激光熔覆

   激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

   激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度低，与基体成冶金结合的表面涂层，改良基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既实现了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

　　与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景广阔。

　　从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于两个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的百分之90以上，其修复费用不到重置价格的1／5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2／3的制造成本，缩短4／5的制造周期。

　　熔覆材料：目前应用的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用多，与钴基材料相比，其价格便宜。

　　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：目前应用的有CO2激光器，固体激光器。

　　CO2激光器是应用广、种类多的一种激光器，在汽车工业、钢铁工业、 工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域应用。约占全球工业激光器销售额40％，北美高达百分之70。

　　1.功率高。CO2激光器是目前输出功率达到的激光器之一，其连续输出功率可达几十万瓦

　　2.效率高。光电转换率可达百分之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，操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，已达百分之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，是至今为止无需维护的激光器，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 大改良了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近极限。

    激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。
　　激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时,各参数之间也相互影响,是一个非常复杂的过程。采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。
　　随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护, 如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作。