JMPT：环形激光同轴送丝熔覆（ALB-WC）工艺的研究进展

摘要：本文通过实验研究了传统工艺参数（激光功率P、基板运动速度、送丝速度）以及名义基板照射比例（nominal workpiece irradiation proportion，WIPN）参数对环形激光同轴送丝熔覆（annular laser beam wire c

| 摘要介绍

本文通过实验研究了传统工艺参数（激光功率P、基板运动速度、送丝速度）以及名义基板照射比例（nominal workpiece irradiation proportion，WIPN）参数对环形激光同轴送丝熔覆（annular laser beam wire cladding，ALB-WC）过程稳定性和生成的熔覆层几何形状的影响。研究采用直径为0.6毫米的不锈钢AiSi 316L线材和不锈钢AiSi 304基板进行单层熔覆实验。

结果显示，为了保证熔覆过程稳定所需的激光功率随WIPN的增加呈非线性增加，并可以通过二次回归来描述。增加基板运动速度和送丝速度分别导致P-WIPN稳定参数区间减小或增大，造成该现象是因为随着熔覆层高度的增加，实际的基板照射比例（WIPE）高于名义基板照射比例（WIPN）。对于熔覆层几何形状，研究表明WIPN的增加导致稀释率降低，工件和熔池温度随之呈线性下降，而熔覆层的宽度和高度基本不受WIPN的影响。本文进一步利用热红外及视觉成像，考虑热传导、马兰戈尼流和激光反射的影响，对低\高WIPN两种情况下ALB-WC过程线材、熔池和基板进行观察，定性解释了工艺参数对过程稳定性和生成的熔覆层几何形状的复杂影响。

| 研究背景

激光丝材熔覆（laser wire cladding process，LWC）是一种增材制造工艺，利用激光束作为能量来源，在工件表面形成熔池，并注入金属丝材产生熔覆层。该工艺可用于各种应用，如涂层、修复和制造3D网格零件。除了其应用的多功能性外，LWC工艺比激光粉末熔覆（LMD）有更多优点，包括更低的材料成本（Heigel等人，2016）、更高的材料沉积速率和更有效的材料利用（Ding等人，2015）。通常而言，LWC工艺的性能取决于能量输入，除了工艺参数外，能量输入还可能受到系统设计的影响，系统设计通过几何关系定义了激光束、丝材和工件之间的相互作用。

LWC通常使用常规LWC系统进行：高斯激光束垂直于工件表面，以形成熔池，金属丝以一定角度横向送入熔池。线材可以从熔池的前部、后部或侧面横向进给，线材端部可以位于熔池的中心、后缘或前缘（Syed和Li，2005）。由于激光束、焊丝和工件的不同几何关系，送丝的方向和位置对工艺稳定性和熔覆层性能有很强的影响（Mok等人，2008）。除了横向金属丝熔覆的系统配置外，熔覆层的工艺稳定性和性能还受到工艺参数的影响，即激光束的功率以及工件和金属丝的进料速度，这些参数定义了工艺的输入能量和热条件，这些都是许多研究的主题。

本文介绍了环形激光同轴送丝熔覆（ALB-WC）工艺稳定性和生成的熔覆层几何结构的增强实验分析结果，并分析了这些特性与常规工艺参数（激光束功率、工件和送丝速度）和WIPN的关系。

| 研究亮点

(1)提出了不同参数对环形激光同轴送丝过程稳定性与成形形貌的影响。

(2)定义了参数WIPN-名义基板照射比例，并描述了其实验评估；解释了工艺参数的复杂影响，重点是WIPN对工艺稳定性的影响；通过在低和高WIPN下对ALB-WC工艺的现象学描述，定性解释了观察到的工艺参数对工艺稳定性的复杂影响以及熔覆层层几何形状与温度的关系。

(3)认为随着熔覆层高度的增加，实际的基板照射比例（WIPE）高于名义基板照射比例（WIPN），并以此解释了基板速度和送丝速度对稳定参数区间的影响。

(4)利用热红外及视觉成像对环形激光同轴送丝过程参数的影响进行定性分析解释。

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