多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型_黄胜.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.285 多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型*黄 胜1 李涤尘1 张晓宇1 崔 滨1 李青宇2 张安峰1(1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049 2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室 成都 610213)摘要：为了兼顾成形效率与精度，提出多光束变光斑激光定向能量沉积技术。研发了多光束变光斑激光熔覆头，该熔覆头采用 3 个激光输出头设计，输出的激光束在焦点处汇聚，每束激光束具有不同直径。开发了变光斑控制模块，通过控制 3 个激光束的不同组合，实现小光斑与多光束组合大光斑的快速变换。基于能量守恒和质量守恒原理，分析了激光、粉末和基板的交互作用，建立了多光束变光斑激光定向能量沉积工艺分析模型。经过实验证实，该分析模型能够预测不同工艺参数下的熔覆单道尺寸与粉末利用率，可为该工艺的参数优化和工艺参数选定提供参考。多光束变光斑激光定向能量沉积工艺具有响应速度快、可靠性高、激光能量利用率高等优点，为变光斑激光定向能量沉积工艺提供新的方法和相应的理论基础。关键词：增材制造；激光定向能量沉积；多光束；变光斑；分析模型 中图分类号：TH164 A Novel Technique and Analytical Model for Laser Directed Energy Deposition with Variable Spot Sizes Based on Multiple Beams HUANG Sheng1 LI Dichen1 ZHANG Xiaoyu1 CUI Bin1 LI Qingyu2 ZHANG Anfeng1(1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049;2.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610213)Abstract：In order to give consideration to both forming efficiency and precision of laser directed energy deposition(LDED),a novel technique for LDED with variable spot sizes based on multiple beams is proposed.A multi-beam laser cladding head with variable spot sizes is developed.The cladding head is designed with three laser beams,which converge at the focal spot,and the diameter of each laser beam is different.A control module for changing the laser spot size is developed to realize the rapid conversion between small spot and large spot by controlling different combinations of laser beams.Based on the principles of energy conservation and mass conservation,an analytical model for LDED with variable spot sizes based on multiple beams is established by analysing the interaction between laser,powder and substrate.Experiments have confirmed that the analytical model could predict the size of the clad and the catchment