DOI:10.14128/j.cnki.al.20264602.022
中图分类号:TG665
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激光熔丝铝合金单层单道的熔滴过渡过程研究
0 引言
激光增材制造技术按照沉积材料的类型不同,通常分为丝基增材制造和粉基增材制造。 目前,国内外学者对粉末增材制造研究较为深入[1]。相较送粉工艺,熔丝工艺有更高的材料沉积效率及材料利用率,以及更清洁的工作环境[2]。5356铝合金具有良好的焊接性,且有质量轻、耐腐蚀及强度高等特性,因此,激光铝合金熔丝技术在船舶车辆、表面修复等领域有着良好的应用前景[3-4]。
针对铝合金激光熔丝,国内外已有众多学者进行了研究。Huang等[5]对5087铝合金进行单道及多层激光熔丝试验,表明在一定参数范围内,激光功率越大,表面成形越均匀,沉积高度受扫描速度影响最大,激光功率对沉积宽度的影响大于扫描速度。Guo等[6]在水下沉积5052铝合金,发现在一定参数范围内,提升扫描速度或降低送丝速度可以改善沉积金属与基材之间的润湿性。文献[7]采用双光束对5356铝合金进行沉积,表明扫描速度及送丝速度影响单位时间内在单位长度上的金属沉积量,进而影响沉积成形质量。
熔滴过渡行为能直接反映成形过程的稳定性,其与最终的焊缝成形质量直接关联,而成形过程中激光束对焊丝的作用是影响熔滴过渡行为的关键因素。因此本文采用高速摄像拍摄不同工艺参数时熔滴过渡与熔池形态,从熔滴过渡角度分析工艺参数对单层单道激光熔丝沉积层表面形貌及宏观尺寸的影响规律,为多层多道激光熔丝增材制造提供相关数据参考及理论基础。
1 试验材料及方法
基板材料为2.6mm厚的1050纯铝板,采取直径1.2mm的5356铝合金焊丝在基板表面进行单层单道激光熔丝增材制造。沉积的同时利用高速摄像系统拍摄焊丝的熔化、熔滴过渡过程以及熔池形态。焊丝的化学成分如表1所示,激光增材制造及高速摄像系统如图1所示。
图1 激光熔丝增材制造及高速摄像系统
Fig.1 Laser fuse additive manufacturing and high-speed camera system
表1 5356铝合金焊丝的化学成分
Table 1 Chemical composition of 5356 aluminum alloy welding wire
Chemical compositionMgZnMnFeCuTiCrAlMass fraction/%5.000.100.050.400.100.200.05Bal.
当光斑不摆动时进行激光熔丝,会出现熔宽较窄、熔池下塌及润湿不理想的现象[8-9],故本试验的激光摆动方式采用直线式摆动[10],摆动模式如图2所示。激光摆动宽度3mm,熔丝过程使用的激光频率为2 000 Hz,激光波长为1 080 nm,保护气体使用纯度为99.99%的氩气,气体流量20 L/min。激光器与地面夹角为60°,送丝嘴固定在激光器下方。沉积时调整激光功率、扫描速度、送丝速度等参数,研究参数对焊丝熔滴过渡及熔池形态的影响,进而确定其与表面成形质量的关系。
图2 熔丝过程中激光摆动模式
Fig.2 Laser swing mode during fuse
2 沉积层宏观形貌与熔滴过渡形态
2.1 沉积层宏观形貌
设计单层单道熔丝的单因素试验,试验参数如表2所示,激光功率选取1 000 W、1 100 W、1 200 W、1 300 W、1 400 W,扫描速度取3mm/s、4mm/s、5mm/s、6mm/s、7mm/s,送丝速度选择75 cm/min、125 cm/min、175 cm/min、225 cm/min、275cm/min。沉积层宏观形貌如图3所示。
图3 沉积层宏观形貌
