张震， 王敏， 范华献， 刘广志

(中国兵器装备集团自动化研究所有限公司， 四川 绵阳 621000)

0 引言

激光立体成形(LSF)技术是一种以激光为能量源的送粉式增材制造技术，能够兼顾零件的快速、自由、高性能成形[1]。因此，LSF技术有望成为兵器工业新型、复杂零件制造的新途径，并为提升装备结构设计效能，缩短新装备研发周期，实现结构功能一体化优化设计创造有利条件。

30CrNi2MoVA钢是一种中碳低合金结构钢，因其淬透性好、冲击韧性高的特点而被大量应用于兵器装备制造业耐冲击零件的制造中[2]。伴随着新型装备的研制需求，对于零件的结构功能一体化设计要求越来越高，也对设备、工艺、工装等提出了更高的要求，传统工艺越来越难以满足新型零件的制造要求，利用LSF直接制造30CrNi2MoVA钢零件便有了巨大的应用前景。

在LSF过程中，最大的问题在于如何使成形零件的几何尺寸与力学性能达到预期设计要求，而成形过程所选用的工艺参数决定了最终的零件成形效果，要实现金属零件的高质量成形需要结合实时监测与闭环控制系统，以实现加工过程中的工艺调整[3-5]。而厘清工艺参数与熔覆层宏观尺寸之间的定量关系正是实现工艺条件闭环控制的基础。

影响LSF加工过程的主要工艺参数有：激光功率、扫描速率、送粉率、光斑直径等。而表征熔覆层宏观尺寸的参数主要是熔覆宽度、熔覆高度等[5-8]。为能够在较短时间内利用较少的实验建立一个较全面且具有较高预测精度的定量关系模型以解决工艺参数优化问题，本文采用了正交实验设计，并利用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件和数值分析MATLAB软件对实验结果进行了分析。本文结论为今后采用LSF技术制造30CrNi2MoVA钢零件的工艺选择与工艺过程控制实现提供了实验依据与理论参考。

1 实验设备、材料与方案

1.1 实验设备与材料

本文实验在自制的送粉式LSF设备上进行，该设备采用机器人作为运动机构、配以同轴送粉喷嘴及高精度智能送粉器。激光器采用通快TruDisk4006碟片式光纤激光器，光纤直径600 μm.

实验所用粉末材料为气雾化法制备的30CrNi2MoVA钢粉末，粉末主要成分如表1所示。粉末粒度范围在100～200目，如图1所示。基材采用45号钢，尺寸为300 mm×200 mm×10 mm，实验前用细砂纸打磨基材表面并用丙酮清洗干净。实验中采用氩气作为保护气体，气体流量6～8 L/min，实验后测量试样尺寸。

表1 30CrNi2MoVA钢化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 30CrNi2MoVA (mass fraction) %

图1 30CrNi2MoVA钢粉末形貌(放大100倍)Fig.1 Morphology of 30CrNi2MoVA powders (100×)

1.2 实验方案

根据正交实验特点，依据前期实验经验，选择适当激光功率P、扫描速率v、送粉率F及光斑直径D作为输入量，以熔覆层宽度W、熔覆层首层高度Hf和单层平均高度Ha作为输出量，设计4因素5水平实验,参数如表2所示。实验均采用单道成形，按照设定的实验参数沿光斑运动方向熔覆一层，之后沿垂直光斑运动方向移动，同一参数熔覆5层，各道之间间隔10 mm.

2 实验结果与讨论

2.1 回归分析与预测模型建立

根据测量结果，在显著性概率为95%的前提下采用SPSS统计软件建立了激光功率、扫描速率、送粉率和光斑直径4个工艺参数对熔覆宽度和熔覆高度之间的函数关系。利用曲线估计方法对各类模型拟合效果进行估计，发现指数型模型效果较好，而该模型由Oliveira等[9]最先用于熔池宽度预测，因此采用指数型模型作为分析模型。基于指数模型建立如下回归方程：

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

注:送粉率1 r/min≈10 g/min.

E(y)=K(PαvβFγDδ)+c，

(1)

式中：E(y)为回归模型输出值；K、α、β、γ、δ为回归系数；c为回归常数。

结合正交实验测量结果数据和(1)式，借助SPSS统计软件进行回归分析得到各回归系数，建立预测模型如下：

W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，

(2)

Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，

(3)

Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061.