efficiency of the powder under different process parameters,which can provide a reference for parameter optimization and parameter selection of the process.It has the advantages of fast response speed,high reliability,high utilization rate of laser energy,which provides a new method and the corresponding theoretical basis for LDED technology with variable spot sizes.Key words：additive manufacturing；laser directed energy deposition；multiple beams；variable spot；analytical model 0 前言*激 光 定 向 能 量 沉 积(Laser directed energy 陕西省重点研发计划(2018ZDXM-GY-059)和国家自然科学基金(51775417)资助项目。20220522 收到初稿，20230117 收到修改稿 deposition,LDED)是增材制造中最具应用前景的技术之一，它将材料逐点堆积的增材成形原理与激光熔覆技术结合，通过将激光束聚焦到基板上形成熔池，并向熔池中同步输送粉末，使进入熔池的粉末快速熔化与凝固，利用激光束的移动逐点逐面堆积成形致密的金属零件1-6。采用小光斑激光束作为热 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 286 源，能够近净成形高精度零件，但其成形效率过于低下7。采用大光斑激光束，可以极大地增加成形效率，但无法直接成形薄壁、小孔等精细结构8。变光斑LDED技术结合了大光斑激光束成形效率高、小光斑激光束成形精度高的优点，可以对零件不同部位进行有的放矢的加工，是 LDED 技术的重要发展方向。现有 LDED 工艺的变光斑方案主要为变焦法。例如，德国 Fraunhofer 激光技术研究所设计了一种变焦激光熔覆头，内部包含可变焦的光学透镜组，透镜组在电机的带动下能够实现激光光斑直径的变化9-10。由于变光斑过程不改变工作距离，可以大大减少机械手的运动，特别适用于需要瞬时或连续改变熔覆宽度的工艺。但该激光熔覆头内部结构和控制系统较复杂，多出了可变焦光学系统，对环境稳定性要求较高，价格昂贵。再如，苏州大学设计了一种反射式中空激光光内送粉熔覆喷头。通过在光路系统中引入了圆锥反射镜和环形反射镜，将圆形截面的激光束转换成中空的圆环锥形光束。通过调整熔覆喷头与工件间的位置，改变环形光斑的尺寸，配合实时改变扫描速度及激光功率，能够直接沉积出高度相等、宽度逐渐变化的单道熔覆层11-12。但其控制程序较为复杂，需要通过机械手移动熔覆喷头来实现。为了避免变光斑过程的机械运动，西安交通大学李涤尘等13提出了一种多光束变光斑激光熔覆头，该熔覆头采用多个激光输出头设计，输出的激光束在焦点处汇聚，每束激光束具有不同直径，通过控制多个激光束的不同组合，能够实现大、小光斑的快速变换。LDED 工艺参数众多，不合适的工艺参数组合可能会导致熔覆层缺陷。LDED 工艺分析模型能够建立工艺参数与熔覆层几何形状的关联，为工艺参数优化和工艺参数选定提供参考，是 LDED 设备闭环控制设计的基础，因此，具有重要研究意义，得到广泛的关注。美国麻省理工学院的ROSENTHAL 等14对焊接工艺边界条件进行合理假设与简化，推导出了恒定移动热源微分方程的解析解ROSENTHAL 模型。ROSENTHAL 模型包含了移动速度与热源功率，能获得不同焊接工艺过程的温度场。ROSENTHAL 模型为 LDED 工艺中移动热源与基板之间的交互作用奠定了数学基础，可以被认为是 LDED 工艺分析模型的雏形之一。瑞士洛桑联邦理工学院的 PICASSO 等15提出了一个简单实用的 LDED 模型。PICASSO 模型分析了粉末粒子、激光束、熔池间的交互作用，考虑了粉末遮蔽引起的激光衰减，在给定激光功率、激光束尺寸和粉末流几何形状条件下，该模型可以预测不同扫描速度与送粉速率等工艺参数下的熔池几何形状。美国塔夫斯大学的 DOUMANIDIS 等16根据质量、动量和能量平衡原理，建立了集工艺参数、材料物性与热传导为一体的金属沉积工艺分析模型。