激光辅助金属丝液滴沉积的金属增材制造

来源：江苏激光联盟


来自瑞典的研究人员研发了一种新的金属丝激光逐滴增材制造技术，发现在金属丝上可能有不同的激光液滴生成模式、 可借助反冲压力控制液滴分离、并使用高速成像测量液滴分离方向，液滴落在熔池上会诱导更好的附着和工艺稳定性。

成果简介：增材制造的主题包括许多技术，其中一些已经达到非常高的应用发展水平，现在已在工业上使用。其他技术，如微液滴沉积制造，正在开发中并呈现出不同的制造可能性，但仅用于低熔点金属。本文研究了采用基于激光的液滴沉积技术处理不锈钢金属丝的可能性。这项技术有望更灵活地替代激光金属丝沉积。进行激光液滴生成实验以试图将钢液滴准确地分离到所需位置。高速成像用于观察液滴的产生并测量液滴的分离方向。研究了两种液滴分离技术，并解释了导致液滴分离的物理现象，其中液滴重量、表面张力和反冲压力起主要作用。确定了用于准确单滴分离的优化参数，然后用于构建多滴轨道。产生了具有均匀几何形状的轨道，其中微观结构受到大量液滴沉积的影响。轨道显示出比基线高得多的硬度，表现出相对均匀的宏观硬度，在液滴之间的界面处具有局部软化效应。

▲图0 全文的graphic abstract

1. 引言
金属的增材制造(AM)已成为高性能产品制造的一个重要领域。存在几种AM技术，将不同的热源与各种材料沉积策略相结合，每种技术都有不同的优点和缺点，使其适用于特定应用。大多数现有的AM技术将激光束、电子束或电弧作为热源，以粉末或金属丝作为原材料。

然而，可以提供不同制造可能性的新AM技术正在开发中。微液滴沉积制造(MDDM)就是这种情况，它是一种按需喷射技术。它包括迫使液态金属通过喷嘴以形成射流，该射流会破碎成液滴，随后沉积以构建所需的结构。熔融金属在控制压力下保持在加热的坩埚中，通常使用振动棒来引起液滴分离。为了提高工艺灵活性，可以添加偏转电极以将液滴流导向所需的方向。直径在100 μm至2.2 mm范围内的液滴可以分离，大多数研究提到液滴直径约为300μm。对于MDDM，垂直制造与水平建造一样简单，因此该过程适用于制造具有改变建造方向的可能性的薄垂直结构。然而，构建具有可接受的滴到滴结合的结构具有挑战性。结果表明，到达的液滴温度和前一液滴的表面温度需要足够高，以允许颗粒焊接在一起。通过调整诸如液滴温度、前一液滴的表面温度和两次液滴沉积之间的距离等参数，可以减少或避免冷圈孔和微孔等一些缺陷。另一个挑战也是降低表面粗糙度，这是由凝固液滴的形状决定的。已经进行了降低表面粗糙度的研究，例如通过在高表面温度下使用交替液滴沉积。然而，MDDM的一个持续的局限性在于其合适的材料范围较小。迄今为止，只有铝合金和锡铅合金等低熔化温度的金属被加工过。

另一种允许沉积熔化温度较高的金属液滴的按需喷射技术是激光液滴生成(LDG)。该技术包括用激光束熔化金属丝，以便首先形成然后分离直径在1mm到5mm范围内的液滴。液滴分离通常是由激光脉冲引起的，但也表明可以通过在缩回导线的同时将液滴剪切到喷嘴上来实现。LDG已被研究作为一种连接Ag-Cu和镍滴的方法。它已经显示出几个优点，例如更好地控制液滴和基板中的热输入、更窄的热影响区和更高的工艺灵活性。然而，LDG的某些方面，例如液滴的分离条件，仍未完全了解。

本研究的目标是研究使用LDG进行增材制造的可能性，作为MDDM的替代品，用于更高熔化温度的材料。这也可以通过更灵活和可控的过程提供一种激光金属丝沉积(LMWD)的替代方案。在LMWD中，金属丝被激光束送入并与基板一起在连续运动中熔化，从而形成一条添加材料的轨道。该工艺已被证明适用于多种材料，如钢[、铝合金和钛合金。使用常规的LMWD设置，激光束接近垂直，并且金属丝优选从正面进料，这限制了工艺灵活性。通过使用与金属丝同轴的激光束进行了改进，这消除了过程的方向依赖性。通过垂直进给线，研究了LMWD的更高能效，其中激光束仅用于熔化沉积在基板上的线，并部分重新熔化前一层。在目前的研究中，预计用LDG替代LMWD也将导致更低的能量需求，因为激光束将主要用于熔化线材，并且由于热量传导到基板而导致的热损失更少。

