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Nd：YAG激光器金属零件激光快速成型工艺研究 |
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作者：陈光霞 卢尧军 曾晓雁 |
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1 引言
激光直接制造技术DLF (Direct Laser Fabrication)是20世纪90年代后期发展起来的一种先进制造技术，它将快速成型技术与激光熔覆技术结合在一起，卞要力一法分为:同轴送粉与选择性激光熔化(SLM)技术。
根据应用场合的不同，DLF技术采用的激光器也不同，卞要种类有C 02激光器,Nd:YAG激光器和半导体激光器，CO2激光器发展较早，目前研究较多。对于Nd:YAG激光器快速成型的研究，目前相对而言还较少。本文利用ROFIN 1.1kW Nd:YAG激光器和同轴送粉力一式，进行了金属零件快速成型工艺实验研究。论述了激光功率、扫描速度、送粉量以及Z轴增量对成型质量和形貌的影响。
2 实验设备
激光直接制造系统如图1所示。其结构按功能可以划分为四个部分:能量供给模块、CNC工作台、粉末供给模块和指令输出模块。其中，能量供给模块由一台Nd:YAG激光器及其辅助设施(水冷机、光路、聚焦镜、冷却水路等)组成;CNC工作台由-套CNC控制单元和一台3轴加工机床组成;粉末供给模块则由送粉器、同轴送粉喷嘴和粉末回收装置组成。指令输出模块为一台PC机。
3 实验方法
实验材料为自熔性合金Ni45粉末，采用不同的工艺参数组合，在10mm厚Q235钢板上进行单道熔覆实验。研究了主要工艺参数对熔覆层少I貌的影响。实验的工艺参数见表1所示。实验前，N i45粉末经烘干去除水气处理，所有A3钢板经过丙酮清洗井烘干以去除油脂和污渍。实验后，将低碳钢板沿垂直于熔覆道方向剖开，制成金相试样，再用显微镜对熔覆层剖面形状进行测量与分析。最后利用一定的功率参数进行成型实验，以验证最佳工艺参数。
4 实验结果及分析
4.1 激光功率对熔覆层形貌的影响
如图2所示为不同功率参数下激光熔覆层形貌。其中激光扫描速度为800mm/min送粉量4.2g/min，送气量6Lmin-1。从图中可以看出，激光功率的变化不仅影响熔覆层的宽度与高度，而且对熔覆层表而精度的影响也十分明显，当功率大于400时，重熔时间增加，明显存在过燃烧现象，形貌较差，图中最好的激光成型功率为200W 。
图2 不同功率参数下激光熔覆层形貌
4.2 激光功率、扫描速度对单道熔覆的高度和宽度的影响
在激光功率、送粉量与送气量恒定的情况下，扫描速度和熔覆的高度和宽度的关系如图3,图4所示。当速度较小时(小于1400mm/min)激光能量密度可以熔化较多的金属粉末，故单道熔覆的高度与宽度较大;在一定的速度范围内(1400/1600mm/min)，单位时间内激光所能熔化的金属粉末与送粉量大致相当，故单道熔覆的高度与宽度变化不明显;当扫描速度再继续增加时，激光能量密度下降，激光熔池尺寸减小，因此单道熔覆的高度与宽度减小。
4.3 送粉量对成型高度和宽度的影响
送粉量与成型高度、宽度的关系如图5所示。当送粉量在-定范围内时，在激光功率足够大的情况下，送粉量的增加导致熔化金属粉末的增加，从而增大熔池的尺寸，在最终的凝固过程中，成型高度和宽度都会相应增加。但当送粉量超过激光功率所能熔化的最大金属粉末量时，增加的金属粉末不能得到熔化而成型，不会增加成型的高度与宽度，相反会造成更多的金属粉末在高温下粘结在成型零件的表而，影响成型精度和后续的制造。 
4.4 Z轴增量与自山成型高度的关系
在研究的激光快速成型实验中，由于采用的是开环控制，也就是自由成型。所以成型高度与Z轴增量有很大的关系。因为Z轴增量决定了送粉喷嘴与制造工件的垂直距离，其大小直接影响到激光光斑的大小，从血影响激光能量密度的大小。在进行多层熔覆时，实际每层的熔覆高度小于单道熔覆高度，如果Z轴增量等于实际的每层熔覆层的高度，送粉喷嘴和制造工件间就可以保持恒定的距离，从}的保证了光斑大小不变，即保证了激光能量密度不变，此时的Z轴增量为最仕值。
在激光功率、扫描速度、送粉量保持不变的情况下，单道熔覆参数为:功率200w ,扫描速度1100mm/min、送粉量4.2g/min,送气量6L/min，在此参数下的单道熔覆高度为0.06mm，在不同的Z车由增量下，扫描100层，测量其最终成型高度。多层熔覆高度与Z轴增量的关系如图6所示。从图中可以看出，当Z轴增量为0.04mm时，成型高度为4.1，它与目标成型高度的误差最小，当Z轴增量超过0.16时，根本无法形成薄壁形状。
4.5 成型实例
在前而的工艺实验的基础上，找出每一功率条件下的扫描速度、Z轴增量、送粉量的最佳组合，进行零件的成型实验，结果如图7所示。 
5小结
功率、扫描速度、光斑直径、送粉量、Z轴增量是影响成型质量与精度的重要工艺参数。
(1)当激光功率增大、送粉量增加时，成型高度与宽度增加，当功率一定，送粉量达到一定程度时，高度和宽度的增加就不明显了;
(2)当扫描速度增加时，成型高度与宽度下降;
(3)在进行多层熔覆时，当Z轴增量等十实际的每层熔覆层的高度时，是最佳值。(end)
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(11/20/2007) |
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