该分析模型可以根据能束功率、材料进给和热源运动来动态描述椭球形熔池的尺寸和温度。加拿大滑铁卢大学的HUANG等17提出了LDED单道的综合分析模型。该模型分析了移动高斯激光束、粉末流与半无限体基板之间的耦合关系，考虑了衰减的激光强度分布、加热粉末的空间分布，能够快速预测熔覆层形状和粉末利用率。中国台湾成功大学的 LIN18研究了 LDED 工艺中粉末流的温度场，建立了激光辐照下粒子加热问题的简化一维模型。采用该模型求解出了不同激光强度、粒子大小和流速条件下的粉末流的温度场。华中科技大学 ZHANG 等19提出了一种用于预测铜基板上打印钢材料工艺参数的解析计算模型。该模型考虑了有效导热系数和比热容随层数的变化、吸收率和粉末利用率随工艺参数的变化。辽宁工程技术大学 ZHAO 等20考虑了光束分布、水平和倾斜基板熔覆层形成理论，建立了喷嘴垂直姿态和倾斜姿态熔覆层几何特征的解析模型，分析模型的预测值与实验结果吻合较好。至今，研究者们已经建立了许多 LDED 工艺分析模型14-25，这些模型经过实验验证，在工艺预测、工艺优化和控制器设计中得到应用。然而，现有的分析模型都是对特定设备的工艺特征作了一定地简化，并没有形成统一范式。对于本文提出的多光束变光斑 LDED 工艺而言，缺乏针对该工艺特征的分析模型。综上所述，本文提出一种多光束变光斑 LDED技术，通过分析该工艺下的激光、粉末和基板之间的交互作用，建立了该工艺的分析模型，进行了实验验证，并讨论了多光束 LDED 工艺与传统垂直单光束 LDED 工艺的差异，以期为变光斑 LDED 技术提供新的方法和相应的理论基础。1 多光束变光斑 LDED 工艺 多光束 LDED 系统如图 1 所示，该系统包括：1 台多模组(3 模组)光纤激光器，其最大输出功率为 4 000 W、波长为 1 070 nm，每个泵浦模块的功率约为总功率的 1/3，均连接 1 根输出光纤；1个多光束激光熔覆头，包含 3 个激光输出头(均匀、倾斜分布)，可输出 3 束激光，输出的 3 束激光束在月 2023 年 5 月 黄 胜等：多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型 287 焦点处汇聚，各激光输出头与光纤激光器的各模组间通过光纤分别连接；1 套送粉系统，包括氮气发生器、三筒送粉器、粉管；三轴运动单元；控制系统，包括激光运动控制卡，端子板、伺服驱动器、工控机等，用于激光输出和激光熔覆头运动的控制；冷却系统，包括冷水机和水管，用于激光器和激光熔覆头的冷却。图 1 多光束 LDED 系统 多光束激光熔覆头周向均匀分布 3 个激光输出头，可输出 1 束小光斑激光(半径 0.5 mm)和 2 束大光斑激光(半径 1.5 mm)。激光输出头按一定角度倾斜安装于多光束激光熔覆头上，输出的 3 束激光束的焦点在熔覆头轴线上汇聚，以确保大、小光斑变换前后的位置精度；3 个激光输出头的正下方设置 3根倾斜的送粉管，使每一股粉末流对应一束激光，并保证粉末流中心与激光汇聚中心交汇，如图 2a所示。图 2 多光束变光斑原理示意图与成形样件 为了实现变光斑功能，开发了变光斑功能控制模块。变光斑功能控制流程图如图 3a 所示，根据模型特征，若路径是外轮廓或细节部位，则开启激光器 1 号泵浦模块和对应粉路送粉筒，激光输送至小光斑激光输出头，输出半径为 0.5 mm 的小光斑激光(图 2b)，成形高精度的小光斑熔覆单道(图 2d)，用于工件轮廓的精细加工；若路径不是轮廓和细节部位，则开启激光器所有泵浦模块和所有送粉筒，激光输送至 3 个激光输出头，输出半径为 1.5 mm 的多光束组合大光斑激光(图 2a)，成形高效率的大光斑熔覆单道(图 2c)，进行工件内部的快速加工。由于没有机械运动，多光束变光斑技术具有响应速度快、可靠性高的优点。将变光斑控制代码整合到增材制造控制软件框架中，形成了具有变光斑功能的控制软件如图 3b 所示。图 3 变光斑功能控制流程图与控制软件 2 分析模型 2.1 假设 主要假设如下：基板为半无限体，熔化潜热等于凝固潜热，液相为不可压缩流体；材料的热物性参数与温度无关，仅考虑温度变化的平均值；假设粉末为等直径的球形，忽略重力的影响，粉末速度为载粉气体的速度；认为冲击进入熔池的粉末为有效沉积；不考虑对流传热与辐射传热。2.2 激光能量的空间分布 本文选择的激光呈 GAUSSIAN 分布，忽略激光束的发散角，则激光强度可表示为17 ()()22LLLLLL22LL22,expxyPI xyzrr+|=|(1)式中，LLL(,)I xyz为激光能量分布函数；LP为激光功率；Lr为激光束半径。