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的基礎研究工作序幕。但由于受制于激光器技術的制約，在相當長的一段時間內，激光熔覆技術的產業化發展較為緩慢。進入21世紀后，隨著大功率激光器技術的成熟，激光熔覆技術的產業化才得到了快速發展。
激光熔覆技術具有稀釋率低、熱輸入小、材料廣泛等眾多優點，目前已在產業化應用的過程中演化出多種不同類型，并廣泛應用于增材制造、再制造、表面工程的各個領域。 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分為同軸送粉激光熔覆技術、旁軸送粉激光熔覆技術（也叫側向送粉激光熔覆技術）、高速激光熔覆技術（也叫超高速激光熔覆技術）及高速絲材激光熔覆技術。
同軸送粉激光熔覆技術
同軸送粉激光熔覆技術一般采用半導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，光束周圍環狀送粉或者多束送粉，并設置由專門的保護氣通道，粉束、光束與保護氣流交于一點。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特點：
自由度高、容易實現自動化。由于其熔覆時向任意方案移動均可得到形貌一致、質量相同的熔覆層，因此其熔覆方向沒有限制，配合工業機器人或多軸運動機床可以進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，可進行激光同軸送粉3D打印。
熔池惰性氣體保護效果好。由于送粉方式為氣載送粉以及在熔覆頭上設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的上述特點，其通常應用于主軸、齒輪、箱體等高精度零件、復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的金屬3D打印主要應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
旁軸送粉激光熔覆技術也叫側向送粉激光熔覆技術，其一般采用半導體直輸出激光器或半導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，合金粉末經送粉嘴輸送至工件表面進行預置，隨著熔覆頭與工件做相對運動，矩形的激光束掃描預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的材料利用率可達到95%以上。同軸送粉激光熔覆技術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置在工件表面，激光束再進行掃描照射使其熔化，可以達到非常高的材料利用率，節省了較多的材料成本。
熔覆效率高。旁軸送粉激光熔覆技術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。目前實際生產中單道熔覆寬度可達30mm以上，熔覆效率可達到1m/h或12Kg/h。
無惰性氣體消耗。一方面，旁軸送粉激光熔覆技術一般采用重力送粉器，不需要消耗惰性氣體；另一方面，由于采用預置送粉，氣流會影響粉末的預置與堆積，所以熔覆頭沒有專門的惰性氣體保護功能。因此，旁軸送粉激光熔覆技術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，節省了較多的惰性氣體成本；從技術較多而言，該技術對粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其應用領域。
旁軸送粉激光熔覆技術由于效率高、成本低，一般應用于液壓油缸、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
超高速激光熔覆技術是德國弗勞恩霍夫激光技術研究所開發的一種新型的激光熔覆技術，于2017年開始在國內進行推廣應用。超高速激光熔覆技術采用光束質量較好的半導體光纖輸出激光器或光纖激光器，采用精密設計的高速激光熔覆頭和高轉速或移動速度的運動機構。其激光束與粉束、惰性氣體氣流的耦合經過精密設計，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，粉末在進入熔池之前就已經熔化或加熱至很高的溫度，縮短了粉末熔化所需的時間，因此可以實現非常高的熔覆線速度（線速度最高可達200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）。
超高速激光熔覆技術特點：
激光能量利用效率高。超高速激光熔覆技術由于精密設計了激光束、粉束與惰性氣體氣流的耦合結構，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和旁軸送粉激光熔覆技術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的激光能量利用率約35%左右；而超高速激光熔覆技術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65%左右。
熔覆效率高。超高速激光熔覆技術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，可實現非常高的熔覆效率（熔覆效率可達0.7m/以上）。
熔覆層稀釋率低。超高速激光熔覆技術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制備的熔覆層較薄，非常適合新品零件表面的預保護涂層制備。
高速絲材激光熔覆技術
高速絲材激光熔覆技術是天元智造公司基于市場需求和激光熔覆技術的發展趨勢，從環保、高效率以及高質量的理念開發的新一代激光熔覆技術。其采用半導光纖輸出激光器、高精度送絲系統和精密熔覆頭，以金屬絲材為熔覆材料進行激光熔覆。工作時，金屬絲由側向送入激光束，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特點：
環保性好。傳統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，嚴重影響設備操作區域的環境，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由于采用金屬絲代替傳統的金屬粉末，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，其環保性要高于傳統粉末激光熔覆。
材料利用率高。通過精密的熔覆頭設計和金屬絲材設計，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99%）。
熔覆效率高。高速絲材激光熔覆技術采用特殊復合能量，使得金屬在進入熔池前已達到半熔化狀態，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用于零件的表面預保護覆層制備、零件的激光熔覆再制造以及細長軸、薄壁等易變形零件的激光熔覆。
