激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用

常成，刘建永，杨伟，曾大新

（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰442002）

激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用

常成，刘建永，杨伟，曾大新

（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰442002）

介绍了激光熔覆技术的原理及其特点，综述了该技术在汽车零部件制造、零部件再制造以及汽车模具的表面强化与修复等方面的应用，指出了该技术在汽车工业中的应用前景。

激光熔覆；汽车工业；表面强化；再制造

激光熔覆是通过不同种类的送料方式，利用高能密度激光束将所添加的材料与基材表面一薄层同时熔化，快速凝固后形成与基体呈良好冶金结合涂层的表面技术［1］。采用激光熔覆技术对材料表面进行强化处理可显著改善金属表面的耐磨、耐热、耐蚀等性能。与堆焊、电镀、热喷涂等传统表面处理技术相比，它具有适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、基体热变形小、工艺易于实现自动化以及环境污染小等诸多优点。激光熔覆技术与快速原型制造技术相结合，可应用于复杂零件的直接制造和近终形修复，具有广阔的应用前景。

20世纪80年代以来，激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在许多工业领域获得应用。其中，为提高汽车零件的工作性能，减少材料使用成本，许多国家已将激光熔覆技术应用在了汽车工业领域当中并取得重要成果。本文中介绍了激光熔覆技术的原理及特点，综述了该技术在汽车工业中的应用，包括其在汽车零部件制造、汽车模具的表面强化与修复以及零件再制造等方面的应用。

1　激光熔覆技术及其特点

1.1激光熔覆原理与设备

激光熔覆技术利用高能密度激光束将基材表面薄层与表面添加的材料快速熔凝后，使得添加的材料与基材冶金结合在一起，在基材表面形成熔覆层。添加材料通过送料装置输送或事先预置于基体上，使用送料装置输送添加材料时，激光束扫描一次形成厚0.15～2mm、宽0.2～5mm的单道熔覆层，可以通过多道搭接，在基体上形成一定体积范围的熔覆层。原理如图1所示。

图1　激光熔覆原理示意图

激光熔覆设备的基本组成包括激光器、送料系统、机械运动系统以及其他辅助装置。激光器输出使熔覆材料熔化的高能量密度热源，是激光熔覆设备中的核心部分。目前，广泛应用于激光熔覆的激光器有高功率CO2激光器、Nd：YAG激光器，半导体激光器以及光纤激光器由于能量效率高，更易于金属表面吸收，逐渐受到使用者的青睐。送料系统是激光熔覆时输送添加材料的重要工作系统，熔覆时常用的送料形式为同步送粉与同步送丝2种。送粉熔覆由于稀释率低、无方向性影响得到了比较广泛的应用，但是其粉末利用率较低，通常不到50%，而送丝熔覆的利用率几乎可以达到100%。机械运动系统是执行激光熔覆工艺的关键组成部分，常含有安放工件的工作平台、安装激光头的机器人和数控机床等。为了保证激光熔覆质量，有的熔覆设备还配备了一些辅助装置，其中，常用的辅助装置有监测与反馈控制、气体保护等设备。将激光器、送料系统、运动系统、过程检测系统等集成为闭环控制系统已经成为激光熔覆设备的发展方向。

1.2激光熔覆工艺与材料

1.2.1激光熔覆工艺

激光熔覆技术按照熔覆材料供给方式不同，可以分成预置式和同步式激光熔覆。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，使得熔覆材料和基体表面相继熔化后快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层。熔覆材料的形式可以是粉、丝或带状，采用粘结或喷涂方式预制在基体材料表面。同步式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中，材料供给和熔覆同时完成。熔覆材料主要以粉末形式送入，也可采用丝材或带材同步送给。

熔覆材料供给方式与溶覆层的组织、性能及生产效率有很大的关系。预置粘结粉末和同步送粉比较，前者操作简单方便，但粘结剂分解、气化易造成熔覆层污染和气孔缺陷；后者通过送粉装置定量地将粉末材料直接送至工件表面的激光作用区，具有良好的可控性，易于实现自动化，可制备出多层、大面积熔覆层，其缺点是必须配有复杂的送粉装置，且粉末利用率低。

激光熔覆层的组织和性能除了与熔覆材料及其添加方式有关以外，与熔覆工艺参数也有着密切的关系。激光熔覆工艺参数很多，主要工艺参数包括激光功率、光斑大小、扫描速度、激光束输出模式、搭接率等。在实际生产应用中，应根据不同工件和使用要求，综合考虑后选取最佳的工艺参数。

1.2.2激光熔覆材料

激光熔覆层的性能决定于其组织结构，而其组织结构决定于熔覆材料与熔覆工艺，因此，熔覆材料是影响熔覆层使用性能的关键因素。

按熔覆材料的初始供应状态，熔覆材料可分为粉末状、丝状和带状，其中应用最广泛的是粉末状材料。激光熔覆粉末材料主要有合金粉末以及在合金粉末中加入陶瓷等硬质相的复合粉末材料［2］，自熔性合金粉末是激光熔覆中应用最多的材料，包括Ni基、Fe基、Co基［3］。应用这些粉末材料可以制备出满足耐磨、耐蚀、耐热及其它特殊功能要求的不同熔覆层。

1.3激光熔覆技术特点

激光熔覆技术与传统的化学热处理、电镀、堆焊、热喷涂等相比，有如下特点：1）冷却速度通常高达102～106℃·s-1，凝固组织具有典型的快速凝固特征；2）热输入以及产生的热变形较小，涂层稀释率一般小于8%，常与基体呈良好冶金结合；3）熔覆过程可以使用数控机床或机器人进行操控，适用于复杂型面的强化。激光熔覆与增材制造技术结合可同步实现零部件或模具的表面强化与增材制造，有着广阔的应用前景［4］。

