激光工程化净成形技术的研究

    1．引言

    激光工程化净成形技术（Laser Engineered Net Shaping, LENS）是一种新的快速成形技术，它由美国Sandia国立实验室首先提出，也有资料将LENS译成“激光近形制造技术”或者“激光近净成形技术”。它将选择性激光烧结（SLS）技术和激光熔覆（Laser Cladding）技术相结合，快速获得致密度和强度均较高的金属零件。
    选择性激光烧结技术的工作原理如下：首先在计算机上通过CAD软件生成零件的CAD实体模型，并且将该实体模型离散化生成STL文件；然后利用切片软件读取STL文件，将零件切成一系列薄层，并生成每一层的扫描轨迹；最后在活塞工作台上逐层铺上金属粉末，用相应的每层扫描轨迹控制激光束对金属粉末进行扫描烧结，形成所需形状的金属零件。
    通过选择性激光烧结得到的金属零件实际上是密度和强度都很低的多孔金属零件。要提高这种多孔金属零件的强度，必须采用浸渗树脂、低熔点金属或热等静压等后处理方法。但这些后处理方法既改变了金属零件的性能和精度，又延长了零件加工的时间，从而失去快速成形技术的特色。
    激光熔覆技术是材料表面改性技术的一种重要方法，它是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光熔覆可以通过两种方法完成：其一是预先放置松散粉末涂层，然后用激光重熔；其二是在激光处理时，采用气动喷注法把粉末注入熔池中。激光熔覆技术的本质是利用高功率激光将金属粉末直接加热至熔化，从而形成材料间的冶金结合。激光熔覆形成的材料组织致密、性能优良。
    激光工程化净成形技术将选择性激光烧结技术和激光熔覆技术相结合，既保持了选择性激光烧结技术成形零件的优点，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺点。它最大的特点是制作的零件密度高、性能好，可作为结构零件使用。该技术的缺点是需使用高功率激光器，设备造价昂贵；成形时热应力较大，成形精度不高。
    目前，激光工程化净成形技术可用于制造成形金属注射模、修复模具和大型金属零件、制造大尺寸薄壁形状的整体结构零件，也可用于加工活性金属如钛、镍、钽、钨、铼及其它特殊金属。

    2．激光工程化净成形系统的组成

    激光工程化净成形技术是选择性激光烧结技术和激光熔覆技术的结合，因此其工作原理及系统的组成与选择性激光烧结技术相似。本实验所设计的激光工程化净成形系统共由四部分组成：计算机、高功率激光器、活塞式铺粉器和X—Y工作台。

    (1)计算机
    在激光工程化净成形系统中，计算机将参与零件成形全部过程，该过程包括两个阶段：①成形准备阶段。建立零件的CAD实体模型，并将该CAD实体模型转换成STL文件，对零件的STL文件进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层及每一薄层的扫描轨迹；②成形加工阶段。对系统中各部件（包括激光器光闸、校正光开关、保护气气阀、铺粉电机、活塞电机以及X—Y工作台电机等等）进行统一指令下的有序控制，完成金属零件的加工过程。

    (2)高功率激光器
    在选择性激光烧结系统中，金属粉末往往与低熔点添加粘结剂相混合，激光烧结时只是将粘结剂熔化，熔化的粘结剂将金属粉末粘结在一起形成金属零件坯体，因此激光器的功率一般较低。而在激光工程化净成形系统中，激光直接熔化金属粉末，实现熔覆作用，因此要求采用高功率激光器。在本实验系统中采用武汉楚天工业激光设备有限公司生产的JHM-1GX 200B型Nd：YAG高功率固体脉冲激光器，激光波长为1.06μm，产生的激光用具有柔韧传输特性的光纤进行传输。

