旁軸送粉激光熔覆和同軸送粉激光熔覆的應用及優缺點_風聞

激光熔覆在國內發展了近十幾年，屬於一種相對比較先進的金屬表面改性技術。激光熔覆技術是利用高能密度的激光束使熔覆材質(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合的熔覆層。激光熔覆層稀釋度低但結合力強，與基體呈冶金結合，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，這三種送粉形式決定了激光與金屬粉末的相互作用過程的不同。再者，從技術迭代更新以及先進性上劃分，激光熔覆又可分為傳統激光熔覆和高速激光熔覆。高速激光熔覆在傳統激光熔覆基礎上發展而來，解決了傳統激光熔覆加工效率低，熱輸入大以及熔覆層不平整後期加工量大的問題。傳統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在原有同軸送粉技術上又發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，解決了傳統旁軸和同軸送粉方式的技術缺陷，下面主要圍繞旁軸送粉激光熔覆技術和同軸送粉激光熔覆技術這兩個來説説他們的區別及優缺點。

　一、旁軸送粉激光熔覆技術

　　旁軸送粉技術也叫側向送粉激光熔覆技術，是指粉料的輸送裝置和激光束分開，彼此獨立的一種送粉方式。一般使用外側送粉管的方式，送粉管位於激光加工方向的前方，金屬粉在重力的作用下提前堆積在基體表面，然後後方的激光束掃描在預先沉積的粉末上，完成激光熔覆過程。

　　旁軸送粉激光熔覆原理圖

　　實際生產中，送粉器的出粉嘴與激光頭有相對固定的位置和角度匹配。同時旁軸激光熔覆完全依賴重力的作用，不能施加保護氣體，避免預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採用半導體直接輸出激光器或半導體光纖輸出激光器和重力送粉器，熔覆頭採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>、旁軸送粉技術缺點

　　1、金屬粉的選擇受限制

　　由於缺少保護氣體的作用，激光熔池只能依靠熔覆粉末熔化時的熔渣自我保護。因此目前工業生產中，旁軸送粉系統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生自保護作用。

　　2、熔覆層表面起伏較大

　　旁軸送粉採用預置式送粉方式，熔覆後熔覆層表面熔道十分明顯，溝壑較大起伏不平，熔覆完成後需進行相應的車、拋及磨，加工成本高。

　　3、加工面受限制

　　旁軸送粉由於是重力送粉，因此不適宜斜面工件上使用，也不適於內孔熔覆，應用範圍有限。

　　<二>、旁軸送粉技術優勢

　　1、金屬粉利用率高

　　相對於同軸送粉，旁軸送粉激光熔覆技術的材料利用率可達到95%以上。同軸送粉激光熔覆技術的粉末是通過惰性氣體吹向激光熔池，在此過程中由於粉末之間的碰撞、熔池的飛濺以及送粉通道的精度影響，有相當比例的金屬粉末不能形成熔覆層而被浪費，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置在工件表面，激光束再進行掃描照射使其熔化，可以達到非常高的材料利用率，節省了較多的材料成本。

　　2、熔覆效率相對較高

　　旁軸送粉激光熔覆技術由於採用矩形光斑方案，在保證熔覆方向光斑的能量密度不變的情況下，可以採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。目前實際生產中單道熔覆寬度可達30mm以上，熔覆線速度可達到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一般採用重力送粉方式，不需要消耗惰性氣體;另一方面，由於採用預置送粉，氣流會影響粉末的預置與堆積，所以熔覆頭沒有專門的惰性氣體保護功能。因此，旁軸送粉激光熔覆技術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，節省了較多的惰性氣體成本;從技術較多而言，該技術對粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其應用領域。

　4、適用範圍

　　旁軸送粉激光熔覆技術由於效率高、成本低，一般應用於液壓油缸、軋輥等面積較大、形狀簡單的零件表面熔覆與增材再製造。

　　二、同軸送粉激光熔覆技術

　　同軸送粉技術是指激光(圓型光斑)從熔覆頭的中心輸出，金屬粉圍繞激光呈周圍環狀分佈或者多束周向環繞分佈。熔覆頭上設置有專門的保護氣通道、金屬粉通道以及冷卻水通道。熔覆工作時，多束金屬粉與激光相交於熔覆頭外部一點。對於傳統激光熔覆，該交點一般設置在激光熔池的上，即激光和金屬粉在基體表面發生作用，金屬粉和基體同時在激光的作用下發生熔融，在工件表面形成熔覆層。

　　同軸送粉激光熔覆原理圖

　　該項技術應用於高速激光熔覆時，要求金屬粉與激光的交點位於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後落入工件表面的熔池，從而在基體表面形成緻密平整的熔覆層。同軸送粉激光器一般採用半導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>、同軸送粉技術缺點

　　1、金屬粉利用率低

　　同軸送粉激光熔覆技術採用氣動式送粉，惰性氣體在助動金屬粉輸出的同時吹向激光熔池，氣體作用下的金屬粉末之間發生碰撞、熔池裏發生飛濺以及相當比例的金屬粉末不能吸收激光熔融而被浪費，因此實際應用中，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，維護費用高

　　環形送粉或者多束粉方案中送粉通道較狹窄，且需要實現均等分粉，因重力或受氣流波動的影響，會出現分粉不均等，極易出粉通道堵塞現象，影響生產作業連續性，嚴重情況下需要更換噴嘴，維護費用較高。

　　3、安全穩定性差

　　同軸送粉熔覆頭採用中心輸出激光，周圍粉路、氣路、水路結構複雜，熔覆頭的製冷效果差，長時間工作熔覆頭温度會過高，會引起飛濺粉末的粘連。

　　<二>、同軸送粉技術優勢

　　1、熔覆表面較平整

　　相對於旁軸送粉，同軸送粉表面較為平整，後期加工工序簡單，加工量小。

　　2、送粉與激光一體化設計，自由度高、易自動化集成

　　同軸送粉為氣動式送粉，可在不同角度任意方向得到質量相同的熔覆層， 由於其熔覆時向任意方案移動均可得到形貌一致、質量相同的熔覆層，因此其熔覆方向沒有限制，配合工業機器人或多軸運動機牀可以進行任意路徑或任意形狀零件的表面熔覆。也可用於激光同軸送粉3D打印。

　　3、熔池惰性氣體保護效果好

　　同軸送粉採用氣載送粉方式，在熔覆頭上設置有專門的惰性氣體流道，熔覆過程中熔池始終處於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。特別是對含碳化鎢等陶瓷顆粒的符合材料的熔覆，適合製備無裂紋、碳化鎢分佈均勻的覆層。

　　5、熔深小、熱輸入低

　　同軸送粉激光熔覆由於光斑直徑小，熔覆線速度高，與寬光斑側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深度，熔覆性能優良，對母材性能影響較小。

6、適用範圍

　　由於同軸送粉激光熔覆技術的上述特點，通常應用於主軸、齒輪、箱體等高精度零件、複雜形狀零件的表面熔覆改性和增材再製造。同時，基於同軸送粉激光熔覆技術的金屬3D打印主要應用於大型零件的淨近成型以及梯度材料的製備。

　　此文感謝資料提供：中美高速激光熔覆