(a)1 000 W-5mm/s-175 cm/min;(b)1 100 W-5mm/s-175 cm/min;(c)1 200 W-5mm/s-175 cm/min;(d)1 300 W-5mm/s-175 cm/min;(e)1 400 W-5mm/s-175 cm/min;(f)1 200 W-3mm/s-175 cm/min;(g)1 200 W-4mm/s-175 cm/min;(h)1 200-5mm/s-175 cm/min;(i)1 200 W-6mm/s-175 cm/min;(j)1 200 W-7mm/s-175 cm/min;(k)1 200 W-5mm/s-75 cm/min;(l)1 200 W-5mm/s-125 cm/min;(m)1 200 W-5mm/s-175 cm/min;(n)1 200 W-5mm/s-225 cm/min;(o)1 200 W-5mm/s-275 cm/min
Fig.3 Macroscopic morphology of sedimentary layers
(a)1 000 W-5mm/s-175 cm/min;(b)1 100 W-5mm/s-175 cm/min;(c)1 200 W-5mm/s-175 cm/min;(d)1 300 W-5mm/s-175 cm/min;(e)1 400 W-5mm/s-175 cm/min;(f)1 200 W-3mm/s-175 cm/min;(g)1 200 W-4mm/s-175 cm/min;(h)1 200 W-5mm/s-175 cm/min;(i)1 200 W-6mm/s-175 cm/min;(j)1 200 W-7mm/s-175 cm/min ;(k)1 200 W-5mm/s-75 cm/min;(l)1 200 W-5mm/s-125 cm/min;(m)1 200 W-5mm/s-175 cm/min;(n)1 200 W-5mm/s-225 cm/min;(o)1 200 W-5mm/s-275 cm/min
表2 单层单道熔丝成形单因素实验工艺参数
Table 2 Single-factor experimental process parameters of single-layer single-pass fuse forming
GroupLaser power/WScanning speed/(mm·s-1)Wire feeding speed/(cm·min-1)11 000～1 400517521 2003～717531 200575～275
激光功率1 300 W以下时,沉积表面相对平整,成形较均匀;当功率增加到1 400 W时,沉积层宽度有微小起伏,表面出现褶皱现象。扫描速度为3mm/s和4mm/s时,沉积层前部宽度较窄,成形均匀,后部由于较慢的扫描速度导致的热累积效应,而使熔宽逐渐变宽,表面也出现较多高低起伏;当扫描速度增加至5mm/s和6mm/s时,沉积层表面平整,熔宽前后一致;扫描速度更大(7mm/s)时,沉积层不连续,无法成形。送丝速度的改变对沉积层表面成形的影响较小,总体都较为均匀,但送丝速度的增加会使熔宽变宽。
2.2 不同激光功率时的熔滴过渡和熔池形态
针对不同激光功率熔丝时的熔滴过渡观察发现,激光功率为1 000 W、1 100 W、1 200 W与功率为1 300 W、1 400 W时的熔滴过渡方式存在较大差异,详细分析如下。
激光功率不高于1 200 W时,过渡模式为液桥过渡,是接触过渡中的一种特殊形态,熔滴通过液桥直接与熔池接触,过渡期间不分离。熔滴与液桥一体,主要受自身重力Fg、金属蒸气反作用力Fr、熔池表面张力Fβ和焊丝端熔融态金属表面张力Fγ、激光作用力Fl影响,受力分析如图4所示。重力由液桥质量决定,激光作用力主要受激光器参数影响,金属蒸气反作用力由蒸发的金属质量与加速度决定,三者促进熔滴的脱落与过渡;熔池表面张力主要受温度影响,促进液桥进入熔池,焊丝端表面张力阻碍熔融态金属过渡。功率不高于1 200 W时,温度未达到临界条件,表面张力系数较大,熔池的表面张力足以抗衡焊丝端的表面张力,将液桥不断拉入熔池。图5为激光功率分别为1 000 W和1 200 W时一个激光摆动周期内熔滴过渡与熔池形态,激光功率1 100 W时的过渡过程与1 000 W时近似,不再给出图片。过渡过程中熔滴与熔池直接接触,形成金属液桥,过渡过程平稳,无明显周期性,成形较稳定[(见图3(a)]。
