激光熔覆工艺指的是什么?

熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。

同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。

预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。

按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

激光器工作原理：

激光熔覆成套设备组成：激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。

激光器的选用：目前应用广泛的有CO2激光器，固体激光器。

CO2激光器是应用最广、种类最多的一种激光器，在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%，北美更高达70%。

1.功率高。CO2激光器是目前输出功率达到最高级区的激光器之一，其最大连续输出功率可达几十万瓦

2.效率高。光电转换率可达30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。

3.光束质量高。模式好，相干性好，线宽窄，工作稳定。

传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约为3%到6%。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能，不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统，而且大量热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为400小时， *** 作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。与传统灯泵浦激光器比较，二极管泵浦固体激光器具有以下优点：

(1) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50%以上，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦激光器体积小、重量轻，结构紧凑。

(2) 性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达 15000小时，泵浦光的能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，为全固化器件，是至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。

(3) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应， 大 大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近极限。

一、同轴送粉激光熔覆技术

同轴送粉激光熔覆技术一般采用半导体光纤输出激光器和盘式气载送粉器，熔覆头采用中心出光的圆形光斑方案，光束周围环状送粉或者多束送粉，并设置由专门的保护气通道，粉束、光束与保护气流交于一点。熔覆工作时该焦点处会形成熔池，随着熔覆头与工件做相对运动，在工件表面形成覆层。

同轴送粉激光熔覆技术特点：

自由度高、容易实现自动化

由于其熔覆时向任意方案移动均可得到形貌一致、质量相同的熔覆层，因此其熔覆方向没有限制，配合工业机器人或多轴运动机床可以进行任意路径或任意形状零件的表面熔覆，作为3D打印的打印头时，可进行激光同轴送粉3D打印。

熔池保护效果好

同轴送粉采用气载送粉方式，在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道，熔覆过程中熔池始终处于良好的惰性气体氛围中，大大降低了熔池及熔覆层氧化，熔覆层中氧化物夹杂较少，熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。

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，粉末与光束均匀接触，熔覆过程中的热量传递更均匀，因此熔覆层抗裂性好。特别是对含碳化钨等陶瓷颗粒的符合材料的熔覆，适合制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。

适用范围广

通常应用于主轴、齿轮、箱体等高精度零件、复杂形状零件的表面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材料的制备。

二、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，常用于CO2激光器和半导体直输出激光器，当然也适用于半导体光纤输出激光器，采用重力送粉方式，熔覆头采用矩形光斑+旁轴宽带送粉方案。熔覆头工作时，合金粉末经送粉嘴输送至工件表面进行预置，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：

材料利用率高

相对于同轴送粉，旁轴送粉激光熔覆技术的材料利用率可达到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，在此过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能形成熔覆层而被浪费，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）。而旁轴送粉激光熔覆通过将粉末预置在工件表面，激光束再进行扫描照射使其熔化，可以达到非常高的材料利用率，节省了较多的材料成本。

熔覆效率高

旁轴送粉激光熔覆技术由于采用矩形光斑方案，在保证熔覆方向光斑的能量密度不变的情况下，可以采用加大激光功率和光斑宽度的方式，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，熔覆效率可达到1m/h或12Kg/h。

无惰性气体消耗，成本低

一方面，旁轴送粉激光熔覆技术一般采用重力送粉方式，不需要消耗惰性气体；另一方面，由于采用预置送粉，气流会影响粉末的预置与堆积，所以熔覆头没有专门的惰性气体保护功能。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。从成本的角度而言，节省了较多的惰性气体成本。

应用范围有一定限制

旁轴送粉激光熔覆技术对粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其应用领域，但是由于效率高、成本低，一般应用于液压油缸、轧辊等面积较大、形状简单的零件表面熔覆与增材再制造。

1、镁合金的激光切割技术

切割是镁合金材料深加工的首要环节，良好的切割质量是材料深加工的保证。与传统切割方法相比，激光切割具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生产效率。目前，国内外对镁合金激光切割的研究尚属鲜见。

我 们利用500W固体脉冲Nd：YAG激光对4mm厚AZ31B镁合金板材进行了切割工艺研究。激光切缝窄细，上缝宽0.45mm、中缝宽0.22mm、下 缝宽0.35mm，切缝垂直度为0.05mm，切面波纹小且分布规露。热影响区不明显，切缝的整体宽度约为空气等离子弧切割的1/4。但是，切缝的下表面 有轻微的氧化现象，切面有80μm厚的组织形貌为等轴晶的重熔层。工艺研究得出的结论是:切缝宽度随着放电电压、脉冲宽度、脉冲频率的增大而增大，切割速 度与辅助气体对切缝宽度的影响不大。图1为AZ31B镁合金激光切割宏观形貌和微观组织照片。