如图4所示，激光为倾斜分布，于是将激光坐标LLLOx y z转换成基板坐标Oxyz，可得 LLLLsincosxxyyz=(2)机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 288 式中，L为激光束中心线与基板之间夹角；H为激光熔覆头到基板的距离。由于倾斜角较小，基板上激光光斑可视作圆形。将式(2)代入式(1)中，则工件坐标系下多光束激光能量强度分布为()L2L2,PI x y zr=()22LL2L2sincosexpxyzr+(3)图 4 激光、粉流与基板交互作用示意图 2.3 粉末粒子的空间分布 前人的研究表明粉末流呈Gaussian分布，忽略粉末流的发散角，故粉末粒子质量空间分布可表示为17,26 ()()()22pppppp22jetjet22,expxym zxyzrr+|=|(4)式中，()ppp,xyz为粉末粒子质量浓度空间分布函数；jetr为粉末流半径；()pm z为粉末粒子质量浓度分布函数，()ppm zm v=?；m?为送粉量，pv为粉末平均速度。根据假设(3)，认为粉末平均速度与载粉气体速度相同，因此粉末平均速度为()2p0vgr=；g为载粉气体流量；0r为送粉管内孔半径。由图4可知，与激光束类似，粉末流坐标pppOx y z与基板坐标Oxyz之间也存在式(2)的关系。因此，在基板坐标系中，粉末粒子质量浓度空间分布函数(),x y z与粉末粒子数量空间分布函数(),n x y z分别为()2pjet2,mx y zvr=?()22pp2jet2sincosexpxyzr+|(5)()32pppjet3,2mn x y zvr r2=?()22pp2jet2sincosexpxyzr+|(6)式中，p为粉末流中心线与基板之间夹角；pr为粉末粒子平均半径；p为粉末材料密度。2.4 激光与粉末的交互作用 激光束到达基板前，与粉末发生交互作用，会造成激光强度衰减。由于激光的波长(1 070 nm)远小于粉末的直径(50 m)，激光强度的衰减可认为是粉末粒子对激光的遮挡引起的17。因此，激光衰减率at为粉末粒子在激光柱中的投影面积与激光束截面面积比例，忽略粉末之间的互相遮挡，at可表示为15 ()atp jet p pLp2sinmr r v=?(7)粉末与激光交互作用会导致粉末温度上升，根据能量守恒定律可知 ()23patpppp4I,3x y zrtcrT =(8)式中，p为粉末对激光的吸收系数；pc为粉末材料的比 热 容；t为 激 光 与 粉 末 平 均 作 用 时 间，()LpLp2sincostrv=；T为粉末上升的温度增量，()p0=,T Tx y zT，()p,Tx y z为粉末吸收激光能量后的温度，0T为环境温度。于是()p,Tx y x可表达为()()Lpatp0pp p pLp3,=+,z2sincosrTx y zTI x ycr v (9)当被加热的粉末冲击基板，没有进入熔池的部分粉末会弹开；而进入熔池的粉末，会从熔池中吸收热量，增加粉末能量，直至粉末熔化。进入熔池的粉末继续熔化需要的能量密度为17 ()()()pppm,=,z,Ix y zcx yTx y zT(10)式中，mT为粉末熔点。2.5 基板传热模型 多光束激光熔覆头输出的激光呈倾斜分布，考虑激光属于圆偏振光，存在Brewster效应，因此，基板对激光的吸收率为15,28 ()()()ssw0 1=+()()swL0190=+(11)月 2023 年 5 月 黄 胜等：多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型 289 式中，()s为基板对倾斜激光的实际吸收率；为相对倾斜角，L90=；()s0为基板材料对激光的吸收率；w为材料系数。基板的传热模型可用半无限体表面移动点热源准稳态温度场的解析解ROSENTHAL方程来表示14()()()2L0,2V y RPeT x y zTR+=+222Rxyz=+(12)式中，(),T x y z为点(),x y z处的温度；V为点热源的运动速度(扫描速度)；为导热系数；为热扩散系数，()ppc=。对于多光束激光熔凝工艺，在Gaussian分布热源下，基板传热模型可表达为 ()()()()()22LL22LL02s1,2,0rrV yRrrT x y zTeIR =+=+d d ()()222Rxyz=+(13)对于多光束LDED工艺，基板的传热模型为()01,2T x y zT=+()()()22LL22LLsat1,0+rrrrI=()()()ppmf,z,cx yTx y zTLx y z()()2V yReR +d d ()()222Rxyz=+(14)式中，fL为凝固潜热。