图4 液桥过渡模式下的液桥受力
Fig.4 The force on the liquid bridge in the liquid bridge transition mode
图5 激光功率1 000 W、1 200 W时的熔滴过渡和熔池形态
(a)356 ms;(b)357 ms;(c)358 ms;(d)359.5 ms;(e)317 ms;(f)318 ms;(g)319 ms;(h)320.5 ms
Fig.5 Droplet transition and melt pool morphology at laser power 1 000 W and 1 200 W
(a)356 ms; (b)357 ms; (c)358 ms; (d)359.5 ms; (e)317 ms; (f)318 ms; (g)319 ms; (h)320.5 ms
此模式下熔滴过渡过程平稳,但激光光斑在周期性摆动过程中,仍对熔滴过渡有细微影响。如图5中356 ms时,激光光斑作用于画面里侧,画面外侧熔池无波动,基本无飞溅;357 ms与358 ms时激光光斑作用于路径中心,观察到明显飞溅现象,可能是由强烈的蒸气反作用力造成的。激光功率1 200 W时(317～320.5 ms),与激光功率1 000 W相比,热输入增大,熔池尺寸变大,熔池前端已延伸到液桥下方,使过渡过程更稳定,飞溅明显减少。同时熔池接收能量增大,流动性增强,润湿性更好[(见图3(c)]。
激光功率不低于1 300 W时,过渡模式转变为熔滴式接触过渡,熔滴在焊丝端悬挂长大,与熔池接触后进行过渡,过渡完成后分离。熔滴在过渡过程中主要由熔滴自身重力Fg、表面张力Fγ、激光作用力Fl和金属蒸气作用力Fr构成。受力分析如图6所示。金属蒸气作用力由垂直流动平面投影面积决定,抑制熔滴过渡。表面张力有两个作用:一是阻碍熔滴的脱落;二是促进熔滴形成球形。功率增大到1 300 W时,熔池温度升高,熔池的表面张力减小,无法维持液桥存在。熔滴在焊丝端长大,通过重力克服表面张力与熔池接触,在重力和熔池表面张力共同作用下完成过渡。与液桥过渡不同,焊丝熔化形成的熔滴与熔池呈周期性接触,存在熔滴过渡周期。如图7所示为功率1 300 W时的一个熔滴过渡周期,周期约为359 ms。在416 ms时上一个熔滴过渡周期完成与熔池分离,焊丝在激光的作用下重新熔化,形成熔滴并继续长大,至696 ms时熔滴与熔池接触,在重力、表面张力、金属蒸气的反作用力、激光作用力的共同作用下,熔滴过渡进入熔池,至775 ms时熔滴与熔池分离,熔滴过渡完成。此过程周期为350 ms±50 ms。此参数下周期较为稳定,成形良好[(见图3(d)]。激光功率1 400 W时熔池温度继续提升,使熔池表面张力减小,熔池表面无法维持稳定,产生剧烈振荡,易于接触到正在长大的熔滴,降低了熔滴过渡的稳定性,熔滴过渡周期呈现出显著的非均匀性。图8中(a)～ (d)(414～426 ms)和(e)～(h)(522～548 ms)分别为一个较短和较长过渡周期的熔滴过渡图像。短周期时熔滴较小,熔滴与熔池接触后的过渡快,而长周期时的熔滴长得更大,过渡时间更长(26 ms)。沉积过程中熔滴的大小、过渡时间的不同,以及熔池振荡导致的熔池形态差异,造成沉积层的宽度、高度不一致,表面不均匀、不平整[(见图3(e)]。
图6 熔滴式接触过渡模式下的熔滴受力
Fig.6 The force acting on the molten droplet in the droplet contact transition mode
图7 1 300 W激光功率时的熔滴过渡和熔池形态
(a)416 ms;(b)665 ms;(c)695 ms;(d)696 ms;(e)772 ms;(f)775 ms