不同的物理现象可以解释液滴的产生和分离。对于相对少量的液体，由于表面张力会产生球形液滴。表面张力是由液-气界面处的不对称内聚力引起的，这往往会使表面积最小化并迫使液体变成球形。垂直悬垂液滴的表面张力可以使用液滴重量法计算，基于分离时的力平衡，其中液滴重量等于表面张力。在轴对称液体的任何横截面，表面张力可以计算为：S=2 πr γ
(1)其中 γ 是表面张力，r是圆形液体横截面的半径。当液滴重量超过表面张力时，液滴在最弱的横截面分离，以最小半径表示，也称为颈部。然而，在液滴悬于非水平表面的情况下，或者液滴正在移动时，液滴的一侧与另一侧的液固界面的接触角可能不同。这会引起保持力，其作用类似于液-固界面处的摩擦力。

在LDG中需要考虑的另一个力是由汽化过程中蒸汽和液体之间的动量守恒引起的反冲力。实验证明，反冲压力可以推动甚至分解遇到激光束的液滴。在一项相关研究中，观察到直径为2.88mm至3.44mm的钢滴落入2kW激光束时会受到等于其自身重量50%至70%的反冲力。除了对液滴下落轨迹有影响之外，反冲压力很可能对液滴分离有影响。

当撞击固体基底时，金属滴可以润湿它或反弹。发生哪种情况主要取决于液滴表面润湿特性和基底的表面粗糙度]。撞击速度已被证明对凝固速率、基底重熔和凝固液滴几何形状有影响。

当冲击熔池时，例如在具有脉冲电弧模式的电弧焊或线材弧焊增材制造(WAAM)中，尚未观察到弹跳效应，且液滴与现有熔体融合。

MDDM和LDG中分离和附着的物理原理是不同的，必须确定导致液滴分离和附着的其他物理现象，才能使该过程取得成功。在这项原位研究中，将研究反冲压力对液滴分离的影响，以及熔池的存在作为液滴附着在基板上的有利条件。这项研究的工业目标是通过将LDG技术应用于AM来开发一种新工艺，而科学目标是更好地了解液滴分离和附着的物理条件。

2. 方法
采用LDG实验，并以高速成像(HSI)作为主要的观察和测量方法。统计从HSI中获得的数据，并对生产的材料进行材料分析。

2.1 实验方法
LDG实验使用1.2mm直径的316L金属丝通过激光束进给，如图1所示。金属丝在送丝机出口处被拉直，并由焊枪精确引导，金属丝伸出量相对较小(约10mm)以限制导线位置的波动。激光束垂直于金属丝，激光光学器件和焊枪都倾斜7度，以避免激光束照射基底时发生背反射。为了研究液滴的附着情况，将Domex 350LA基底放置在导线下方6mm处。之所以选择这些材料，是因为它们在工业应用中的广泛用途以及它们的高加工性。氩气作为保护气体通过直径为20mm的管子，流速为20L/min。使用5kW掺镱光纤激光器，光纤直径为0.2mm，准直器和聚焦透镜的焦距分别为150mm和250mm。四轴分束器被安装在准直器和聚焦透镜之间，以便将激光束分成四束排列成正方形的光束。图2显示了激光束的测量结果及其在金属丝上的图解位置。这种光束布置用于防止高激光束强度(可能会在金属丝上形成钥孔)并在液滴下落过程中实现更稳定的引导。

HSI相机水平放置，从侧面记录液滴的产生、轨迹和着陆(图1b)。大多数HSI结果是使用这种设置记录的，并使用不同的布置，相机从金属丝的前面拍摄，用于进一步澄清。该过程用波长为810nm的50W CW激光照射，并在HSI相机上使用相同波长的带通滤波器，以阻挡大部分工艺光。相机以2000fps到4000fps的频率记录，曝光时间为20 μm，光圈为16。

▲图1 激光液滴形成的实验装置 a)从侧面看 b)从前面看

▲图2 金属丝上的激光光束轮廓

进行了三组实验。首先，进行连续送丝实验，其中通过激光束连续送丝4秒。送丝速度从3m/min到7m/min以1m/min的步长变化，激光功率从1500W到5000W以500W的步长变化，以观察不同参数下液滴形成的差异。
第二组实验通过增量送丝进行，其中送丝达到预定长度并停止。在第一组实验的基础上，将参数缩小到5m/min的进给速度，激光功率从2300W到2800W以100W的步长变化，送丝长度从6mm变化到14mm，以2mm为步长。