2.6 熔池形状与尺寸 激光熔凝和LDED工艺中，基板局部发生熔化，从而形成熔池，通常认为熔池的边界由材料的固液线(熔点)确定，即()m,T x y zT=。熔池形状示意图如图5所示，熔池的特征尺寸可表示如下 ()()()()()120 0000 000000000000 000F WxFWxFLyFLyFDz=,-,(15)图 5 熔池形状示意图 2.7 熔覆单道形状与尺寸 根据质量守恒定律，熔覆单道横截面面积DA与送粉率m?之间符合以下关系 DppA Vm=?(16)式中，p为粉末利用率。图6a为LDED工艺中基板表面形成的熔池与粉末流的关系示意图。根据假设(4)，认为只有冲击进入熔池的粉末才会形成有效沉积，而冲击到熔池外面的粉末将会弹开，因此，粉末利用率p可以表达为 ()()m,pp,d dTx y zx y zx ym v=?(17)将式(5)和熔池的边界条件代入式(17)可得 22221 1p1 1-LxWWWLxW=()22p22jetjetsin2expd dxyx yrr+|(18)图 6 粉斑、熔池和熔覆单道示意图 图6b为LDED熔覆单道的截面示意图，根据假设(4)，只有进入熔池的粉末为有效沉积，故可以认为熔覆单道宽度与熔池宽度大致相等。为了便于计算，假设熔覆单道的横截面面积是椭圆形面积的一半，故熔覆单道的横截面面积和高度的关系可以由下式求得 D=2AWh(19)式中，h为熔覆单道的高度；W为熔覆单道的半宽。将式(16)代入式(19)中，获得的熔覆单道高度为 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 290 pp2=mhVW?(20)3 实验方法 为了验证多光束LDED工艺分析模型，采用图1所示的多光束LDED系统在316L基板(尺寸为150 mm100 mm10 mm)上进行了316L不锈钢粉末(平均半径为40 m)的单道沉积实验。316L不锈钢的化学成分如表1所示。表 1 316L 不锈钢的化学成分(质量分数%）Cr Ni Mo Si Mn Fe 17.5 13 2.5 0.3 0.3 余量 采用不同激光束数量、激光束尺寸、激光功率、扫描速度和送粉率进行多光束激光熔凝工艺实验和多光束LDED工艺实验，具体实验方案如表2所示(说明，激光熔凝工艺无送粉率参数)。表 2 实验方案 实验 编号 激光 数量 光斑半径/mm 激光功率/W 扫描速度/(mm/s)送粉率/(g/min)1-1#1 0.5 266(25%)20 19.27 1-2#1 0.5 604(50%)20 19.27 1-3#1 0.5 977(75%)20 19.27 1-4#1 0.5 1 327(100%)20 19.27 1-5#1 0.5 604(50%)10 19.27 1-6#1 0.5 604(50%)30 19.27 1-7#1 0.5 604(50%)40 19.27 1-8#1 0.5 604(50%)20 13.55 1-9#1 0.5 604(50%)20 15.94 1-10#1 0.5 604(50%)20 24.02 2-1#1 1.5 311(25%)20 29.55 2-2#1 1.5 654(50%)20 29.55 2-3#1 1.5 993(75%)20 29.55 2-4#1 1.5 1 341(100%)20 29.55 2-5#1 1.5 654(50%)10 29.55 2-6#1 1.5 654(50%)30 29.55 2-7#1 1.5 654(50%)40 29.55 2-8#1 1.5 654(50%)20 19.27 2-9#1 1.5 654(50%)20 24.02 2-10#1 1.5 654(50%)20 37.76 3-1#3 1.5 991(25%)75 63.68 3-2#3 1.5 2 023(50%)75 63.68 3-3#3 1.5 3 052(75%)75 63.68 3-4#3 1.5 4 058(100%)75 63.68 3-5#3 1.5 2 023(50%)50 63.68 3-6#3 1.5 2 023(50%)100 63.68 3-7#3 1.5 2 023(50%)125 63.68 3-8#3 1.5 2 023(50%)75 46.4 3-9#3 1.5 2 023(50%)75 82.24 3-10#3 1.5 2 023(50%)75 102.23 在多光束激光熔凝工艺实验时，不需要进行送粉，其激光束数量、激光束尺寸、激光功率和扫描速度如表2中1-1#1-7#、2-1#2-7#、3-1#3-7#所示。