激光熔覆过程中等离子体蓝紫光强度与主要熔覆工艺参数的关系

哈 达 洪 蕾

(上海海事大学物流工程学院，上海200135)

激光熔覆光信号监测是研究激光等离子体强度及其对熔覆层质量影响的重要方法之一。熔覆工艺参数对激光熔覆以及熔覆过程中的等离子体的影响作用最终通过一些过程参量，如熔池的形状和尺寸、熔池温度等体现出来。这些参量将最终决定激光熔覆过程的稳定性和熔覆质量。国内外学者对熔覆过程监测做了很多研究，如利用激光三角测量原理对熔池附近已熔覆点和未熔覆点的高度差进行实时检测；通过红外传感器及CCD摄像对激光熔覆过程进行实时检测；以及采用CCD摄像机对粉末流温度场进行检测等。本实验以观察等离子体拾取其光信号达到监测激光熔覆过程的目的，通过实验分析熔覆过程参数对激光等离子体及其光信号的影响，进而分析这些参数对熔覆层质量的影响, 为熔覆实时控制及自动化控制做准备。

激光熔覆是一个复杂的工艺过程，激光熔覆工艺参数主要包括激光功率(P)、扫描速度(VS)、光斑尺寸(D)和送粉速率(Vg)等。激光熔覆工艺参数的选择将直接影响熔覆过程中等离子体的产生，进而影响熔覆层的质量、组织和性能等方面。因此我们通过控制这些工艺参数，检测等离子体的光信号。

因为激光功率(P)和光斑尺寸(D)综合起来是反应激光能量密度，而实验设备对光斑尺寸的调节比较耗时，所以我们固定光斑尺寸，通过改变激光功率的大小来改变激光能量密度。本实验通过对预定采集点数据的采集，利用信息处理工具MATLAB软件对相关数据进行处理，这样可以更形象的反应各工艺参数对等离子体的影响。由于设备限制，本实验的激光设备为矩形光斑(1.5 mm×6 mm)，而粉末是通过同步送粉法通过圆形管道送粉，直径为6 mm，故有一部分粉末在熔覆过程中不能被激光扫描到，这部分粉末只能通过热传递来熔化，可能会出现熔化不充分的情况。

1 等离子体蓝紫光强度与激光功率的关系

实验中熔覆材料为60 mm固定长度的钢板，激光扫描速度VS为2 mm/s，送粉速率Vg为17.6 g/min，激光功率分别为800 w、1 600 w、2 200 w和2 600 w的情况下蓝紫光强度的变化曲线见图1。

图1 不同功率下，等离子体蓝紫光强度随时间变化的曲线Figure 1 Plasma blue-violet light intensity changes with time under different power

从图1中可以看出，蓝紫光强度与激光功率成正比，激光功率越大，蓝紫光强度越高。而且蓝紫光的强度并不稳定，而是在一定范围内波动变化。这是由于在熔覆过程中激光与基体，激光与粉末，粉末和基体之间的相互作用具有波动性，他们只能保持相对的稳定，而且气动同轴送粉也只是相对稳定，这些因素综合起来导致蓝紫光强度的波动变化。表1为不同功率密度下蓝紫光强度。

表1 不同功率密度下蓝紫光强度Table 1 Blue-violet light intensity under different power

2 等离子体蓝紫光强度与扫描速度VS的关系

实验固定激光功率为1 000 w，送粉率Vg为17.6 g/min，扫描速度VS分别为2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s和8mm/s 情况下蓝紫光强度的变化曲线见图2。

从图2可以看出，在扫描过程中，各扫描速度下蓝紫光强度很接近，蓝紫光强度随着扫描速度VS增大基本不变。这主要是由于气动同轴送粉，粉末与激光束相对静止，激光功率与粉末下落时间保持不变，所以粉末颗粒在下落的过程中吸收的能量基本保持不变，从而蓝紫光强度也基本保持不变。图2中蓝紫光强度的值基本上都为(0.4～0.8)μw/cm2。

图2 不同扫描速度VS下，蓝紫光强度随时间变化的曲线Figure 2 Blue-violet light intensity changes with time under different scanning speed

3 等离子体蓝紫光强度与送粉率Vg的关系

由于送粉率的可控制范围相对比较小，因此结合具体情况，主要测量了在激光功率为2 500 w，扫描速度VS为4 mm/s，气压为12 Pa，送粉率Vg分别为(0、2.4、5.3、12.7、17.6和21.2)g/min的情况下，蓝紫光强度与送粉率的关系曲线，如图3。

图3 蓝紫光强度与送粉率的关系曲线Figure 3 Blue-violet light intensity changes with powder feed rate

从图3可以看出蓝紫光强度随送粉率的增大，先增大后减小。这主要是由于在送粉率Vg为0 g/min时，即相当于激光淬火，此时蓝紫光强度在不同的扫描速度VS下，基本上等于外界光源的干扰值。随着送粉率的增大，部分粉末气化击穿形成等离子体，蓝紫光强度增强。当送粉率Vg达到一定值时，蓝紫光强度达到最大值，随着送粉率Vg的继续增大，粉末“浓度”增大。当粉末“浓度”达到一定值时，可以把粉末近似看成一个类似基体的粉末体，这时蓝紫光强度减小。

4 结论

实验结果表明，在此实验条件下蓝紫光强度与激光功率成正比，激光功率越大，蓝紫光强度越高。但蓝紫光的强度并不稳定，而是在一定范围内波动变化。各扫描速度下蓝紫光强度很接近，蓝紫光强度随着扫描速度VS增大基本不变。蓝紫光强度的值基本上都在(0.4～0.8)μw/cm2。蓝紫光强度随送粉率的增大，先增大后减小。