Fig.7 Droplet transition and melt pool morphology at 1 300 W laser power
(a)416 ms; (b)665 ms; (c)695 ms; (d)696 ms; (e)772 ms; (f)775 ms
图8 1 400 W激光功率时的熔滴过渡和熔池形态
(a)414 ms;(b)415 ms;(c)425 ms;(d)426 ms;(e)522 ms;(f)523 ms;(g)547 ms;(h)548 ms
Fig.8 Droplet transition and melt pool morphology at 1 400 W laser power
(a)414 ms; (b)415 ms; (c)425 ms; (d)426 ms; (e)522 ms; (f)523 ms; (g)547 ms; (h)548 ms
2.3 不同扫描速度和送丝速度时的熔滴过渡和熔池形态
激光熔丝过程中的熔池受力主要包括表面张力、马兰戈尼力、重力、激光作用力、金属蒸汽反冲力、熔滴冲击力等,这些力的相互作用共同决定了熔池形态和行为。马兰戈尼力使液体从高温区向低温区流动,温度差越大效应越明显,激光直线摆动过程中,激光作用于中部区域时间大于边缘区域,熔池内整体流向为从中部向两侧流动。表面张力维持熔池表面稳定,收缩熔池尺寸。熔滴冲击力有利于热输入的传导以及熔池尺寸延伸。在液桥过渡模式中,当参数不匹配时,焊丝未及时熔化,造成焊丝对熔池的作用力。
如图9所示为扫描速度3mm/s、6mm/s、7mm/s时熔滴过渡过程,均保持连续的液桥过渡特征。扫描速度3mm/s和4mm/s过程相似,扫描速度较慢,热输入增大,使激光光斑作用处的熔池产生较大凹陷,成形后部由于激光的能量热积累,熔池温度提升,一方面使表面张力减小,另一方面增强了金属蒸气反冲力,造成凹陷产生后熔池无法及时恢复,熔池振荡,成形起伏[(见图3(f)];扫描速度5mm/s和6mm/s时,能够形成稳定的液桥,熔池小幅度波动,但不影响成形[(见图3(h)];扫描速度达到7mm/s时,过快的扫描速度使单位长度的焊丝未能接受足够的热输入,熔化量不稳定,形成的熔池形状不规则,成形不连续[(见图3(j)]。
图9 扫描速度3mm/s、6mm/s、7mm/s时的熔滴过渡和熔池形态
(a)468 ms;(b)469 ms;(c)470.5 ms;(d)312 ms;(e)313 ms;(f)314.5 ms;(g)968 ms;(h)1 220 ms;(i)2 560 ms
Fig.9 Droplet transition and melt pool morphology at scan speeds of 3mm/s and 6mm/s and 7mm/s
(a)468 ms; (b)469 ms; (c)470.5 ms; (d)312 ms; (e)313 ms; (f)314.5 ms; (g)968 ms; (h)1 220 ms; (i)2 560 ms
图10为送丝速度75 cm/min与225 cm/min时熔滴过渡与熔池形态,经观察可知,送丝速度较小和较大时的熔池形态相近,熔滴均通过液桥过渡。送丝速度较小时,焊丝熔化量少,熔池尺寸小,成形后熔宽小[(见图3(k)];送丝速度较大时,一方面焊丝熔化量增多增大了熔池尺寸,另一方面焊丝熔化消耗更多热输入,造成熔池接收热输入减少,降低了润湿性,成形上表现为鱼鳞纹消失,出现尺寸不稳定的趋势[(见图3(n)]。
图10 送丝速度75 cm/min、225 cm/min时的熔滴过渡和熔池形态
(a)353 ms;(b)354 ms;(c)356.5 ms;(d)253 ms;(e)254 ms;(f)256.5 ms
Fig.10 Droplet transition and melt pool morphology at wire feeding speed of 75 cm/min and 225 cm/min