利用Matlab软件对多光束LDED工艺分析模型进行计算，分析模型中涉及的316L不锈钢热物性参数15,28-31与激光熔覆头结构参数如表3所示。将沉积后的316L不锈钢板沿着垂直于扫描方向截断，制备成金相试样，在Keyence VH-600型光镜(OM)下观察熔池和熔覆单道形貌，利用ImageJ软件分析OM图片，测量熔池的宽度与深度，以及熔覆单道的宽度与高度。通过测量沉积前后的基板重量获得沉积重量，计算送粉率和沉积时间的乘积获得送粉总质量，采用沉积重量与送粉总质量之比评价粉末利用率。表 3 316L 不锈钢的热物性参数与激光熔覆头结构参数 性能 数值 密度/(kg/mm3)29 8106 导热系数/(W/(mm K)30 21.3103 比热容c/(J/(kg K)30 576 熔化潜热fL/(J/kg)29 2.73105 熔点mT/K29 1 658 基板对激光吸收系数(0)s28 0.2 粉末对激光吸收系数p(0)31 0.3 Brewster效应系数w15 0.016 7 环境温度0T/K 298 激光束与基板的夹角L/()82 粉末流与基板的夹角P/()73 喷嘴到基板的距离H/mm 24 粉末流半径jetr/mm 2 粉末平均半径pr/mm 4102 送粉气流量g/(L/min)0.3 送粉管内径0r/mm 0.4 4 试验结果与分析 4.1 多光束激光熔凝 利用Matlab软件对式(13)与式(15)进行数值计算，得到了激光熔凝工艺下基板的温度场与所形成的熔池形状，如图7所示。熔池呈椭圆形状，熔池与温度场关于速度方向(y=0面)呈对称分布，熔池前端(y正向)的温度梯度最大，熔池后端(y负向)的温度梯度最小，从熔池前沿到熔池后沿温度梯度逐渐减少。月 2023 年 5 月 黄 胜等：多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型 291 图 7 316L 基板上的温度场与熔池 图810分别显示了不同光斑尺寸、激光功率、扫描速度下激光熔凝工艺分析模型(式(13)预测的熔池形状与实验的熔池形状。由图810可见，激光熔凝工艺分析模型预测的熔池形状与实验结果相似，随着激光功率增加，熔池变宽变深；随着扫描速度增加，熔池变窄变浅。图11为不同激光熔凝工艺参数下熔池尺寸的数值计算结果与实验结果。由图11可见，数值计算结果与实验结果呈现了相同的规律，随着激光功率的提升，熔池宽度与深度单调增加，而随着扫描速度的提高，熔池的宽度与深度单调减少。这表明激光熔凝工艺分析模型可以定性地预测工艺参数对熔池宽度与深度影响的变化趋势。如图11a所示，对于半径为0.5 mm的单束激光，激光熔凝工艺分析模型数值计算结果与实验结果很好地相符，其中熔池宽度平均相差8.9%，熔池深度平均相差18.5%。如图11b所示，对于半径为1.5 mm的单束激光，数值计算的熔池宽度与实验值平均相差11.1%，数值计算的熔池深度与实验值平均相差了14.2%。如图11c所示，对于半径为1.5 mm的3光束组合激光，分析模型数值计算的熔池宽度与实验值平均相差9.4%，数值计算的熔池深度与实验值平均相差14.5%。由此可见，利用激光熔凝工艺分析模型可以比较准确地预测不同工艺参数下形成的熔池宽度与深度。图 8 不同工艺参数下半径为 0.5 mm 的单光束激光熔凝工艺分析模型预测的熔池截面与实验结果 图 9 不同工艺参数下半径为 1.5 mm 的单光束激光熔凝工艺分析模型预测的熔池截面与实验结果 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 292 图 10 不同工艺参数下半径为 1.5 mm 的 3 光束激光熔凝工艺分析模型预测的熔池截面与实验结果 图 11 不同激光熔凝工艺下预测的熔池尺寸与实验结果 激光熔凝工艺分析模型数值计算的熔池深度与实验值存在一定的差别。这种现象可能与材料的物性参数有关，密度、导热系数和比热容等物性参数依赖于温度，因此实际的物性参数是随温度非线性变化的，为了简化计算，分析模型中的物性参数通常假定为常数15-17，故数值计算的熔池尺寸与实验值存在差别。另外一个可能的原因是液相中MARANGONI对流32引起了熔池尺寸的变化。