旁轴送粉激光熔覆和同轴送粉激光熔覆的应用及优缺点

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2022-07-01 16:40:09

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激光熔覆在国内发展了近十几年，属于一种相对比较先进的金属表面改性技术。激光熔覆技术是利用高能密度的激光束使熔覆材质(金属粉末)与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基体表面形成冶金结合的熔覆层。激光熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性。 　　激光熔覆按照激光与熔覆粉末的作用方式(即送料方式)划分又可分为旁轴送粉，同轴周向送粉以及中心送粉，这三种送粉形式决定了激光与金属粉末的相互作用过程的不同。再者，从技术迭代更新以及先进性上划分，激光熔覆又可分为传统激光熔覆和高速激光熔覆。高速激光熔覆在传统激光熔覆基础上发展而来，解决了传统激光熔覆加工效率低，热输入大以及熔覆层不平整后期加工量大的问题。传统激光熔覆的送粉方式以旁轴送粉和同轴送粉较为常见，而高速激光熔覆技术在原有同轴送粉技术上又发展出新的送粉方式即中心送粉，中心送粉方式相较前两种方式效率高，粉末利用率高，解决了传统旁轴和同轴送粉方式的技术缺陷，下面主要围绕旁轴送粉激光熔覆技术和同轴送粉激光熔覆技术这两个来说说他们的区别及优缺点。 　　一、旁轴送粉激光熔覆技术 　　旁轴送粉技术也叫侧向送粉激光熔覆技术，是指粉料的输送装置和激光束分开，彼此独立的一种送粉方式。一般使用外侧送粉管的方式，送粉管位于激光加工方向的前方，金属粉在重力的作用下提前堆积在基体表面，然后后方的激光束扫描在预先沉积的粉末上，完成激光熔覆过程。 　　旁轴送粉激光熔覆原理图 　　实际生产中，送粉器的出粉嘴与激光头有相对固定的位置和角度匹配。同时旁轴激光熔覆完全依赖重力的作用，不能施加保护气体，避免预置在基体上的熔覆粉末被吹散，降低粉末利用率以及熔覆效率。旁轴送粉激光器一般采用半导体直接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和旁轴宽带送粉方案。 　　旁轴宽带送粉激光熔覆 　　<一>、旁轴送粉技术缺点 　　1、金属粉的选择受限制 　　由于缺少保护气体的作用，激光熔池只能依靠熔覆粉末熔化时的熔渣自我保护。因此目前工业生产中，旁轴送粉系统多选用自熔性合金粉末。熔覆粉末依靠B,Si等元素的造渣作用在熔池表面产生自保护作用。 　　2、熔覆层表面起伏较大 　　旁轴送粉采用预置式送粉方式，熔覆后熔覆层表面熔道十分明显，沟壑较大起伏不平，熔覆完成后需进行相应的车、抛及磨，加工成本高。 　　3、加工面受限制 　　旁轴送粉由于是重力送粉，因此不适宜斜面工件上使用，也不适于内孔熔覆，应用范围有限。 　　<二>、旁轴送粉技术优势 　　1、金属粉利用率高 　　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。 　　2、熔覆效率相对较高 　　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，熔覆线速度可达到1.0m/h。 　　3、无惰性气体消耗、成本低 　　一方面，旁轴送粉激光熔覆技术一般采用重力送粉方式，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。 　　4、适用范围 　　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。 　　二、同轴送粉激光熔覆技术 　　同轴送粉技术是指激光(圆型光斑)从熔覆头的中心输出，金属粉围绕激光呈周围环状分布或者多束周向环绕分布。熔覆头上设置有专门的保护气通道、金属粉通道以及冷却水通道。熔覆工作时，多束金属粉与激光相交于熔覆头外部一点。对于传统激光熔覆，该交点一般设置在激光熔池的上，即激光和金属粉在基体表面发生作用，金属粉和基体同时在激光的作用下发生熔融，在工件表面形成熔覆层。 　　同轴送粉激光熔覆原理图 　　该项技术应用于高速激光熔覆时，要求金属粉与激光的交点位于工件表面的上方空间，即金属粉在充分吸收激光能量成为熔融或者半熔融状态后落入工件表面的熔池，从而在基体表面形成致密平整的熔覆层。同轴送粉激光器一般采用半导体光纤输出激光器或光纤激光器，送粉器选用盘式气载送粉器。 　　同轴送粉高速激光熔覆 　　<一>、同轴送粉技术缺点 　　1、金属粉利用率低 　　同轴送粉激光熔覆技术采用气动式送粉，惰性气体在助动金属粉输出的同时吹向激光熔池，气体作用下的金属粉末之间发生碰撞、熔池里发生飞溅以及相当比例的金属粉末不能吸收激光熔融而被浪费，因此实际应用中，粉末利用率只有50%-70%左右，而且粉末输出速度越快，粉末利用率越低。 　　2、易堵粉，维护费用高 　　环形送粉或者多束粉方案中送粉通道较狭窄，且需要实现均等分粉，因重力或受气流波动的影响，会出现分粉不均等，极易出粉通道堵塞现象，影响生产作业连续性，严重情况下需要更换喷嘴，维护费用较高。 　　3、安全稳定性差 　　同轴送粉熔覆头采用中心输出激光，周围粉路、气路、水路结构复杂，熔覆头的制冷效果差，长时间工作熔覆头温度会过高，会引起飞溅粉末的粘连。 　　<二>、同轴送粉技术优势 　　1、熔覆表面较平整 　　相对于旁轴送粉，同轴送粉表面较为平整，后期加工工序简单，加工量小。 　　2、送粉与激光一体化设计，自由度高、易自动化集成 　　同轴送粉为气动式送粉，可在不同角度任意方向得到质量相同的熔覆层， 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。也可用于激光同轴送粉3D打印。 　　3、熔池惰性气体保护效果好 　　同轴送粉采用气载送粉方式，在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道，熔覆过程中熔池始终处于良好的惰性气体氛围中，大大降低了熔池及熔覆层氧化，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。 　　4、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Φ1-Φ5mm，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，适合制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。 　　5、熔深小、热输入低 　　同轴送粉激光熔覆由于光斑直径小，熔覆线速度高，与宽光斑侧向送粉激光熔覆和电弧焊相比，熔覆热输入低，具有适中稀释率和较小的热影响区深度，熔覆性能优良，对母材性能影响较小。 　　6、适用范围 　　由于同轴送粉激光熔覆技术的上述特点，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。 　　此文感谢资料提供：中美高速激光熔覆

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