(a)353 ms; (b)354 ms; (c)356.5 ms; (d)253 ms; (e)254 ms; (f)256.5 ms
2.4 工艺参数不匹配时的熔滴过渡与成形
送丝速度与扫描速度不匹配时(送丝速度快,扫描速度慢),激光能量大部分消耗在熔化焊丝上,熔滴长得过大,阻碍了激光对基材的能量输出,无法过渡成形,具体过渡形态如图11中(a)～ (d)所示(激光功率1 200 W、扫描速度2mm/s、送丝速度175 cm/min)。送丝速度与扫描速度不匹配时(送丝速度慢,扫描速度快),过快的送丝速度下,焊丝不能及时熔化,焊丝与基板碰撞后偏离,少部分熔化与基板粘接,大部分焊丝无法成形,如图11中(e)～ (h)所示(激光功率1 200 W、扫描速度5mm/s、送丝速度350 cm/min)。
图11 扫描速度与送丝速度不匹配时的熔滴过渡和熔池形态
(a)20 ms;(b)1 220 ms;(c)1 756 ms;(d)3 056 ms;(e)612 ms;(f)919 ms;(g)960 ms;(h)2 300 ms
Fig.11 Droplet transition and melt pool morphology when the scan speed does not match the wire feed speed
(a)20 ms; (b)1 220 ms; (c)1 756 ms; (d)3 056 ms; (e)612 ms; (f)919 ms; (g)960 ms; (h)2 300 ms
送丝速度与激光功率不匹配(激光功率1 200 W、扫描速度5mm/s、送丝速度40 cm/min)时,较低的送丝速度使焊丝所接收的激光能量提升,熔滴过渡方式转变。熔滴过渡过程如图10(a)所示,高速图像为宏观形貌图框内部分的熔滴过渡与熔池形态。此时热输入处于临界平衡状态,液桥过渡断裂后,激光能量用于焊丝末端熔滴生长和基板熔池的维持,熔池温度下降并收缩。液桥过渡时由表面张力主导,断裂后熔滴长大,由于送丝速度慢,熔滴与熔池处于同一水平面,熔滴长大后没有完全过渡而是形成液桥,再次达到临界平衡状态。1 380 ms时熔滴通过液桥过渡,1 383 ms时液桥断开,熔滴在焊丝端长大(1 383～1 523 ms),于1 525 ms时熔滴与熔池接触进行熔滴过渡,完成后继续通过液桥过渡至1 850 ms时再次断开。经观测,该动态过程的周期约为528 ms±30 ms。这种液桥过渡与熔滴过渡交替进行的过渡模式导致沉积层形成独特的珠链状形貌。
而当激光功率相对较小时(激光功率9 00 W、扫描速度5mm/s、送丝速度175 cm/min)时,过渡过程如图12(b)所示,热输入低,当熔滴长大的同时,基板上熔池体积小,熔滴接触不到熔池,无法成形。
图12 送丝速度与激光功率不匹配时熔滴过渡和熔池形态
(a)1 380 ms;(b)1 383 ms;(c)1 523 ms;(d)1 525 ms;(e)1 850 ms;(f)表面成形;(g)231 ms;(h)286 ms;(g)489 ms;(h)536 ms
Fig.12 When the wire feed speed does not match the laser power, the droplet transition and melt pool morphology
(a)1 380 ms; (b)1 383 ms; (c)1 523 ms; (d)1 525 ms; (e)1 850 ms; (f)surface molding; (g)231 ms; (h)286 ms; (g)489 ms; (h)536 ms
3 沉积层宏观形貌与熔滴过渡形态
沉积层横截面尺寸示意如图13所示,横截面如图14所示,标号代表表3中试验组别,表3中为不同参数下成形的沉积层形貌参数。
图13 横截面尺寸
Fig.13 Cross-sectional dimensions
图14 单层单道熔覆层的横截面形貌