激光熔覆技術具有稀釋率低、熱輸入小、材料廣泛等眾多優點，目前已在產業化應用的過程中演化出多種不同類型，并廣泛應用于增材制造、再制造、表面工程的各個領域。 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分為同軸送粉激光熔覆技術、旁軸送粉激光熔覆技術（也叫側向送粉激光熔覆技術）、高速激光熔覆技術（也叫超高速激光熔覆技術）及高速絲材激光熔覆技術。
同軸送粉激光熔覆技術
同軸送粉激光熔覆技術一般采用半導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，光束周圍環狀送粉或者多束送粉，并設置由專門的保護氣通道，粉束、光束與保護氣流交于一點。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特點：
自由度高、容易實現自動化。由于其熔覆時向任意方案移動均可得到形貌一致、質量相同的熔覆層，因此其熔覆方向沒有限制，配合工業機器人或多軸運動機床可以進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，可進行激光同軸送粉3D打印。
熔池惰性氣體保護效果好。由于送粉方式為氣載送粉以及在熔覆頭上設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的上述特點，其通常應用于主軸、齒輪、箱體等高精度零件、復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的金屬3D打印主要應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
旁軸送粉激光熔覆技術也叫側向送粉激光熔覆技術，其一般采用半導體直輸出激光器或半導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，合金粉末經送粉嘴輸送至工件表面進行預置，隨著熔覆頭與工件做相對運動，矩形的激光束掃描預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的材料利用率可達到95%以上。同軸送粉激光熔覆技術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置在工件表面，激光束再進行掃描照射使其熔化，可以達到非常高的材料利用率，節省了較多的材料成本。
熔覆效率高。旁軸送粉激光熔覆技術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。目前實際生產中單道熔覆寬度可達30mm以上，熔覆效率可達到1m/h或12Kg/h。
無惰性氣體消耗。一方面，旁軸送粉激光熔覆技術一般采用重力送粉器，不需要消耗惰性氣體；另一方面，由于采用預置送粉，氣流會影響粉末的預置與堆積，所以熔覆頭沒有專門的惰性氣體保護功能。因此，旁軸送粉激光熔覆技術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，節省了較多的惰性氣體成本；從技術較多而言，該技術對粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其應用領域。
旁軸送粉激光熔覆技術由于效率高、成本低，一般應用于液壓油缸、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
超高速激光熔覆技術是德國弗勞恩霍夫激光技術研究所開發的一種新型的激光熔覆技術，于2017年開始在國內進行推廣應用。超高速激光熔覆技術采用光束質量較好的半導體光纖輸出激光器或光纖激光器，采用精密設計的高速激光熔覆頭和高轉速或移動速度的運動機構。其激光束與粉束、惰性氣體氣流的耦合經過精密設計，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，粉末在進入熔池之前就已經熔化或加熱至很高的溫度，縮短了粉末熔化所需的時間，因此可以實現非常高的熔覆線速度（線速度最高可達200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）。
超高速激光熔覆技術特點：
激光能量利用效率高。超高速激光熔覆技術由于精密設計了激光束、粉束與惰性氣體氣流的耦合結構，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和旁軸送粉激光熔覆技術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的激光能量利用率約35%左右；而超高速激光熔覆技術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65%左右。
熔覆效率高。超高速激光熔覆技術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，可實現非常高的熔覆效率（熔覆效率可達0.7m/以上）。
熔覆層稀釋率低。超高速激光熔覆技術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制備的熔覆層較薄，非常適合新品零件表面的預保護涂層制備。
高速絲材激光熔覆技術
高速絲材激光熔覆技術是天元智造公司基于市場需求和激光熔覆技術的發展趨勢，從環保、高效率以及高質量的理念開發的新一代激光熔覆技術。其采用半導光纖輸出激光器、高精度送絲系統和精密熔覆頭，以金屬絲材為熔覆材料進行激光熔覆。工作時，金屬絲由側向送入激光束，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特點：
環保性好。傳統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，嚴重影響設備操作區域的環境，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由于采用金屬絲代替傳統的金屬粉末，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，其環保性要高于傳統粉末激光熔覆。
材料利用率高。通過精密的熔覆頭設計和金屬絲材設計，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99%）。
熔覆效率高。高速絲材激光熔覆技術采用特殊復合能量，使得金屬在進入熔池前已達到半熔化狀態，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用于零件的表面預保護覆層制備、零件的激光熔覆再制造以及細長軸、薄壁等易變形零件的激光熔覆。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