    (3)活塞式铺粉器
    在美国Sandia国立实验室中，激光工程化净成形系统采用喷嘴将金属粉末喷射到高功率激光的焦点处使粉末熔覆；而本实验中采用预先放置松散粉末涂层方法，该送粉方式与传统选择性激光烧结中活塞式铺粉方式基本相同。活塞式铺粉器的移动式贮粉箱移过活塞端口时完成铺粉和压实过程，活塞下降实现加工零件的堆积长高，最终得到金属零件实体。

    (4)X—Y工作台
    在选择性激光烧结系统中采用振镜摆动方式实现扫描，而在本实验所设计的激光工程化净成形系统中采用X—Y工作台来实现平面扫描运动。具体做法是将激光头固定在X—Y工作台的悬臂上，使激光头随工作台一起做平面运动，实现逐点逐线激光熔覆直至获得一个熔覆截面。

    3．成形加工中若干问题及其解决办法

    由于在激光工程化净成形系统中采用高功率激光器进行熔覆烧结，因此就会遇到与选择性激光烧结系统中不同的新问题，恰当地解决好这些问题则是成形加工的关键。

    3.1 体积收缩率过大问题及其解决
    在各种金属直接成形技术中都存在着体积收缩问题，这是由于金属粉末的密度即使在高温压实的状态下仍然比较低，而烧结后密度将增加，从而造成在相同质量条件下体积的收缩。这种体积收缩现象在选择性激光烧结中不明显，因为烧结后的零件仍然是强度和密度均较低的多孔金属零件，其密度一般只能达到该金属密度的50%。但是在激光工程化净成形系统中，体积收缩则是一个十分明显且不容忽视的问题，因为在高功率激光熔覆作用下，加工后金属件的密度将与其冶金密度相近，从而造成较大的体积收缩现象。
    体积收缩现象实验：铺粉厚度为1.5mm，激光熔覆之后的厚度仅为约0.03mm。1.5mm厚的粉末除少部分在脉冲激光作用下迸飞之外，其余绝大多数体积收缩并熔覆在厚度仅为0.03mm的薄层中。该实验材料为500目纯镍粉；激光参数为：脉冲电流250A、脉冲宽度4.0ms、脉冲频率2Hz；扫描速度为1mm/s；保护气体为氩气，流量5L/min。
    在选择性激光烧结技术中，铺粉厚度一般与分层厚度相同。而在激光工程化净成形技术中，由于体积收缩过大，要求铺粉厚度必须远大于分层厚度才能保证加工后实体高度误差在较小的范围之内。然而过大的铺粉厚度会引起金属粉末严重迸飞流失，使下一条扫描线上粉末厚度骤减，无法实现连续扫描。
    本实验采用单层多次铺粉、多次扫描方式，很好地解决了由体积收缩率过大而造成的影响。例如，如果分层厚度为0.1mm，按照铺粉厚度1.5mm产生0.03mm厚熔覆层这一比例，在层数不变的情况下连续铺粉3次并扫描3次即可获得厚约0.1mm的一层熔覆层。

    3.2 粉末爆炸迸飞问题及其解决
    粉末爆炸迸飞是指在高功率脉冲激光的作用下，粉末温度由常温骤增至其熔点之上而引起其急剧热膨胀致使周围粉末飞溅流失的现象。发生粉末爆炸迸飞时常常伴有“啪、啪”声，在扫描熔覆时会形成犁沟现象。激光焦点位于熔覆表面处，焦斑直径0.8mm。这种犁沟现象使粉末上表面的宽度常常大于熔覆面宽度两倍之多，从而使相临扫描线上没有足够厚度的粉末参与扫描熔覆，无法实现连续扫描熔覆加工。这种粉末爆炸迸飞现象是在高功率脉冲激光熔覆加工中所特有的现象，原因有两个：其一是该激光器一般运行在500W的平均功率上，但脉冲峰值功率可高达10kW，大于平均功率15倍之多；其二是脉冲激光使加工呈不连续状态，在铺粉层上形成热的周期性剧烈变化。
    在本实验中，通过两种办法的综合运用有效地减小了粉末爆炸迸飞现象的发生：
    (1)在铺上一层金属粉末之后，均匀滴注20%的502—丙酮溶液，待丙酮完全蒸发之后，金属粉末就会在502胶的作用下粘结在一起，从而减小粉末的爆炸迸飞。
    (2)加工表面位于激光焦点之下的某一位置。在一般的快速成形中，都尽可能使加工表面位于激光焦点处，这样既保证最大的加工精度又使激光能量充分聚集。但是在本实验系统中，高能量的聚集恰恰是粉末爆炸迸飞的直接原因，因此将熔覆面放到焦点以下的某一位置可以使激光能量适当地分散，有效地减小粉末爆炸迸飞现象的发生。但是激光光斑直径会变大，在减小粉末爆炸迸飞并提高加工效率的同时对加工精度产生一定的负面影响。
    在本实验中综合运用上述两种方法，当光斑直径取1.5mm时既保证了一定的加工精度，又有效地减小粉末爆炸迸飞现象的发生，达到很好的连续加工效果。

