激光熔覆的工艺设备原理

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：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，固体激光器(光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器）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。

（4）速度快、深度大、无变形、熔覆层无夹渣、熔池细腻无气孔。

（5）可以在室温或者特殊的条件下进行工作，比如激光经过磁场之后光束不会发生偏转吗，在真空情况下都能够进行使用，通过玻璃和透明的材料进行熔覆。

（6）可进行薄壁激光熔覆，基体无变形。

但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，为高反射材料，则光纤激光器、二极管激光器由于其自身设计的特点，就显得不太适合了，而碟片激光器则比较适合焊接（包括熔覆）、切割反射率比较高的材料。

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。

激光加工常用的大功率激光器有以下三个：

1、CO2激光器的激光波长为10.6um，对金属的吸收系数较低，适用于非金属材料的切割，可用于金属材料的焊接。

2、YAG激光器对金属的吸收系数较高，可以进行金属的切割、焊接、打标等应用。

3、半导体激光器受限于激光光束的均匀性较高，其穿透性较差，因此不适合进行金属切割应用，但其光斑的特点适合金属的表面处理，如熔覆，硬化，3D打印等。

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