激光熔覆技術及研究展望

毛測宇 靳兆文* 王洪波

（南京科技職業學院 江蘇·南京 211500）

1 激光加工技術及應用

激光加工是利用激光束照射到基材表面，利用產生的熱效應來完成加工的技術。激光加工應用的領域有激光切割、激光焊接、激光熔敷和激光打標等先進技術[1]，相對于傳統加工技術，具有熱輸入小、變形小、應力小、效率高、應用廣泛等優點。

在激光切割領域，激光應用在被切割材料的厚度和幅度上都較傳統方式有了大幅改善，光纖激光切割機在平面切割和斜角切割加工上都有優勢，切割出的邊緣整齊、平滑，相對于火焰切割等傳統技術，相對比較環保，且價格效率較高，在加工制造領域屬于領先技術。

在激光熔敷領域，是利用高能密度的激光束，將焊接粉末熔凝在基材表面薄層一種技術，形成的熔覆薄層可以改善材料表面耐蝕性、耐熱性和耐磨性，是一種綠色的再制造技術。航空、石油化工等領域使用較廣，特別適合大型傳動類設備，設備價格昂貴且損傷量小場合。

在激光焊接領域，激光焊接在國內外都得到了廣泛的應用。近些年來以高功率光纖激光器為基礎的激光焊接，廣泛應用于汽車制造、石油管道、航天航空、軌道交通及能源電力等領域，很大程度推動了產品質量的提升，對生產效率上也有明顯促進作用。

2 激光熔覆技術研究進展

激光熔覆作為激光加工的重要分支之一，該技術被產業化后，國內外學者圍繞焊接參數對熔覆層的性能和作用機理做了一系列的大量研究，涌現出了大量成果，其中相當一部具有實用價值。江吉彬[2]等對激光熔覆技術的國內外研究現狀進行了分析，指出對激光熔覆質量影響較大的有焊接工藝參數、質量參數、過程參數、激光光源、基材材質、焊接粉末、送粉系統等幾個方面；許明三[3]等做了正交試驗，以粉末材質、熔覆功率、熔覆掃描速度為研究對象，研究發現合金粉末材質是影響熔覆層結合強度的重要因素；杜學蕓[4]等重點檢測了熔覆層的耐腐蝕性能，選擇使用能量密度不同的大功率激光器作為熔覆試驗基礎，對熔覆層進行中性鹽霧試驗，得出能量密度越高，形成法人熔覆層微觀組織差異就越大，耐蝕性能也會越差的結論。

若將有限元模擬運用到熔敷工藝參數的選定上，根據實際情況調整模型再對相關參數進行微調，可大幅度縮短融敷焊工藝確定的試驗周期。Han[5]等人解除了二維流體和能量方程，結果預測熔池的溫度分布情況和內部幾何形狀。Hoadley和Rappaz[6]提出了一個計算激光熔覆過程中穩態溫度的二維模型，得出了基體溫度場的數值模型，屬于準穩態數值，結果表明基體熔化非常少，得到掃描速度、激光功率和修復層厚度3個因素具有近似線性關系。Cho和Pirch等人[7]采用了三維穩態有限元模型，將同軸送粉作為研究變量，對涂層溫度場及涂層形狀進行了計算，方法采用自洽，將溫度梯度和冷卻速率作為依據對涂層熔覆組織進行了性能預測。Jendrzejewski[8]用10Cr13為基材，在基材上熔覆鈷基合金，研究了預熱溫度對修復層應力場和溫度場的影響，用線性逼近溫度特性，對基體預熱后熱應力值得到了大幅下降，試驗出了無裂紋修復層。

諸多學者在激光熔覆焊接參數上做了大量優化實驗論證。王永東[9]等研究了不同激光熔覆工藝參數下Ni60A熔覆層的組織與性能，基于35CrMnSi鋼基體表面制備不同激光熔覆工藝參數的Ni60A熔覆層，數據分析表明：熔覆層的組織與性能最佳工藝參數是激光功率1500W、掃描速度10 mm/s，在該參數下制得的熔覆層內部沒有產生顯微裂紋，枝晶連貫性良好且枝晶間距也較小，顯微硬度最高為9.96GPa，稀釋率最小為7.15%。舒林森[10]等分析發現在Q235鋼基材上制備鐵基合金（Fe45）熔覆層的激光熔覆最佳工藝參數為：激光功率2.7 kW、掃描速度7 mm/s、離焦量2 mm、送粉速度22 g/min，驗證實驗還得出以最優參數制備的熔覆層硬度均勻度較高、可以與基材形成連續的白亮凝合線，表面及內部無裂紋和氣孔，熔覆層整體性能得到大幅提升。

綜上所述，工藝參數是激光熔覆技術運用過程中極為重要的部分，激光熔覆各項技術工藝參數對熔覆層的微觀結構和性能都有影響。激光功率會影響焊接效率，光斑直徑會影響能量輸出，進給速度會影響焊接質量，送氣量會影響焊接缺陷的形成，焊接粉末會影響熔覆涂層的性能和外觀質量等。所以，選取最佳的參數組合對熔覆層的性能或修復層的外表質量影響是非常大的，也是修復和熔敷工作中最重要、最關鍵的一步。

然而被修復和熔敷的零部件因材質不同、結構不同、尺寸不同，其對應的最優參數組合都會發生變化，在正式焊接前，技術人員需做好參數選定工作，調試需花費大量的時間、精力和其它成本，往往會大幅降低修復工作的時效性，呈現不出激光熔覆的優勢。參數選取不當容易造成貴重金屬熔覆層結合力不牢而脫落，或者會引起裂紋氣孔等缺陷，從而造成金屬熔敷或修復加工報廢。在實際工業生產中，焊接修復工況千變萬化，激光熔覆修復技術需要一個龐大的工藝參數數據庫支撐，一個人或單個團隊很難完成該項任務，需要組建有效的共享機制才能將工藝參數標準化，從而大幅度提高激光熔覆技術的修復效率。建立有效的參數組合標準可以省去前期大量實驗及驗證的時間，進一步發揮修復的時效性，同時在成本上大幅度降低，對企業而言可獲取更大的經濟效益。

目前激光熔覆焊工藝參數的組合還存在很多不確定性，參數的使用存在非標準化現象，在焊接參數優化方面還需科研工作者做大量的實驗進行論證。在焊接參數優化方面，計算機軟件模擬技術的應用可大大縮短激光熔覆工藝參數的匹配時間，具有非常高的實用價值。

3 激光熔覆技術研究展望

激光熔覆技術深受學者的青睞，雖然該行業發展還未成熟，近幾年大量的研究成果加速推動了該項技術的發展，相信該技術將會在工業生產中得到進一步推廣，也為未來普遍推廣金屬3D打印提供了技術基礎。展望后續研究重點，主要需在以下幾個方面做出努力：

（1）從熔覆原理上解決裂紋產生機理及預防問題；

（2）成立全國性的研究機構或團隊，將現有研究成果建成標準化數據庫，有計劃、有組織地研究該項技術，為不同類型熔覆材料熔覆選擇最佳的工藝參數提供依據；

（3）在新型熔覆材料體系上作進一步研發，研究開發高性能、高質量的涂層材料；

（4）熔覆技術理論體系，如熱源耦合機理、熔池理論模型等需要進一步完善；

（5）計算仿真軟件的應用，能夠有效加快激光熔覆技術的研究。如利用計算機模擬預測溫度場、應力場、溶質元素分布，建立復雜多物理場耦合模型，可以為高性能零件的制備提供技術支撐，具有重要的研究價值。