最后一组实验涉及使用增量送丝实验(激光功率为2600W、送丝速度为5m/min和送丝长度为8mm)发现的优化液滴分离参数构建30个液滴线性轨道。图3显示了带增量送丝的液滴沉积循环期间的工艺参数。从一个液滴沉积位置到另一个位置的移动是通过以0.6m/min的行进速度移动机械臂来实现的(图1a中的Vtravel)。激光输出在整个过程中是连续的，当送丝时交替照射金属丝以产生液滴(阶段1)，并在短暂延迟期间(阶段2)以及当机器人移动到下一个液滴沉积的位置(第3阶段)时照射基板。三个轨道建立在冷基板上，其中两次液滴沉积之间的步距为2mm、2.5mm和3mm。在200°C和400°C的温度下，在预热的基板上以2.5mm的步距构建另外两个轨道。

▲图3 表示具有增量送丝的液滴沉积循环，用于处理具有优化参数的多液滴结构

2.2 图像处理步骤
使用不同激光功率(2300W、2400W、2500W、2600W、2700W和2800W)进行的增量送丝液滴分离实验重复20次并由HSI记录。对于每个液滴分离，从分离后的第一帧到液滴完全可见的最后一帧测量分离方向。图4显示了用于测量以角度 α 表示的分离方向的方法。稍后对不同激光功率下分离方向的测量进行统计分析。

▲图4  测量液滴分离方向的过程

3. 结果
3.1 连续送丝
在连续送丝实验中观察到不同的液滴生成模式，其中研究了不同的激光功率和送丝速度。图5显示了根据所选参数发生的液滴生成模式，图6显示了这些模式中每一种的HSI序列。标有叉号的是未进行的实验。

低于约36J/mm的线能量，1.2mm金属丝不会完全熔化。在这种不完全熔化模式下，可能会在金属丝顶部产生一液滴，但要么不分离，要么与固体金属丝分离(图6a)。

使用更高的线能量，金属丝完全熔化，并在激光束的后侧产生液滴。随着金属丝熔化，液滴保持附着并增大，直到某个点分离，这种模式称为拉动模式(图6b)。在这种模式下，计算了液滴分离的平均距离和标准偏差(称为形成长度)(图5)。平均形成长度随着激光功率的增加而减少，并且通常随着送丝速度的增加而增加。不同参数的平均形成长度范围为3.27mm至13.3mm，导致直径下降1.9mm至3.1mm，而形成长度的标准偏差为平均值的21%到42%。

在低供给速度下使用高激光功率，液滴被推到激光束的前侧，金属丝下方，这被称为推动模式(图6c)。在这种模式下，液滴的形成生和分离是混乱的和不可预测的。

在高激光功率和高速下，在线材上会产生切割前沿(图6d)。没有液滴形成，熔体直接向下加速，形成分解成小液滴(≤1mm)的液柱，该过程与激光远程切割板材具有相似的特性。液滴的流动通常指向一个方向，只有很小的发散。在从切割前沿分离的液滴流中，可以注意到液滴直径、液滴速度和液滴间距的显著变化。

▲图5  观察到的液滴形成模式取决于激光功率和送丝速度

▲图6 每种液滴形成模式的典型液滴形成的HSI帧序列

拉动液滴生成模式似乎是沉积过程中最稳定和最有前途的模式。以下各节中描述的进一步实验旨在在此模式下可靠地生成液滴。

3.2 增量送丝
本部分着眼于使用不同的送丝技术提高拉动生成模式下液滴分离的准确性(在之前的实验中，液滴形成长度的标准偏差是平均值的21%到42%)。为了实现更高的分离重复性，在特定时间停止送丝以分离一滴。在随后的所有实验中，进给速度均设置为5m/min，因为在此速度下，较宽的激光功率范围会产生拉动生成模式，这为其他参数的选择提供了更大的灵活性。

▲图7 a)作为激光功率函数的液滴分离方向的统计分析；b)作为激光功率函数的液滴分离方向的标准偏差的演变(进给速度为5 m/min，进给长度为8 mm)

