺，在那些加工过程中熔覆速率可以达到0.7kg/min。先前的研究和报道显示丝粉混合虽然可以提高沉积率，但是实验样本中会出现孔隙[12]。
图6 （a) 不同送丝速率下的沉积率 （b) 不同移动速率下的沉积率
由于氧化作用，生产出的零件表面出现了黑色影响区。在低于50lm振幅测量显微镜下，该零件表面非常光滑。相比以前开发的用弧焊接工艺生产的零件。该零件显示出光滑的表面光洁度。
观察发现零件内部存在微观氧化孔隙。事实上，进行热处理时，钛合金在高温下表现出的高度活泼性是面临的一个主要难题。[13.14]要在工业生产中应用这种技术，应当设计一个适当的惰性气体保护器。
图7显示了一个高度20mm，厚度2mm,的样本宏观组织。可以看到晶粒以与锻造相似的方式从底部向顶部生长。由于先出现的晶粒受到连续不断的热循环作用，使得晶粒粗糙，因此晶粒较大。受到周围气流的影响，顶部沉积层的晶粒能够快速冷却，因此晶粒较小。这些变化导致测量的硬度值也在650±50HV之间变化。零件高度和内部 6
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结构均匀，表明整个零件机械性能均匀。
图7 激光增材技术生产出的零件的截面宏观放大图
4. 结论
实验结果表明在高功率激光器辅助下直接熔融Ti-6Al-4V合金以达到快速成型制造完好的无缺陷零件的可能性。
实验过程需要控制两个参数。即送丝系统与基板的相对位置和激光束与金属丝的宽度比。
金属丝相对于基板的位置能够影响金属液滴的运动方式和熔池上方由金属丝尖端产生的压力。
低送丝角度能够防止液体金属飞溅，而且零件具有良好的表面质量。
金属丝尖端到基板的距离影响金属液滴脱离金属丝的方式和金属液滴到达基板的方式。
如果液滴脱离金属丝之前接触基板，表面张力是主要的影响，熔池高度和形状将会连续且光滑。
和别的预置粉末法加工相比该过程熔化效率相对较低。但是微观硬度检测和微观分析表明由于零件的特性均匀零件的密度改善了。
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