激光能量呈GAUSSIAN分布，光斑中心激光能量密度过高，而光斑四周激光能量密度过小，致使熔池中心温度比熔池边缘处高。当激光能量合适时，熔入金属液的氧含量较低，此时，金属液 的 表 面 张 力()随 温 度 提 高 而 减 少，即0T，这会导致金属液从熔池边缘向中心流动，即反MARANGONI对流效应32，致使熔池深度增加。4.2 多光束 LDED 利用Matlab软件对多光束LDED工艺的温度场模型(式(14)进行了数值分析，计算出熔池；然后根据式(15)计算出熔池前半长1L、后半长2L、半宽W等特征参数；再利用式(18)计算出粉末利用率p；最后将其代入式(20)，便获得熔覆单道的高度。图1214分别显示了不同激光功率、扫描速度、送粉率下LDED工艺分析模型预测的熔覆单道与实验获得的熔覆单道，由图可见，分析模型预测的熔覆单道形状与实验的熔覆单道形状非常相似，两者尺寸也非常相近，随着激光功率增加，熔覆单道宽度与高度增加；随着扫描速度增加，熔覆单道宽度与高度下降；随着送粉率增加，熔覆单道宽度减小、高度增大。图15显示了不同工艺下LDED工艺分析模型型数值计算的熔覆单道宽度、高度、粉末利用率与实验结果的定量比较。由图可见，分析模型数值计算结果与实验结果呈现了相同的变化规律，表明分析模型可以定性地预测工艺参数对LDED熔覆单道宽度、高度与粉末利用率影响的变化趋势。月 2023 年 5 月 黄 胜等：多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型 293 图 12 不同工艺参数下半径为 0.5 mm 的单光束 LDED 分析模型预测的熔覆单道截面与实验结果 图 13 不同工艺参数下半径为 1.5 mm 的单光束 LDED 分析模型预测的熔覆单道截面与实验结果 图 14 不同工艺参数下半径为 1.5 mm 的 3 光束 LDED 分析模型预测的熔覆单道截面与实验结果 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 294 图15a呈现了工艺参数对0.5 mm半径单光束LDED沉积单道的宽度、高度和粉末利用率的影响规律。由图可见，随着激光功率增长，熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率均单调增加，但它们的平均增长率却不一样，宽度的平均增长率要高于高度。且随着激光功率增加，宽度和高度的增长率越来越小，粉末利用率的增长率却越来越大。随着扫描速度增加，熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率均单调减小，其中高度的减小率要大于宽度。随着送粉率增加，熔覆单道的宽度和粉末利用率减小，而高度有所增加。定量结果显示，数值计算的熔覆单道宽度与实验值平均相差18.9%，数值计算的熔覆单道高度与实验值平均相差6.6%，数值计算的粉末利用率与实验值平均相差18.6%。图15b显示了不同工艺参数下1.5 mm半径单光束LDED工艺分析模型数值计算结果与实验结果。其激光功率、扫描速度和送粉率对熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率的影响规律与图15a所呈现的规律一致。定量比较结果显示，数值计算的熔覆单道宽度与实验值平均相差19.4%；数值计算的熔覆单道高度与实验值平均相差9.1%；数值计算的粉末利用率与实验值平均相差17%。图 15 不同工艺下 LDED 分析模型预测的熔覆单道尺寸、粉末利用率与实验结果 图15c展示了不同工艺参数下1.5 mm半径的3光束LDED工艺分析模型数值计算结果与实验结果。其中，激光功率、扫描速度对熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率的影响规律与单光束LDED工艺一致，与激光束尺寸、数量无关。送粉率对熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率的影响规律与单光束LDED工艺不同，随着送粉率的提升，熔覆单道的宽度和粉末利用率单调下降，但熔覆单道高度先略月 2023 年 5 月 黄 胜等：多光束变光斑激光定向能量沉积工艺及分析模型 295 微上升，然后再下降。定量比较结果显示，数值计算的熔覆单道宽度与实验值平均相差8.4%，数值计算的熔覆单道高度与实验值平均相差11.2%，数值计算的粉末利用率与实验值平均相差14.6%。图15中高功率和低扫描速度工艺下熔覆单道尺寸的误差棒相对较大，这可能与熔覆层表面黏粉有关。