    3.3 加工表面质量问题及其解决
    在激光扫描熔覆过程中，每一层的表面质量都至关重要，它总是下一层加工面的基础，所以单层表面的粗糙度以及缺陷直接影响后续加工质量，而其积累结果将决定金属零件的最终生成质量。影响加工表面质量的因素很多，这里主要讨论脉冲激光光斑重合率以及扫描轮廓线对表面质量的影响。
    (1)光斑重合率对表面质量的影响
    脉冲激光光斑重合率是指相临两个脉冲光斑或相临两条扫描线间的重合程度。当两个相临光斑完全重合时，重合率为100%；相切时为0；相交时则介于0～100%之间。
    光斑重合率计算公式如下：
    η=l/2r×100% (1)
    式中l的长度决定于光斑半径r、脉冲频率f和扫描速度v，当激光脉冲频率f取2Hz时，l与v的关系如下式所示：
    2r-l=v (2)
    将式（2）代入式（1）并加以整理可得：
    η=（1-v/2r）×100% (3)
    由式（3）可以看出，光斑重合率随扫描速度增加而减小、随光斑半径增加而增加。由于光斑重合率的取值范围在0～1之间，所以要满足下面的关系式:
    0＜1-v/2r＜1 (4)
    式中1-v/2r＜1是显然的。由0＜1-v/2r可得v＜2r，即扫描速度必须小于激光光斑的直径。相反，若v＞2r，相邻光斑则完全分离，无法实现连续的熔覆烧结，显然无法生成实体零件。
    理论上讲，重合率越大加工后的表面越均匀，然而过大的重合率会严重影响加工的效率。因此实验上采用50%的重合率，即相邻光斑以及相邻扫描线之间的距离均取光斑半径长度。这样既保证一定的表面质量，又提高了加工效率。
    (2)扫描轮廓线对表面质量的影响
    在选择性激光烧结中，每一层都要先扫描轮廓线，然后再对轮廓线内部进行扫描填充，这样可保证轮廓清晰，并获得较好的侧表面质量。而在本实验中，扫描轮廓线造成了十分明显的边缘凸起现象，从而恶化表面质量。产生边缘凸起现象的主要原因在于铺粉后先扫描的轮廓线没有受到粉末爆炸迸飞的影响。
    解决轮廓线凸起的一个十分直接的方法就是不对轮廓线进行扫描，或者先扫描填充线后扫描轮廓线。本实验中采用忽略轮廓线扫描的办法，各条填充线端部在热熔金属熔合作用下，也可以获得较理想的边缘质量。

    4．结语

    激光工程化净成形技术将选择性激光烧结技术和激光熔覆技术相结合，快速成形密度高、性能好并可作为结构零件使用的金属零件。本文设计并组建具有自己特色的激光工程化净成形系统，并对成形加工中遇到的若干问题进行分析和解决，为成形实验的进一步开展奠定基础。