Fig.14 Cross-sectional morphology of a single-layer single-pass cladding layer
表3 试验组别参数与试件尺寸数据表
Table 3 Data table of test group parameters and specimen dimensions
GroupLaser power/WScanning speed/(mm·s-1)Wire feeding speed/(cm·min-1)Melt width/mmMelt full height/mmWetting corners/(°)11 00051753.1882.301122.45621 10051753.3162.288112.45731 20051754.1812.28675.32841 30051754.3262.36662.92951 20031753.9113.534126.62461 20041753.5912.731121.84271 20061753.2492.14572.63481 2005753.5211.90251.71091 20051253.7062.24559.995101 20052254.0483.856127.856
激光功率为1 200 W时,熔宽较1 100 W时增大了约26.1%,超出了热输入提升的效果。这可能是因为功率1 200 W时熔池表面张力减弱,熔池边界延伸至液桥下方,改变了熔池的受力分布。功率1 100 W时,激光摆动至两侧,激光作用力与表面张力共同作用将熔融态金属拉入熔池;而功率1 200 W时,由于液桥下方与熔池前端成为一个整体,激光摆动到两侧时,激光作用力促使熔池向下和四周扩展,显著增大了熔宽。功率提升至1 300 W时,熔宽较1 100 W时增大了约30.5%,熔深成倍增长。一方面是因为功率提升增强了热输入,另一方面是因为功率1 300 W时过渡模式变为滴状过渡,熔滴跌落熔池带来冲击力,熔滴携带的热量使熔池温度提升且集中于上部,在减小表面张力的同时增强了马兰戈尼效应,促进熔池延伸。
扫描速度增大造成单位距离的热输入减小。总能量的降低对尺寸的影响占据主导地位,熔宽、熔全高减小。扫描速度增大加大了熔池中心与边缘的温度梯度,马兰戈尼效应产生了一个较强的指向熔池边缘的拉力,使熔池尺寸整体变小的同时,表现出了更好的润湿性。
增大送丝速度使单位距离内送丝量提升,熔宽、熔全高变大,润湿角减小。这是由于在不改变激光参数的情况下,激光总输出能量不变,更多、更密集的焊丝对激光的吸收率要高于固态母材,大量经过预热的焊丝进入熔池提高了熔池整体温度,间接提高了激光对熔池的热输入,使熔宽、熔全高等尺寸变大。更高的温度代表着更低的表面张力系数,更多、更密集的焊丝增强了熔池受到的冲击,提高了熔池的延展性,改善了润湿性。
4 结论
(1)本试验条件下,焊丝向熔池过渡分为液桥过渡与熔滴式接触过渡两种方式,过渡模式主要取决于激光功率的大小。当激光功率不低于1 300 W时,为熔滴式接触过渡。当激光功率不高于1 200 W时,为液桥过渡。液桥过渡模式更加稳定,与其他参数匹配范围较广。扫描速度与送丝速度共同调节单位时间内一定距离的送丝量,过慢会导致球化成形,过快则无法连续成形。激光功率相较送丝速度太小会导致热输入不足,无法成形。送丝速度相对激光功率较慢,一定参数条件下会达到液桥过渡临界状态,出现液桥过渡与熔滴式接触过渡交替进行,造成珠链状成形。
(2)激光功率决定了热输入的大小,激光功率的提升,使熔宽、熔全高变大,润湿角减小。扫描速度调和单位距离上的热输入与沉积量,扫描速度的提高使熔全高、润湿角减小。送丝速度决定了沉积量,熔宽、熔全高、润湿角随送丝速度的增加而增加。液桥过渡由表面张力主导,在竖直方向上热与力的传导不如熔滴式接触过渡,但在水平流动方向上的束缚性强于熔滴式接触过渡。故熔滴式接触过渡模式下对熔深的影响明显,液桥过渡模式下限制了润湿性进一步改善,但能更好地维持尺寸整体稳定。
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