幾種常見的激光熔覆技術(shù)介紹

1974年底，美國ACVO EVERETT RES LABINC公司的Gnanamuthu提出了世界上第一個激光熔覆專利US3952180A，由此開啟了激光熔覆技術(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)長的一段時間內(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,，目前已在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的過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)置由專門的保護(hù)氣通道,，粉束,、光束與保護(hù)氣流交于一點。熔覆工作時該焦點處會形成熔池,，隨著熔覆頭與工件做相對運動,，在工件表面形成覆層。

同軸送粉激光熔覆技術(shù)特點：

• 自由度高,、容易實現(xiàn)自動化,。由于其熔覆時向任意方案移動均可得到形貌一致、質(zhì)量相同的熔覆層,，因此其熔覆方向沒有限制,，配合工業(yè)機(jī)器人或多軸運動機(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,，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)置有專門的惰性氣體流道,，熔覆過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,，同時粉末與光束均勻接觸，熔覆過程中的熱量傳遞更均勻,，因此熔覆層抗裂性好,。特別是對含碳化鎢等陶瓷顆粒的符合材料的熔覆，容易制備無裂紋、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,，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,，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，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運動,，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：

• 材料利用率高,。相對于同軸送粉，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)的粉末是通過惰性氣體吹向激光熔池,，在此過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,，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,，氣流會影響粉末的預(yù)置與堆積，所以熔覆頭沒有專門的惰性氣體保護(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)是德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開發(fā)的一種新型的激光熔覆技術(shù)，于2017年開始在國內(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)計的高速激光熔覆頭和高轉(zhuǎn)速或移動速度的運動機(jī)構(gòu)。其激光束與粉束,、惰性氣體氣流的耦合經(jīng)過精密設(shè)計,，工作時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間，因此可以實現(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：

• 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。
  

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需求和激光熔覆技術(shù)的發(fā)展趨勢，從環(huán)保,、高效率以及高質(zhì)量的理念開發(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，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運動形成熔覆層。

高速絲材激光熔覆技術(shù)特點：

• 環(huán)保性好,。傳統(tǒng)粉末激光熔覆由于熔覆過程中金屬粉末拋灑,、送粉氣流的吹揚、熔池的飛濺以及粉末中造渣和造氣元素的影響,，熔覆過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,，剛性的絲材會完全熔化形成熔覆層，熔覆過程中無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,。通過精密的熔覆頭設(shè)計和金屬絲材設(shè)計,，高速激光熔覆過程中，金屬絲會完全被熔化，且熔化過程非常柔和,、無飛濺,，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程通過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。
  

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)長軸,、薄壁等易變形零件的激光熔覆。

來源：陜西天元智能再制造股份有限公司