当激光功率较高或扫描速度较低时，激光能量密度增大，熔池凝固速度减缓，粉末容易黏附到熔融熔覆单道表面，从而影响了测量 结果。计算结果与实验结果的比较研究表明，多光束LDED工艺分析模型不仅可以定性地预测工艺参数对熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率影响的变化趋势，还可以比较准确地预测不同工艺参数下成形的熔覆单道的宽度、高度和粉末利用率。5 讨论 多光束LDED工艺中基板和粉末对激光能量的吸收与传统垂直单光束LDED工艺存在差异。由式(11)可知，由于Brewster效应的存在，多光束LDED工艺(倾斜的激光束)中基板对激光的吸收率()s是垂直单光束LDED工艺中基板对激光吸收率()0的1w+倍，即多光束LDED工艺中基板对激光能量的吸收更多。图16为垂直单光束LDED工艺与多光束LDED工艺中激光、粉末作用示意图。由图16a可知，对于激光能量密度为1q的垂直单光束LDED工艺，粉末与激光的作用面积不变化，为22tprS=，对激光的遮挡面积为2pr。因此，因粉末遮挡而减少的能量stQ为 21stpr q tQ=(21)式中，t为粉末与激光的作用时间。图 16 传统垂直单光束 LDED 工艺与多光束 LDED 工艺中激光、粉末作用示意图 由图16b可知，在多光束LDED工艺中，粉末与激光的作用面积以及粉末对激光的遮挡面积随着粉末位置的变化而改变。图17为多光束LDED工艺中粉末、激光、基板交互作用示意图，假设有2束激光作为热源，每束激光的能量密度为12q，由于倾斜角较小(=8)，为方便计算认为其投影面积均为圆形。如图17a、图17b所示，当粉末的高度sinpphr，粉末只与激光束1或激光束2的作用面积均为245pr，粉末与两束激光同时作用面积 为()2245 pr，总 作 用 面 积 为()2=245 pSr+，粉末对激光束1和激光束2遮挡总面积为22pr。作用时间为1t，因粉末遮挡而减少的能量s1Q为 211 1spQr q t=(22)图 17 多光束激光定向能量沉积工艺中粉末、激光、基板交互作用示意图 如图17c所示，当粉末sinpphr，粉末与激光束1、激光束2的总作用面积仍为()2245 pr+，粉末对激光束1与激光束2遮挡总面积22prS。因此，因粉末遮挡而减少的能量s2Q分别为 221 2spQr q t(23)假设多光束LDED工艺与垂直单光束LDED工艺中粉末与激光的作用时间相同，即12ttt+=，因此，多光束LDED工艺中因粉末遮挡而减少的能量sQ与激光与粉末的作用面积S分别为 2121=+ssspstQQQr qtQ=(25)综上所述，与垂直单光束LDED工艺相比，多光束LDED工艺提高了基板对激光能量的吸收、增大了粉末与激光的作用面积、降低了因粉末遮挡引起的激光能量的衰减量，因此具有更高的激光能量利用率。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 296 6 结论(1)本文提出了一种多光束组合变光斑技术。研发了多光束变光斑激光熔覆头，该熔覆头采用3个激光输出头设计，每个激光输出头可输出不同直径的激光束，输出的激光束在焦点处汇聚。开发了变光斑控制模块，通过控制激光束的不同组合，实现小光斑与多光束组合大光斑的快速变换，进而实现精度与效率的兼顾。具有光斑调节范围大，响应速度快和可靠性高等优点。为变光斑激光定向能量沉积工艺提供新的方法。(2)建立了多光束激光定向能量沉积工艺分析模型。经过实验证实，该分析模型能够定性地预测工艺参数对熔覆单道尺寸与粉末利用率影响的变化趋势，还能定量地预测不同工艺参数下的熔覆单道尺寸与粉末利用率，可以为多光束激光定向能量沉积工艺参数优化和工艺参数选定提供参考。与传统激光定向能量沉积工艺相比，多光束激光定向能量沉积工艺增加了激光与粉末的作用面积、降低了粉末对激光的遮挡，增加了材料对激光能量的吸收，提高了激光能量利用率。参 考 文 献 1 李涤尘，贺健康，田小永，等.增材制造：实现宏微结构一体化制造J.机械工程学报，2013，49(6)：129-135.LI Dichen，HE Jiankang，TIAN Xiaoyong，et al.Additive manufacturing：Integrated fabrication of macro/microstructuresJ.Journal of Mechanical Engineering，2013，49(6)：129-135.2 LIU Z，KIM H，LIU W，et al.Influe