旁軸送粉激光熔覆和同軸送粉激光熔覆的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)

激光熔覆在國內(nèi)發(fā)展了近十幾年，屬于一種相對(duì)比較先進(jìn)的金屬表面改性技術(shù)。激光熔覆技術(shù)是利用高能密度的激光束使熔覆材質(zhì)(金屬粉末)與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基體表面形成冶金結(jié)合的熔覆層。激光熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強(qiáng)，與基體呈冶金結(jié)合，可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性。

　　激光熔覆按照激光與熔覆粉末的作用方式(即送料方式)劃分又可分為旁軸送粉，同軸周向送粉以及中心送粉，這三種送粉形式?jīng)Q定了激光與金屬粉末的相互作用過程的不同。再者，從技術(shù)迭代更新以及先進(jìn)性上劃分，激光熔覆又可分為傳統(tǒng)激光熔覆和高速激光熔覆。高速激光熔覆在傳統(tǒng)激光熔覆基礎(chǔ)上發(fā)展而來，解決了傳統(tǒng)激光熔覆加工效率低，熱輸入大以及熔覆層不平整后期加工量大的問題。傳統(tǒng)激光熔覆的送粉方式以旁軸送粉和同軸送粉較為常見，而高速激光熔覆技術(shù)在原有同軸送粉技術(shù)上又發(fā)展出新的送粉方式即中心送粉，中心送粉方式相較前兩種方式效率高，粉末利用率高，解決了傳統(tǒng)旁軸和同軸送粉方式的技術(shù)缺陷，下面主要圍繞旁軸送粉激光熔覆技術(shù)和同軸送粉激光熔覆技術(shù)這兩個(gè)來說說他們的區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　一、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)

旁軸送粉激光熔覆原理圖

　　實(shí)際生產(chǎn)中，送粉器的出粉嘴與激光頭有相對(duì)固定的位置和角度匹配。同時(shí)旁軸激光熔覆完全依賴重力的作用，不能施加保護(hù)氣體，避免預(yù)置在基體上的熔覆粉末被吹散，降低粉末利用率以及熔覆效率。旁軸送粉激光器一般采用半導(dǎo)體直接輸出激光器或半導(dǎo)體光纖輸出激光器和重力送粉器，熔覆頭采用矩形光斑和旁軸寬帶送粉方案。

旁軸寬帶送粉激光熔覆

　　<一>、旁軸送粉技術(shù)缺點(diǎn)

　　1、金屬粉的選擇受限制

　　由于缺少保護(hù)氣體的作用，激光熔池只能依靠熔覆粉末熔化時(shí)的熔渣自我保護(hù)。因此目前工業(yè)生產(chǎn)中，旁軸送粉系統(tǒng)多選用自熔性合金粉末。熔覆粉末依靠B,Si等元素的造渣作用在熔池表面產(chǎn)生自保護(hù)作用。

　　2、熔覆層表面起伏較大

　　旁軸送粉采用預(yù)置式送粉方式，熔覆后熔覆層表面熔道十分明顯，溝壑較大起伏不平，熔覆完成后需進(jìn)行相應(yīng)的車、拋及磨，加工成本高。

　　3、加工面受限制

　　旁軸送粉由于是重力送粉，因此不適宜斜面工件上使用，也不適于內(nèi)孔熔覆，應(yīng)用范圍有限。

　　<二>、旁軸送粉技術(shù)優(yōu)勢

　　1、金屬粉利用率高

　　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)的粉末是通過惰性氣體吹向激光熔池，在此過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、熔覆效率相對(duì)較高

　　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，熔覆線速度可達(dá)到1.0m/h。

　　3、無惰性氣體消耗、成本低

　　一方面，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用重力送粉方式，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，所以熔覆頭沒有專門的惰性氣體保護(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。

　　4、適用范圍

　　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、形狀簡單的零件表面熔覆與增材再制造。

　　二、同軸送粉激光熔覆技術(shù)

同軸送粉激光熔覆原理圖

　　該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于高速激光熔覆時(shí)，要求金屬粉與激光的交點(diǎn)位于工件表面的上方空間，即金屬粉在充分吸收激光能量成為熔融或者半熔融狀態(tài)后落入工件表面的熔池，從而在基體表面形成致密平整的熔覆層。同軸送粉激光器一般采用半導(dǎo)體光纖輸出激光器或光纖激光器，送粉器選用盤式氣載送粉器。

同軸送粉高速激光熔覆

　　<一>、同軸送粉技術(shù)缺點(diǎn)

　　1、金屬粉利用率低

　　同軸送粉激光熔覆技術(shù)采用氣動(dòng)式送粉，惰性氣體在助動(dòng)金屬粉輸出的同時(shí)吹向激光熔池，氣體作用下的金屬粉末之間發(fā)生碰撞、熔池里發(fā)生飛濺以及相當(dāng)比例的金屬粉末不能吸收激光熔融而被浪費(fèi)，因此實(shí)際應(yīng)用中，粉末利用率只有50%-70%左右，而且粉末輸出速度越快，粉末利用率越低。

　　2、易堵粉，維護(hù)費(fèi)用高

　　環(huán)形送粉或者多束粉方案中送粉通道較狹窄，且需要實(shí)現(xiàn)均等分粉，因重力或受氣流波動(dòng)的影響，會(huì)出現(xiàn)分粉不均等，極易出粉通道堵塞現(xiàn)象，影響生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)性，嚴(yán)重情況下需要更換噴嘴，維護(hù)費(fèi)用較高。

　　3、安全穩(wěn)定性差

　　同軸送粉熔覆頭采用中心輸出激光，周圍粉路、氣路、水路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔覆頭的制冷效果差，長時(shí)間工作熔覆頭溫度會(huì)過高，會(huì)引起飛濺粉末的粘連。

　　<二>、同軸送粉技術(shù)優(yōu)勢

　　1、熔覆表面較平整

　　相對(duì)于旁軸送粉，同軸送粉表面較為平整，后期加工工序簡單，加工量小。

　　2、送粉與激光一體化設(shè)計(jì)，自由度高、易自動(dòng)化集成

　　同軸送粉為氣動(dòng)式送粉，可在不同角度任意方向得到質(zhì)量相同的熔覆層， 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。也可用于激光同軸送粉3D打印。

　　3、熔池惰性氣體保護(hù)效果好

　　同軸送粉采用氣載送粉方式，在熔覆頭上設(shè)置有專門的惰性氣體流道，熔覆過程中熔池始終處于良好的惰性氣體氛圍中，大大降低了熔池及熔覆層氧化，熔覆層中氧化物夾雜較少，熔池小、粉末受熱均勻、熔覆層抗裂性好。

　　4、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Φ1-Φ5mm，粉末與光束均勻接觸，熔覆過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，適合制備無裂紋、碳化鎢分布均勻的覆層。

　　5、熔深小、熱輸入低

　　同軸送粉激光熔覆由于光斑直徑小，熔覆線速度高，與寬光斑側(cè)向送粉激光熔覆和電弧焊相比，熔覆熱輸入低，具有適中稀釋率和較小的熱影響區(qū)深度，熔覆性能優(yōu)良，對(duì)母材性能影響較小。

　　6、適用范圍

　　由于同軸送粉激光熔覆技術(shù)的上述特點(diǎn)，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。