專(zhuān)題解密：最優(yōu)激光工藝（上篇）

來(lái)源：雷尼紹

最優(yōu)激光工藝（上篇）工藝參數(shù)選擇對(duì)于增材制造加工成功至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了材料將如何熔融和固化以形成我們需要的零件。由于每種合金粉末都以不同的方式吸收激光能量、傳遞熱量、流動(dòng)并固化，因此必須針對(duì)待熔合金的具體特性來(lái)選擇工藝參數(shù)。

確定“操作窗口”
選擇參數(shù)的首要考慮是制成質(zhì)量均勻的全致密零件。零件密度是熔融質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)—如果存在孔隙，則無(wú)法達(dá)到要求的強(qiáng)度、延展性和抗疲勞/抗蠕變性能。但是，如何在不計(jì)其數(shù)的參數(shù)中選擇正確的組合呢？


化繁為簡(jiǎn)，事半功倍
對(duì)于每個(gè)給定的加工件，粉末的化學(xué)特性和粒度分布都是已定的。根據(jù)零件的精細(xì)程度和表面光潔度要求還可以確定層厚。在激光光斑尺寸（很多設(shè)備不允許在加工期間更改光斑尺寸）確定之后，只需要選擇激光功率、掃描速度和掃描線(xiàn)距離即可。

圖1：激光功率與掃描速度關(guān)系圖 — 工藝結(jié)果是如何隨參數(shù)選擇而變化的

如果掃描速度過(guò)快，而激光功率過(guò)小，那么零件的某些區(qū)域可能無(wú)法完全熔融，導(dǎo)致因“熔融不足”而產(chǎn)生孔隙。相反，如果以選定的速度施加的功率過(guò)大，則可能會(huì)使熔池過(guò)熱，能量滲透過(guò)深，導(dǎo)致出現(xiàn)“深孔”效應(yīng)。

在這兩個(gè)極端情況之間是一個(gè)“操作窗口”，在這個(gè)范圍內(nèi)能夠獲得良好的零件密度。在這個(gè)窗口內(nèi)，激光能量足以完全熔融粉末及其下方的金屬層，而又不會(huì)滲透過(guò)深。

從圖1可以看出，同時(shí)增加激光功率和掃描速度可提高加工效率，這在某種程度上是可行的。但是，功率和速度都有一個(gè)限度。一旦超過(guò)這個(gè)限度，熔池就會(huì)變得不穩(wěn)定，并且會(huì)產(chǎn)生一種“球化”效應(yīng)。激光功率增大時(shí)，飛濺物也可能增加。

圖2：在最優(yōu)速度和功率組合條件下，形成穩(wěn)定的熔池，滲透到正確的深度，實(shí)現(xiàn)高效加工

在“操作窗口”內(nèi)加工
P-V坐標(biāo)圖上的中央“操作窗口”是正確的速度和功率組合，可產(chǎn)生最佳尺寸的穩(wěn)定熔池。
如圖2所示。在這種組合條件下，激光能量被粉末有效吸收，形成足夠深度的熔池，與下方的金屬層牢固融合，同時(shí)又避免過(guò)度重熔。

圖3：激光能量滲透不足會(huì)遺留未熔融的材料，造成零件瑕疵

圖4：中度深孔效應(yīng) — 高能激光光斑形成深腔

圖5：過(guò)度深孔效應(yīng) — 腔體過(guò)深會(huì)在零件表面下形成小孔

圖6：掃描速度過(guò)快導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定

以上就是激光粉末床熔融 (LPBF) 工藝參數(shù)選擇的考量因素，以及這些因素如何定義“操作窗口”。在下期解密文章里，我們繼續(xù)為大家分析加工過(guò)程對(duì)零件幾何形狀變化的靈敏性，這也是我們針對(duì)具體應(yīng)用選擇特定參數(shù)的原因。