幾種常見(jiàn)的激光熔覆技術(shù)介紹

1974年底,，美國(guó)ACVO EVERETT RES LABINC公司的Gnanamuthu提出了世界上第一個(gè)激光熔覆專利US3952180A，由此開(kāi)啟了激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作序幕,。但由于受制于激光器技術(shù)的制約,，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為緩慢,。進(jìn)入21世紀(jì)后,，隨著大功率激光器技術(shù)的成熟，激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化才得到了快速發(fā)展,。

激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低,、熱輸入小,、材料廣泛等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前已在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的過(guò)程中演化出多種不同類型,，并廣泛應(yīng)用于增材制造,、再制造、表面工程的各個(gè)領(lǐng)域,。
按照激光熔覆的材料類型和材料與激光束的耦合形式,，可將常見(jiàn)的激光熔覆技術(shù)分為同軸送粉激光熔覆技術(shù)、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)（也叫側(cè)向送粉激光熔覆技術(shù)）,、高速激光熔覆技術(shù)（也叫超高速激光熔覆技術(shù)）及高速絲材激光熔覆技術(shù),。

同軸送粉激光熔覆技術(shù)
同軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用半導(dǎo)體光纖輸出激光器和盤(pán)式氣載送粉器，熔覆頭采用中心出光的圓形光斑方案,，光束周圍環(huán)狀送粉或者多束送粉,，并設(shè)置由專門(mén)的保護(hù)氣通道，粉束,、光束與保護(hù)氣流交于一點(diǎn),。熔覆工作時(shí)該焦點(diǎn)處會(huì)形成熔池，隨著熔覆頭與工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng),，在工件表面形成覆層,。

同軸送粉激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

• 自由度高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,。由于其熔覆時(shí)向任意方案移動(dòng)均可得到形貌一致,、質(zhì)量相同的熔覆層，因此其熔覆方向沒(méi)有限制,，配合工業(yè)機(jī)器人或多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)床可以進(jìn)行任意路徑或任意形狀零件的表面熔覆,，作為3D打印的打印頭時(shí)，可進(jìn)行激光同軸送粉3D打印,。
• 熔池惰性氣體保護(hù)效果好,。由于送粉方式為氣載送粉以及在熔覆頭上設(shè)置有專門(mén)的惰性氣體流道，熔覆過(guò)程中熔池處于良好的局部惰性氣體氛圍中,，熔池及熔覆層氧化少,，熔覆層中氧化物夾雜較少。
• 熔池小,、粉末受熱均勻,、熔覆層抗裂性好。同軸送粉激光熔覆的光斑尺寸一般為∮1-∮5mm,，同時(shí)粉末與光束均勻接觸,，熔覆過(guò)程中的熱量傳遞更均勻，因此熔覆層抗裂性好。特別是對(duì)含碳化鎢等陶瓷顆粒的符合材料的熔覆,，容易制備無(wú)裂紋,、碳化鎢分布均勻的覆層。
  

由于同軸送粉激光熔覆技術(shù)的上述特點(diǎn),，其通常應(yīng)用于主軸,、齒輪、箱體等高精度零件,、復(fù)雜形狀零件的表面熔覆改性和增材再制造,。同時(shí)，基于同軸送粉激光熔覆技術(shù)的金屬3D打印主要應(yīng)用于大型零件的凈近成型以及梯度材料的制備,。

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)
旁軸送粉激光熔覆技術(shù)也叫側(cè)向送粉激光熔覆技術(shù),，其一般采用半導(dǎo)體直輸出激光器或半導(dǎo)體光纖輸出激光器和重力送粉器,，熔覆頭采用矩形光斑+旁軸寬帶送粉方案,。熔覆頭工作時(shí)，合金粉末經(jīng)送粉嘴輸送至工件表面進(jìn)行預(yù)置,，隨著熔覆頭與工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng),，矩形的激光束掃描預(yù)置的合金粉末并將其熔化形成熔池，冷卻后形成熔覆層,。

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

• 材料利用率高,。相對(duì)于同軸送粉，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)的材料利用率可達(dá)到95%以上,。同軸送粉激光熔覆技術(shù)的粉末是通過(guò)惰性氣體吹向激光熔池,，在此過(guò)程中由于粉末之間的碰撞、熔池的飛濺以及送粉通道的精度影響,，有相當(dāng)比例的金屬粉末不能形成熔覆層而被浪費(fèi),，造成其材料利用率只有50%-80%左右（光斑越小材料利用率越低）。而旁軸送粉激光熔覆通過(guò)將粉末預(yù)置在工件表面,，激光束再進(jìn)行掃描照射使其熔化,，可以達(dá)到非常高的材料利用率，節(jié)省了較多的材料成本,。
• 熔覆效率高,。旁軸送粉激光熔覆技術(shù)由于采用矩形光斑方案，在保證熔覆方向光斑的能量密度不變的情況下,，可以采用加大激光功率和光斑寬度的方式,，使得熔覆效率大幅提升。目前實(shí)際生產(chǎn)中單道熔覆寬度可達(dá)30mm以上,，熔覆效率可達(dá)到1m2/h或12Kg/h,。
• 無(wú)惰性氣體消耗。一方面,，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用重力送粉器,，不需要消耗惰性氣體,；另一方面，由于采用預(yù)置送粉,，氣流會(huì)影響粉末的預(yù)置與堆積,，所以熔覆頭沒(méi)有專門(mén)的惰性氣體保護(hù)功能。因此,，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)除了需要使用壓縮空氣以外,，不需要消耗其他氣體。從成本的角度而言,，節(jié)省了較多的惰性氣體成本,；從技術(shù)較多而言，該技術(shù)對(duì)粉末材料的抗氧化性有一定的要求,，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域,。
  

