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常见激光熔覆技术详解

宣布时间：

2023-01-11 12:43

　　1974年底，美国ACVO EVERETT RES LABINC公司的Gnanamuthu提出了世界上第一个激光熔覆专利US3952180A，由此开启了激光熔覆技术的基础研究事情序幕。但由于受制于激光器技术的制约，在相当长的一段时间内，激光熔覆技术的工业化生长较为缓慢。进入21世纪后，随着大功率激光器技术的成熟，激光熔覆技术的工业化才获得了快速生长。

　　激光熔覆技术具有稀释率低、热输入小、质料广泛等众多优点，目前已在工业化应用的历程中演化出多种差别类型，并广泛应用于增材制造、再制造、外貌工程的各个领域。

　　凭据激光熔覆的质料类型和质料与激光束的耦合形式，可将常见的激光熔覆技术分为同轴送粉激光熔覆技术、旁轴送粉激光熔覆技术(也叫侧向送粉激光熔覆技术)、高速激光熔覆技术(也叫超高速激光熔覆技术)及高速丝材激光熔覆技术。

　　同轴送粉激光熔覆技术

　　同轴送粉激光熔覆技术一般接纳半导体光纤输出激光器和盘式气载送粉器，熔覆头接纳中心出光的圆形光斑计划，光束周围环状送粉或者多束送粉，并设置由专门的�；てǖ�，粉束、光束与�；て鹘挥谝坏�。熔覆事情时该焦点处会形成熔池，随着熔覆头与工件做相对运动，在工件外貌形成覆层。

　　同轴送粉激光熔覆技术特点：

　　1、自由度高、容易实现自动化。由于其熔覆时向任意计划移动均可获得形貌一致、质量相同的熔覆层，因此其熔覆偏向没有限制，配合工业机械人或多轴运动机床可以进行任意路径或任意形状零件的外貌熔覆，作为3D打印的打印头时，可进行激光同轴送粉3D打印。

　　2、熔池惰性气体�；ばЧ�。由于送粉方法为气载送粉以及在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道，熔覆历程中熔池处于良好的局部惰性气体气氛中，熔池及熔覆层氧化少，熔覆层中氧化物夹杂较少。

　　3、熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。同轴送粉激光熔覆的光斑尺寸一般为∮1-∮5mm，同时粉末与光束均匀接触，熔覆历程中的热量通报更均匀，因此熔覆层抗裂性好。特别是对含碳化钨等陶瓷颗粒的切合质料的熔覆，容易制备无裂纹、碳化钨漫衍均匀的覆层。

　　由于同轴送粉激光熔覆技术的上述特点，其通常应用于主轴、齿轮、箱体等高精度零件、庞大形状零件的外貌熔覆改性和增材再制造。同时，基于同轴送粉激光熔覆技术的金属3D打印主要应用于大型零件的净近成型以及梯度质料的制备。

　　旁轴送粉激光熔覆技术

　　旁轴送粉激光熔覆技术也叫侧向送粉激光熔覆技术，其一般接纳半导体直输出激光器或半导体光纤输出激光器和重力送粉器，熔覆头接纳矩形光斑+旁轴宽带送粉计划。熔覆头事情时，合金粉末经送粉嘴输送至工件外貌进行预置，随着熔覆头与工件做相对运动，矩形的激光束扫描预置的合金粉末并将其熔化形成熔池，冷却后形成熔覆层。

　　旁轴送粉激光熔覆技术特点：

　　1、质料利用率高。相关于同轴送粉，旁轴送粉激光熔覆技术的质料利用率可抵达95%以上。同轴送粉激光熔覆技术的粉末是通过惰性气体吹向激光熔池，在此历程中由于粉末之间的碰撞、熔池的飞溅以及送粉通道的精度影响，有相当比例的金属粉末不可形成熔覆层而被浪费，造成其质料利用率只有50%-80%左右(光斑越小质料利用率越低)。而旁轴送粉激光熔覆通过将粉末预置在工件外貌，激光束再进行扫描照射使其熔化，可以抵达很是高的质料利用率，节省了较多的质料本钱。

　　2、熔覆效率高。旁轴送粉激光熔覆技术由于接纳矩形光斑计划，在包管熔覆偏向光斑的能量密度稳定的情况下，可以接纳加大激光功率和光斑宽度的方法，使得熔覆效率大幅提升。目前实际生产中单道熔覆宽度可达30mm以上，熔覆效率可抵达1m?/h或12Kg/h。

　　3、无惰性气体消耗。一方面，旁轴送粉激光熔覆技术一般接纳重力送粉器，不需要消耗惰性气体;另一方面，由于接纳预置送粉，气流会影响粉末的预置与聚集，所以熔覆头没有专门的惰性气体�；すπ�。因此，旁轴送粉激光熔覆技术除了需要使用压缩空气以外，不需要消耗其他气体。从本钱的角度而言，节省了较多的惰性气体本钱;从技术较多而言，该技术对粉末质料的抗氧化性有一定的要求，限制了其应用领域。

