专题解密：最优激光工艺（上篇）

来源：雷尼绍

最优激光工艺（上篇）工艺参数选择对于增材制造加工成功至关重要，因为它决定了材料将如何熔融和固化以形成我们需要的零件。由于每种合金粉末都以不同的方式吸收激光能量、传递热量、流动并固化，因此必须针对待熔合金的具体特性来选择工艺参数。

确定“操作窗口”
选择参数的首要考虑是制成质量均匀的全致密零件。零件密度是熔融质量的关键指标—如果存在孔隙，则无法达到要求的强度、延展性和抗疲劳/抗蠕变性能。但是，如何在不计其数的参数中选择正确的组合呢？


化繁为简，事半功倍
对于每个给定的加工件，粉末的化学特性和粒度分布都是已定的。根据零件的精细程度和表面光洁度要求还可以确定层厚。在激光光斑尺寸（很多设备不允许在加工期间更改光斑尺寸）确定之后，只需要选择激光功率、扫描速度和扫描线距离即可。

图1：激光功率与扫描速度关系图 — 工艺结果是如何随参数选择而变化的

如果扫描速度过快，而激光功率过小，那么零件的某些区域可能无法完全熔融，导致因“熔融不足”而产生孔隙。相反，如果以选定的速度施加的功率过大，则可能会使熔池过热，能量渗透过深，导致出现“深孔”效应。

在这两个极端情况之间是一个“操作窗口”，在这个范围内能够获得良好的零件密度。在这个窗口内，激光能量足以完全熔融粉末及其下方的金属层，而又不会渗透过深。

从图1可以看出，同时增加激光功率和扫描速度可提高加工效率，这在某种程度上是可行的。但是，功率和速度都有一个限度。一旦超过这个限度，熔池就会变得不稳定，并且会产生一种“球化”效应。激光功率增大时，飞溅物也可能增加。

图2：在最优速度和功率组合条件下，形成稳定的熔池，渗透到正确的深度，实现高效加工

在“操作窗口”内加工
P-V坐标图上的中央“操作窗口”是正确的速度和功率组合，可产生最佳尺寸的稳定熔池。
如图2所示。在这种组合条件下，激光能量被粉末有效吸收，形成足够深度的熔池，与下方的金属层牢固融合，同时又避免过度重熔。

图3：激光能量渗透不足会遗留未熔融的材料，造成零件瑕疵

图4：中度深孔效应 — 高能激光光斑形成深腔

图5：过度深孔效应 — 腔体过深会在零件表面下形成小孔

图6：扫描速度过快导致熔池不稳定

以上就是激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺参数选择的考量因素，以及这些因素如何定义“操作窗口”。在下期解密文章里，我们继续为大家分析加工过程对零件几何形状变化的灵敏性，这也是我们针对具体应用选择特定参数的原因。