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)由于效率高、成本低,，一般應(yīng)用于液壓油缸,、軋輥等面積較大、形狀簡(jiǎn)單的零件表面熔覆與增材再制造,。


超高速激光熔覆技術(shù)
超高速激光熔覆技術(shù)是德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的一種新型的激光熔覆技術(shù),，于2017年開(kāi)始在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。超高速激光熔覆技術(shù)采用光束質(zhì)量較好的半導(dǎo)體光纖輸出激光器或光纖激光器,，采用精密設(shè)計(jì)的高速激光熔覆頭和高轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),。其激光束與粉束、惰性氣體氣流的耦合經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì),，工作時(shí)使一部分激光能量用于加熱粉束,，另一部分穿透粉束的激光束加熱基材，粉末在進(jìn)入熔池之前就已經(jīng)熔化或加熱至很高的溫度,，縮短了粉末熔化所需的時(shí)間,，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的熔覆線速度（線速度最高可達(dá)200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）,。

超高速激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

• 激光能量利用效率高,。超高速激光熔覆技術(shù)由于精密設(shè)計(jì)了激光束、粉束與惰性氣體氣流的耦合結(jié)構(gòu),，使得大部分的激光束能量作用于粉末和工件,，減少了激光的反射和散射損耗，大幅度提高的激光能量利用效率,。同軸送粉激光熔覆技術(shù)和旁軸送粉激光熔覆技術(shù)的激光束直接照射熔池,，熔池表面非常光滑，具有很高的激光反射率，因此這兩種激光熔覆技術(shù)的激光能量利用率約35%左右,；而超高速激光熔覆技術(shù)的激光束穿過(guò)粉束照射熔池,，大部分激光能量被粉束吸收，因此激光能量利用率高達(dá)65%左右,。
• 熔覆效率高,。超高速激光熔覆技術(shù)由于其較高的激光能量利用率，再配合非常高的熔覆線速度和較薄的熔覆層,，可實(shí)現(xiàn)非常高的熔覆效率（熔覆效率可達(dá)0.7m2/以上）,。
• 熔覆層稀釋率低。超高速激光熔覆技術(shù)由于較高的熔覆線速度,，熔池的存在時(shí)間非常短,，因此其熔覆層的稀釋率很低。
• 超高速激光熔覆技術(shù)還具有覆層粗糙度好,、抗裂性好以及工件變形小等特點(diǎn),。
  

超高速激光熔覆技術(shù)制備的熔覆層較薄，非常適合新品零件表面的預(yù)保護(hù)涂層制備,。

高速絲材激光熔覆技術(shù)
高速絲材激光熔覆技術(shù)是天元智造公司基于市場(chǎng)需求和激光熔覆技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),，從環(huán)保、高效率以及高質(zhì)量的理念開(kāi)發(fā)的新一代激光熔覆技術(shù),。其采用半導(dǎo)光纖輸出激光器、高精度送絲系統(tǒng)和精密熔覆頭,，以金屬絲材為熔覆材料進(jìn)行激光熔覆,。工作時(shí)，金屬絲由側(cè)向送入激光束,，激光束將金屬絲熔化后形成熔池,，隨著熔覆頭與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成熔覆層。

高速絲材激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

• 環(huán)保性好,。傳統(tǒng)粉末激光熔覆由于熔覆過(guò)程中金屬粉末拋灑,、送粉氣流的吹揚(yáng)、熔池的飛濺以及粉末中造渣和造氣元素的影響,，熔覆過(guò)程有較多的粉塵和煙塵,，嚴(yán)重影響設(shè)備操作區(qū)域的環(huán)境，回收的廢舊粉塵也會(huì)造成一定污染,。而高速絲材激光熔覆技術(shù)由于采用金屬絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬粉末,，剛性的絲材會(huì)完全熔化形成熔覆層，熔覆過(guò)程中無(wú)飛濺和金屬粉塵的拋灑,，其環(huán)保性要高于傳統(tǒng)粉末激光熔覆,。
• 材料利用率高。通過(guò)精密的熔覆頭設(shè)計(jì)和金屬絲材設(shè)計(jì)，高速激光熔覆過(guò)程中,，金屬絲會(huì)完全被熔化,，且熔化過(guò)程非常柔和、無(wú)飛濺,，使得高速絲材激光熔覆擁有很高的材料利用率（材料利用率可達(dá)99%）,。
• 熔覆效率高。高速絲材激光熔覆技術(shù)采用特殊復(fù)合能量,，使得金屬在進(jìn)入熔池前已達(dá)到半熔化狀態(tài),，只需要很小的能量和很短的時(shí)間即可完全熔化形成熔池，因此高速絲材激光熔覆的熔覆效率高于傳統(tǒng)的粉末激光熔覆,。
• 熱輸入小,、線能量低、工件變形小,。高速絲材激光熔覆過(guò)程通過(guò)精確控制能量輸入和較高的熔覆線速度,，使得其線能量低至0.29KJ/cm，大大降低了由于熱輸入造成的工件變形,。
• 除了上述特點(diǎn)之外,，高速絲材激光熔覆技術(shù)還具有熔覆層致密、稀釋率低,、缺陷率低等特點(diǎn),。
  

高速絲材激光熔覆可應(yīng)用于零件的表面預(yù)保護(hù)覆層制備、零件的激光熔覆再制造以及細(xì)長(zhǎng)軸,、薄壁等易變形零件的激光熔覆,。

來(lái)源：陜西天元智能再制造股份有限公司