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几种常见的激光熔覆技术介绍

来源:陕西天元智能再制造股份有限公司    关键词:激光熔覆,    发布时间:2019-12-06

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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工作序幕。但由于受制于激光器技术的制约,在相当长的一段时间内,激光熔覆技术的产业化发展较为缓慢。进入21世纪后,随着大功率激光器技术的成熟,激光熔覆技术的产业化才得到了快速发展。

激光熔覆技术具有稀释率低、热输入小、材料广泛等众多优点,目前已在产业化应用的过程中演化出多种不同类型,并广泛应用于增材制造、再制造、表面工程的各个领域。 按照激光熔覆的材料类型和材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。
熔池惰性气体保护效果好。由于送粉方式为气载送粉以及在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道,熔覆过程中熔池处于良好的局部惰性气体氛围中,熔池及熔覆层氧化少,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。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,容易制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。
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、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。

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,其一般采用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。一方面,旁轴送粉激光熔覆技术一般采用重力送粉器,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;从技术较多而言,该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。
旁轴送粉激光熔覆技术由于效率高、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。

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年开始在国内进行推广应用。超高速激光熔覆技术采用光束质量较好的半导体光纤输出激光器或光纤激光器,采用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,工作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,因此可以实现非常高的熔覆线速度(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:

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,熔池表面非常光滑,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。
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,再配合非常高的熔覆线速度和较薄的熔覆层,可实现非常高的熔覆效率(熔覆效率可达0.7m/以上)。
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,熔池的存在时间非常短,因此其熔覆层的稀释率很低。
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,非常适合新品零件表面的预保护涂层制备。

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发展趋势,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。其采用半导光纤输出激光器、高精度送丝系统和精密熔覆头,以金属丝材为熔覆材料进行激光熔覆。工作时,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:

环保性好。传统粉末激光熔覆由于熔覆过程中金属粉末抛洒、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,熔覆过程有较多的粉尘和烟尘,严重影响设备操作区域的环境,回收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采用金属丝代替传统的金属粉末,刚性的丝材会完全熔化形成熔覆层,熔覆过程中无飞溅和金属粉尘的抛洒,其环保性要高于传统粉末激光熔覆。
材料利用率高。通过精密的熔覆头设计和金属丝材设计,高速激光熔覆过程中,金属丝会完全被熔化,且熔化过程非常柔和、无飞溅,使得高速丝材激光熔覆拥有很高的材料利用率(材料利用率可达99%)。
熔覆效率高。高速丝材激光熔覆技术采用特殊复合能量,使得金属在进入熔池前已达到半熔化状态,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传统的粉末激光熔覆。
热输入小、线能量低、工件变形小。高速丝材激光熔覆过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。
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表面预保护覆层制备、零件的激光熔覆再制造以及细长轴、薄壁等易变形零件的激光熔覆。
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