(4)

根据回归分析结果，熔覆宽度预测模型方程如(2)式所示，其拟合优度判定系数为0.841，综合各参数对应回归系数可知，激光功率、扫描速率和光斑直径对熔覆宽度的影响最为显著(光斑直径>激光功率>扫描速率)，随着激光功率、光斑直径的增加，扫描速率减小，熔覆宽度增加；从回归系数F0.182≈1可以看出，送粉率对熔覆宽度的影响几乎可以忽略不计。

单道首层熔覆层高度预测模型(3)式的拟合优度判定系数为0.94. 针对熔覆层高度，扫描速率和送粉率的影响显著性最高(送粉率>扫描速率)，而激光功率与光斑直径基本不影响熔覆层高度，且随着送粉率增加，扫描速率减小，熔覆层高度增加；单道5层平均单层高度模型(4)式具有同(3)式类似的影响规律，其拟合优度判定系数达到0.956.

忽略熔池对流、气流对熔池冲击等影响因素，假设熔覆层的轮廓为抛物线，且材料热物理性质不随温度改变，由质量守衡和能量守衡能够得到如下平衡关系：

(5)

(6)

式中：k为粉末有效利用系数；t为激光作用时间；ρ为材料密度；αP为激光吸收率；η为遮光率；β为基材吸热利用率；ΔT为温度变化；ΔHm为基材熔化潜热。由(5)式、(6)式可以看出，扫描速率与熔覆层宽度、高度呈反比，送粉率与熔覆层高度呈正比，激光功率与熔覆层宽度呈正比。此规律与预测模型得到的规律相同。

分析其产生原因：激光功率增大，激光束的能量密度增大导致粉末束边缘处的熔化量增加，从而增加熔覆层宽度；扫描速率增大，单位时间内的激光辐照能量减少，熔覆层宽度和高度均减小；送粉率增大，单位时间内熔化的粉末量增加，熔覆层高度增加；光斑直径增大，激光辐照区增大，熔覆层宽度增加。

图2 宏观尺寸的实际测量结果与模型预测结果对比Fig.2 Comparison of measured and predicted results of macro-sizes

根据上述各模型拟合优度判定系数，并对比实际测量结果与预测结果，如图2所示，初步表明本文所建立的预测模型能够较好地吻合不同工艺参数条件下熔覆层的宏观尺寸。另外，对比图2(b)、图2(c)所示的熔覆高度可以发现，当熔覆5层后，熔覆层的平均高度会明显低于首层熔覆高度，这是由于随着熔覆层数的增加，已成形部分的热累积增加导致熔覆高度会有一定程度的降低，而根据文献[10]描述，通常认为5层以后熔池温度趋于稳定，因此在今后的工艺参数选择中应综合考虑熔覆层的首层高度值与平均高度值。

2.2 预测模型验证

为进一步验证工艺参数对熔覆层尺寸的影响显著性及它们之间的定量关系，同时验证利用回归分析结果预测熔覆层宏观尺寸方面的有效性，本文采用单因素变量法，分别针对激光功率、扫描速率和送粉率3个主要因素设置3水平单道成形实验，实验参数设置如表3所示，所得实验结果以图3形式展示。

表3 验证实验参数设置Tab.3 Parameter setting for verification experiment

图3 不同工艺参数下的熔覆层尺寸Fig.3 Deposed layer sizes under different process parameters

表4是对实验结果的分析。通过观察熔覆层尺寸随某一参数的变化而变化的幅度来判断该工艺参数对相应熔覆层尺寸的影响显著性。实验结果显示各参数对熔覆层形貌的影响显著性与所建立的模型预测结果吻合性较高，验证了回归分析结果的有效性。

将所获得的熔覆层几何尺寸信息与利用指数回归模型定量关系(2)式、(3)式和(4)式计算的熔覆层几何尺寸信息进行比较。图4展示了功率变化时熔覆层宏观尺寸计算值与实测值之间的差距。由图4可知，计算所得熔覆层尺寸参数基本落在实际熔覆尺寸的10%误差内(图中虚线为±10%误差线标示)。在考虑测量方法和数值读取带来的误差基础上，达到此预测精确度已能说明该预测模型的准确性较好。