2、 镁合金的激光焊接技术

镁 合金的焊接性能不好，是制约镁合金应用的技术瓶预之一。相比传统焊接方法，激光焊接具有焊接速度快、热输人低、焊接变形小的特点。镁合金激光焊接技术的研 究处于起步阶段，国内外对镁合金的激光焊接研究主要集中在镁合金的连续CO2激光焊接和固体脉冲YAG激光焊接两个领域。

德国的 R.S.Coe1h。等Coelho用2.2kW的Nd:YAG激光器焊接了2mm厚的AZ31B镁合金。得到了表面成形好、气孔少、HAZ区小且无品粒 明显长大的焊缝。加拿大的H.Al-Kazzaz等用4kW的Nd:YAG激光器成功焊接了2mm-6mm厚的ZE41A。焊接过程中激光功率过高或过低 都会导致加工表面功率密度降低，问时焊接形式从小孔聚焦转变为部分聚焦，最后为热传导模式。

激光复合热源焊接作为新型焊接技术日益受到 关注，宋刚等用400W固体脉冲YAG激光加旁轴式TIG作为焊接复合热源，首次成功焊接2.5mm厚AZ31B镁合金板材，复合焊接的熔深可达TIG单 独焊接的2倍、激光单独焊接的4倍，且焊缝与母材抗拉强度（240MPa）相当。为了提高镁合金材料在焊接过程中对激光的吸收率，孙昊等用500W固体脉 冲YAG激光器研究了活性剂对镁合金激光焊接过程的影响，氧化物和氯化物能够增加镁合金激光焊接的熔深和深宽比，原因是活性剂微细粉末在激光作用初期增加 了对激光能量的吸收。

我们已经进行了镁合金薄板的激光焊接和激光复合焊接，目前正在研究中厚板的激光焊接，为工程实践提供理论支持。

3、镁合金的激光表面改性技术

随着激光表面改性技术的不断完善，镁合金激光表面处理在镁合金表面耐蚀性、耐磨性等方面的应用越来越受到国内外研究者的重视。激光表面改性技术分为激光表而重熔、激光表面合金化及激光表面熔覆等。

1）、激光表面重熔

镁合金激光表面重熔使材料表面组织晶粒细化、显微偏析减少、生成非平衡相，进而引起表面强化，使合金表面耐磨性增加。

巴 基斯坦的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半导体激光器对AZ31和AZ61镁合金进行表面熔凝处理，AZ31的硬度由基体的65HV提高到熔凝层的120HV, AZ61的硬度由基体的70HV提高到熔凝层的140HV，且磨损量都降低了一半，提高了其耐磨性。

高亚丽等用800W的CO2激光器 对AZ91HP镁合金进行了激光表面熔凝处理。与原始镁合金相比，熔凝层的硬度约提高90%左右，耐磨性提高78%，耐蚀性显著提高。这是枝晶细化和熔凝 层中相对较多的共同作用。我们用5kW横流CO2激光器研究了AZ31B的激光熔凝技术，微观组织见图2，可以看出，熔凝区晶粒比母材明显小很多。

2）、 激光表面合金化

国 内外在镁合金表面采用合金化处理的研究较少，主要的研究是利用注人硬质颗粒来提高合金化层的耐磨性。印度的Majurndar J D等利用l0kW连续CO2激光器对MEZ采用Al+Mn，SiC和Al+Al2O3合金粉末进行表面合金化处理，硬度由基体的35HV提高到合金化层的 270HV，由于硬质相SiC的存在，同时耐磨性得到了提高。

陈长军等使用5kW的CO2激光器对表面上预置了Al-Y粉末的ZM5进行了合金化处理，涂层硬度可达到250HV-325HV，而基材的硬度仅为80HV-l00HV。同基材相比，激光处理后的涂层耐蚀性得到显著提高。

3）、 激光表面熔覆

与激光熔凝、激光合金化相比，国内外对于镁合金激光熔覆研究相对较活跃，镁合金激光熔覆主要围绕提高镁合金的耐磨和耐蚀性进行。

德 国Maiwald T等用Al+Cu，Al+Si和AlSi30合金粉末对AZ91E和NEZ210进行激光熔覆，Al+Si熔覆层的耐蚀性好于Al+Cu熔覆 层，AlSi30熔覆层的耐蚀性最好。德国Bakkar A在碳纤维强化的AS41表面上激光熔覆Al-S，粉末，得到了与基休有良好交界区的熔覆层，且熔覆层的耐蚀性提高了。

黄开金等采用 3.5kW激光器在AZ9ID表面有效地熔覆了非晶复合粉末Zr-Cu-Ni-Al/TiC，在非晶和金属间化合物的作用下，熔覆层的硬度由基材的 100HV0.1提高到850HV0.1左右，硬度提高了7倍左右，加人TiC后，硬度更是提高了9倍左右，同时熔覆层的耐磨性较基材提高了16倍。

通过表面改性来改善镁合金结构服役性能是一个重要的手段，将会成为镁合金研究的重要方向之一，但这方面的工作，还远远做得不够，可供实际借鉴的研究更是屈指可数。

---