首先，送丝长度设置为8mm(预期液滴直径为2.6mm)，只有激光功率发生变化，从2300W到2800W。基于HSI视频的图像处理，对依赖于激光功率的液滴分离方向进行了统计分析，如图7所示。图8显示了不同激光功率下单个液滴形成和分离的HSI序列。从图7a中可以看出，液滴的平均分离方向似乎不受激光功率保持在7°到12°之间如此小的变化的影响。然而，液滴分离方向的标准偏差随着激光功率的增加而减小，直到在2600W时稳定在8° 左右(图7b)。对于低于2400W的激光功率，液滴往往会和一根固体金属丝分离(图8a)，显示了图5中确定的不完全熔化模式的极限。功率大于2700W时，两滴可以在一个送丝增量中分离(图8c)。这种双滴分离的情况在2700W下发生率为5%，在2800W下发生率为20%。双滴分离是不需要的，因为它们会改变两次液滴分离之间的时间、液滴尺寸和液滴分离方向。只有在2500W和2600W下的实验中没有显示出不完全熔化或双滴分离(图8b)。由于在2600W下的实验显示液滴分离方向的精度更高(图7a)，因此选此作为后续实验的优化激光功率。

▲图8 不同激光功率下典型液滴形成的HSI帧序列，带有液滴脱离方向(蓝色箭头)

▲图9 在HSI观察到的一个进料增量期间，不同形成长度下液滴典型的分离和着陆行为

在接下来的实验中，激光功率保持在2600W，送丝长度在6mm到14mm范围内变化(液滴直径为2.3mm到3.1mm)。图9显示了不同进料长度下液滴分离和着陆的HSI框架，其中激光发射在送丝前300毫秒开始，以便在基板上产生熔池。对于6mm到12mm的进料长度，两帧之间的时间为25ms，对于14mm的进料长度延长到50ms。似乎进料长度对液滴分离方向有影响。在6mm进料长度处，液滴落在激光束前面，熔池外。从8mm到12mm的进料长度，液滴落入激光束内，朝向熔池。对于14mm的进料长度，液滴落到激光束的后部，熔池外。只有落入熔池(8-12mm)的液滴才能成功附着在基板上。选择8mm作为后续实验的优化进料长度，因为它会产生落入激光束内部、落在熔池中并附着在基板上的最小液滴。

作为增量送丝的单滴分离的最终观察结果，从正面拍摄具有优化参数(送丝速度为5m/min，激光功率为2600W，送丝长度为8mm)的液滴的分离和附着，如图10所示。液滴并不总是落在xz平面内(图4)，但是可以落在y轴上的不同位置。然而，如果液滴在着陆时接触到熔池，它会与熔池保持一致，垂直于金属丝下方。

▲图10  从前面记录的具有优化参数的液滴分离的HSI帧序列

3.3 多滴沉积
将上节中发现的增量送丝的单滴分离的优化参数(进给速度为5m/min，激光功率为2600W，进料长度为8mm)用于多滴沉积。机械臂在液滴沉积之间以2.5mm步长的移动速度呈线性移动(图3)，以便在基板上形成液滴轨迹。图11显示了在一个液滴沉积循环期间的一系列HSI框架，重点是基材上熔池的演变，该熔池固化到轨道中。图11中的阶段指的是图3中描述的相同阶段。这个阶段周期最好从阶段2开始描述。

▲图11 HSI帧序列显示了轨迹处理期间的液滴沉积循环，并将熔池表现出来(绿色虚线)

在第二阶段，当送丝停止时，一个新的液滴分离并落在轨道前方的一个小的残留熔池中。液滴与体积增大的熔池合并，而激光发射阻止其凝固。

在第三阶段，当机器人移动步距(2.5mm)时，激光束熔化前一个熔池前面的基底。来自基底的新熔融材料从前方进入熔池，而熔池的后端则凝固。

在第一阶段，运动停止并开始送丝以生成新的液滴。在此阶段，激光仅照射线材，而不照射基底上的熔池。这会导致熔池部分凝固，直到新的液滴分离并开始新的循环。

研究了两个液滴分离之间的步距，并以2mm、2.5mm和3mm的步距构建了30个液滴轨道。图12显示了创建的轨道的照片。在2mm和2.5mm的步距下，轨道的构建没有明显的缺陷。然而，当步距为3mm时，轨道几何形状不均匀，一些液滴落到了位置外，导致轨道出现间隙(图12中的红色圆圈)。

为了研究基板温度对轨迹性能的影响，在200℃和400℃的基板上分别建立了两条步距为2.5mm的轨迹。图12中的照片显示，随着基板温度的升高，轨道中的润湿性增加，几何变化减少。在冷基板上产生的轨道宽度约为3.3mm，而在基板温度为200℃和400℃时产生的轨道宽度分别为4.2mm和5.8mm。

▲图12 由具有不同步距和基板温度的激光液滴形成技术产生的30滴轨迹

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文章来源：Additive Manufacturing by laser-assisted drop deposition from a metal wire，Materials & Design，Volume 209, 1 November 2021, 109987，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109987