实验过程中利用同轴电荷耦合元件(CCD)相机实时观测并记录了各参数在成形过程中对应的熔池形貌，主要表现了熔池的宽度特征。表5所示为验证实验9组参数下成形单道单层试样中间位置的熔池图像，从图像中也可以看出，熔池宽度的变化规律同模型预测结果相同。尽管由于等离子体发光的影响，相机采集的熔池宽度与熔覆层宽度并不能定量的对应，但熔覆层宽度的变化规律能够反映到熔池宽度上，CCD相机所采集的图片经特定算法处理后能够作为输入量用于今后的反馈控制系统中。

2.3 工艺参数范围确定

在设备允许的范围内，工艺参数的选择范围很大，且各参数值之间还可以相互组合，但通过正交实验可以发现，并不是每一种参数组合得到的成形效果都比较好，需要通过筛选确定一个工艺参数选择范围。在这4个关键工艺参数中，光斑直径虽然对熔覆层尺寸的影响显著，但通常选定某一直径后不会通过改变光斑直径来调节熔覆层尺寸，因此主要需要确定的是激光功率、扫描速率和送粉率的工艺参数范围，故给定光斑直径3.5 mm，利用前文求得的(2)式和(3)式得到如图5所示结果。

表4 实验结果分析Tab.4 Analysis of the experimental results

注:“-”号仅代表相关性。

图4 预测模型定量关系验证Fig.4 Validation of quantitative relation of prediction model

表5 验证实验熔池图像

Tab.5 Images of verification experimental molten bath

光斑直径一定时若熔覆层宽度过小会导致粉末利用率低，甚至导致融合不良的产生，熔覆层质量较差，而熔覆层宽度过大则会使得熔覆层出现厚度不均匀现象。在3.5 mm光斑条件下，熔覆层宽度应处在3～4 mm之间，结合图5(a)可知激光功率应在1 300～3 000 W之间。基于尺寸预测，将熔覆层宽高比作为判断指标，根据相关研究[11-12]可知，仅考虑成形尺寸因素的情况下，假设熔覆层横截面轮廓为抛物线，当宽高比在4～6的范围内时，熔覆层具有润湿性良好的接触角，能保证多道多层成形时的良好搭接，得到较好的成形效果。同时，根据实验验证，LSF形成的30CrNi2MoVA钢在宽高比3.5～4.5范围内成形效果最好，结合熔覆层宽度范围可知，单层熔覆层高度应在0.7～1.2 mm范围内选择，因此送粉率应在0.7～2.5 r/min之间，扫描速率应处于5～12 mm/s之间。

综上所述，在3.5 mm光斑下满足宽高比3.5～4.5约束的工艺参数区间位于图5所示虚线框选区域中，并可根据实际制造时对效率和表面精度的需求选择合适的参数组合。当光斑直径发生改变时，可通过预测模型用相同方法提前找寻合适工艺参数范围，图6所示为4 mm光斑直径时，利用预测模型以宽高比4为约束设定工艺参数成形得到的试样。

图5 工艺参数范围Fig.5 Value range of process parameters

图6 成形试样展示Fig.6 Formed sample

3 结论

1) 获得了工艺参数对30CrNi2MoVA钢熔覆层宽度和熔覆层高度的影响显著性规律：激光功率、扫描速率和光斑直径显著影响熔覆层宽度，而扫描速率和送粉率显著影响熔覆层高度。

2) 通过回归分析，利用指数回归模型建立了关于熔覆层宽度和熔覆层高度的预测模型：W=0.053×(P0.463v-0.4F0.182D0.825)+0.565，Hf=2.126×(P0.127v-1.085F0.887D0.11)-0.033，Ha=2.224×(P0.018v-0.924F1.139D0.196)+0.061. 对比单因素变化实验测量结果与CCD相机实时监测图像信息，验证了预测模型的有效性。

3) 以宽高比为约束条件，通过预测模型所得成形尺寸计算值确定了3.5 mm光斑直径下LSF形成的30CrNi2MoVA钢工艺参数窗口：激光功率在1 300～3 000 W之间，送粉率在0.7～2.5 r/min之间，扫描速率在5～12 mm/s之间。为获得较高可信度的工艺参数区间提供了方法。