　　旁轴送粉激光熔覆技术由于效率高、本钱低，一般应用于液压油缸、轧辊等面积较大、形状简单的零件外貌熔覆与增材再制造。

　　超高速激光熔覆技术

　　超高速激光熔覆技术是德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开发的一种新型的激光熔覆技术，于2017年开始在海内进行推广应用。超高速激光熔覆技术接纳光束质量较好的半导体光纤输出激光器或光纤激光器，接纳精密设计的高速激光熔覆头和高转速或移动速度的运动机构。其激光束与粉束、惰性气体气流的耦合经过精密设计，事情时使一部分激光能量用于加热粉束，另一部分穿透粉束的激光束加热基材，粉末在进入熔池之前就已经熔化或加热至很高的温度，缩短了粉末熔化所需的时间，因此可以实现很是高的熔覆线速度(线速度最高可达200m/min，普通激光熔覆最高2m/min)。

　　超高速激光熔覆技术特点：

　　1、激光能量利用效率高。超高速激光熔覆技术由于精密设计了激光束、粉束与惰性气体气流的耦合结构，使得大部分的激光束能量作用于粉末和工件，减少了激光的反射和散射损耗，大幅度提高的激光能量利用效率。同轴送粉激光熔覆技术和旁轴送粉激光熔覆技术的激光束直接照射熔池，熔池外貌很是平滑，具有很高的激光反射率，因此这两种激光熔覆技术的激光能量利用率约35%左右;而超高速激光熔覆技术的激光束穿过粉束照射熔池，大部分激光能量被粉束吸收，因此激光能量利用率高达65%左右。

　　2、熔覆效率高。超高速激光熔覆技术由于其较高的激光能量利用率，再配合很是高的熔覆线速度和较薄的熔覆层，可实现很是高的熔覆效率(熔覆效率可达0.7m?/以上)。

　　3、熔覆层稀释率低。超高速激光熔覆技术由于较高的熔覆线速度，熔池的保存时间很是短，因此其熔覆层的稀释率很低。

　　4、超高速激光熔覆技术还具有覆层粗糙度好、抗裂性好以及工件变形小等特点。

　　超高速激光熔覆技术制备的熔覆层较薄，很是适合新品零件外貌的预�；ね坎阒票�。

　　高速丝材激光熔覆技术

　　高速丝材激光熔覆技术是天元智造公司基于市场需求和激光熔覆技术的生长趋势，从环保、高效率以及高质量的理念开发的新一代激光熔覆技术。其接纳半导光纤输出激光器、高精度送丝系统和精密熔覆头，以金属丝材为熔覆质料进行激光熔覆。事情时，金属丝由侧向送入激光束，激光束将金属丝熔化后形成熔池，随着熔覆头与工件的相对运动形成熔覆层。

　　高速丝材激光熔覆技术特点：

　　1、环保性好。古板粉末激光熔覆由于熔覆历程中金属粉末抛洒、送粉气流的吹扬、熔池的飞溅以及粉末中造渣和造气元素的影响，熔覆历程有较多的粉尘和烟尘，严重影响设备操作区域的情况，接纳的废旧粉尘也会造成一定污染。而高速丝材激光熔覆技术由于接纳金属丝取代古板的金属粉末，刚性的丝材会完全熔化形成熔覆层，熔覆历程中无飞溅和金属粉尘的抛洒，其环保性要高于古板粉末激光熔覆。

　　2、质料利用率高。通过精密的熔覆头设计和金属丝材设计，高速激光熔覆历程中，金属丝会完全被熔化，且熔化历程很是柔和、无飞溅，使得高速丝材激光熔覆拥有很高的质料利用率(质料利用率可达99%)。

　　3、熔覆效率高。高速丝材激光熔覆技术接纳特殊复合能量，使得金属在进入熔池前已抵达半熔化状态，只需要很小的能量和很短的时间即可完全熔化形成熔池，因此高速丝材激光熔覆的熔覆效率高于古板的粉末激光熔覆。

　　4、热输入小、线能量低、工件变形小。高速丝材激光熔覆历程通过精确控制能量输入和较高的熔覆线速度，使得其线能量低至0.29KJ/cm，大大降低了由于热输入造成的工件变形。

　　5、除了上述特点之外，高速丝材激光熔覆技术还具有熔覆层致密、稀释率低、缺陷率低等特点。

　　高速丝材激光熔覆可应用于零件的外貌预�；じ膊阒票浮⒘慵募す馊鄹苍僦圃煲约跋赋ぶ帷⒈”诘纫妆湫瘟慵募す馊鄹�。

　　文章来源：陕西天元智能再制造股份有限公司

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