1974年底，美國(guó)ACVO EVERETT RES LABINC公司的Gnanamuthu提出了世界上第一個(gè)激光熔覆專(zhuān)利US3952180A，由此開(kāi)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(zhǎng)的一段時(shí)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(diǎn)，目前已在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的過(guò)程中演化出多種不同類(lèi)型，并廣泛應(yīng)用于增材制造、再制造、表面工程的各個(gè)領(lǐng)域。

　　按照激光熔覆的材料類(lèi)型和材料與激光束的耦合形式，可將常見(jiàn)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(pán)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?chē)h(huán)狀送粉或者多束送粉，并設(shè)置由專(zhuān)門(mén)的保護(hù)氣通道，粉束、光束與保護(hù)氣流交于一點(diǎn)。熔覆工作時(shí)該焦點(diǎn)處會(huì)形成熔池，隨著熔覆頭與工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在工件表面形成覆層。

　　同軸送粉激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

　　1、自由度高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于其熔覆時(shí)向任意方案移動(dòng)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(méi)有限制，配合工業(yè)機(jī)器人或多軸運(yùn)動(dòng)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(shí)，可進(jìn)行激光同軸送粉3D打印。

　　2、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(zhuān)門(mén)的惰性氣體流道，熔覆過(guò)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。

　　3、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(shí)粉末與光束均勻接觸，熔覆過(guò)程中的熱量傳遞更均勻，因此熔覆層抗裂性好。特別是對(duì)含碳化鎢等陶瓷顆粒的符合材料的熔覆，容易制備無(wú)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(diǎn)，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(shí)，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(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)：

　　1、材料利用率高。相對(duì)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(guò)惰性氣體吹向激光熔池，在此過(guò)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(fèi)，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(guò)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。

　　2、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(shí)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。

　　3、無(wú)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(huì)影響粉末的預(yù)置與堆積，所以熔覆頭沒(méi)有專(zhuān)門(mén)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(duì)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(jiǎn)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(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的一種新型的激光熔覆技術(shù)，于2017年開(kāi)始在國(guó)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(jì)的高速激光熔覆頭和高轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其激光束與粉束、惰性氣體氣流的耦合經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)，工作時(shí)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(shí)間，因此可以實(shí)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(diǎn)：

　　1、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(jì)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(guò)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。

　　2、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(shí)現(xiàn)非常高的熔覆效率(熔覆效率可達(dá)0.7m2/以上)。

　　3、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(shí)間非常短，因此其熔覆層的稀釋率很低。

　　4、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(diǎn)。

　　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(chǎng)需求和激光熔覆技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從環(huán)保、高效率以及高質(zhì)量的理念開(kāi)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(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)形成熔覆層。

　　高速絲材激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

　　1、環(huán)保性好。傳統(tǒng)粉末激光熔覆由于熔覆過(guò)程中金屬粉末拋灑、送粉氣流的吹揚(yáng)、熔池的飛濺以及粉末中造渣和造氣元素的影響，熔覆過(guò)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(huì)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(huì)完全熔化形成熔覆層，熔覆過(guò)程中無(wú)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。

　　2、材料利用率高。通過(guò)精密的熔覆頭設(shè)計(jì)和金屬絲材設(shè)計(jì)，高速激光熔覆過(guò)程中，金屬絲會(huì)完全被熔化，且熔化過(guò)程非常柔和、無(wú)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%)。

　　3、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(shí)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。

　　4、熱輸入小、線能量低、工件變形小。高速絲材激光熔覆過(guò)程通過(guò)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。

　　5、除了上述特點(diǎn)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(diǎn)。

　　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(zhǎng)軸、薄壁等易變形零件的激光熔覆。

　　文章來(lái)源：陜西天元智能再制造股份有限公司