2　激光熔覆在汽车工业中的应用

2.1在汽车零部件制造上的应用

激光熔覆技术因其良好的工艺特性，在汽车零件制造中得到广泛的关注。20世纪80年代开始，美国、日本、俄国、英国以及中国等国家就在汽车工业领域采用激光熔覆技术强化汽车零部件。

美国AVCO公司对汽车排气门激光熔覆Stel⁃lite合金，提高了排气门的耐磨、耐蚀和抗冲击性，达到了节约昂贵合金材料，降低生产成本的目的［5］。Toyota公司在铝合金气缸的气门座处激光熔覆铜基复合材料，通过引擎测试，其高温下的耐磨性和抗冲击性与压入法相比得到了显著提高，而其成本与压入法相比减少了30%［6］。日本尼桑公司在铝基发动机叶片上成功熔覆了一层铜基合金，增强了零件的表面强度，极大的提高了零件的耐磨、耐高温性［7］。俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座经激光熔覆耐热合金后，零件表面硬度提高到原来的3～5倍，使用寿命是原来的2～4倍［5］。英国某发动机公司采用激光熔覆技术，在涡轮增压器叶片上熔覆Co基合金得到了无气孔、无裂纹的高性能熔覆层，极大改善了高温耐蚀性，降低加工时间，减少约50%的昂贵合金粉末的消耗［8］。

李春华［9］等人使用CO2连续激光器对21-4 N汽车排气门表面进行了Ni21合金的激光熔覆，经多次试验后发现，使用激光功率为1.8～2.1 kW，扫描速度5～6 mm·s-1，光斑直径4.5～5 mm，预置粉末厚度为1～2 mm的工艺参数熔覆后的材料表面较为平整，工艺稳定，可以满足汽车排气门的批量生产要求。沈阳SIASUN公司［10］对曲轴表面进行了激光熔覆强化，使得零件表面质量得到了显著提高，曲轴的使用寿命也达到原来使用寿命的1倍以上。张杰飞［11］等人对AM60B镁合金汽车轮毂进行了表面激光熔覆后，使得AM60B镁合金汽车轮毂在中性盐雾腐蚀240 h后的质量损失减少91.63%，在酸雨全浸腐蚀240 h的质量损失率下降93.35%，磨损体积减小71.08%，有效提高了汽车轮毂的耐腐蚀性。

2.2在汽车模具表面强化与修复中的应用

激光熔覆技术在汽车工业中的另一重要应用就是该技术在汽车模具表面强化与修复中的应用，一般模具在工作一定时间后表面会因磨损、腐蚀、接触疲劳而导致模具失效，在汽车制造业中普遍存在着模具因过早失效而需要维修或重新制造模具的情况，因此运用激光熔覆技术进行模具修复是延长模具使用寿命的有效方法［12］。

汽车覆盖件模具在使用时经常出现拉毛缺陷，严重时约生产15～20件就要维修一次，给生产造成相当大的麻烦。因此为了强化汽车覆盖件模具，解决拉毛缺陷，宋启明等人对模具凸、凹模进行了激光熔覆修复，熔覆后的模具表面光滑，无气孔、砂眼产生，工件合格率达到96%以上。刘建永［14］等人采用机器人激光熔覆技术对汽车覆盖件拉深模进行了局部强化，使用Fe40合金先在模具表面熔覆一层后，再使用GXN-65A和XY-27F-X40合金粉末进行分区熔覆，得到了较为良好的工艺效果。

在汽车模具中，激光熔覆技术在强化与修复冲压模和热锻模方面也有着较好的应用。冲压模具在工作过程中承受着周期性载荷的冲击与磨损，工作一段时间后表面就会存在严重的凹坑、点蚀。因此，为满足冲压模具需要的高硬度、高耐磨以及耐腐蚀等特性，马向东［15］等人对冲裁车用4 mm厚、材料是Q235板材结构件的Cr12冲裁模具进行了激光熔覆修复。模具的主要失效形式是裂纹和刃口剥落，采用Fe901合金粉末修复后模具硬度虽为HRC54低于淬火基体，但是Fe901熔覆层的磨损量比Cr12基体的磨损量降低多达70%以上，使得模具具有优良的耐磨性。热锻模在工作中需要有较强的抗热疲劳性，一般热锻模在经过几千次使用后就会因表面产生裂纹而不能使用。为提高热锻模具的使用寿命，张春华［16］等人在H13热作模具钢上采用2 kW的CO2激光器熔覆Stellite x-40钴基合金，经生产实际考查，采用激光熔覆处理后的H13钢模具使用寿命提高到原来的3倍以上。国内汽车零件使用的热锻模在功率密度为4×103W·cm-2的条件下熔覆48Cr-28Ni-2Al-6C-2Mo合金粉末，熔覆后的模具表面具有高硬度、耐高温、摩擦系数较小以及较好的耐腐蚀性［17］。

此外，赵洪运［18］等人在热辊锻模具表面应用激光熔覆技术，熔覆添加WC硬质相的Co基合金粉末，熔覆后使得模具寿命提高了5倍以上，为工厂带来了上千万元的经济效益。王顺兴［19］等人在滚动轴承套圈热冲模上激光熔覆含有WC与CeO2的Ni60合金粉末，处理后通过装机试验发现该热冲模的寿命提高到了原来的1倍以上。

2.3在零件再制造中的应用

再制造成形技术是指把已经达到使用寿命的零件采用一定的技术，使损伤的零件恢复到原有或近形尺寸，达到甚至提高零件使用性能的材料成形技术手段的统称［20］。激光熔覆技术作为零件再制造的一种修复技术，在汽车工业领域有着较为广泛的应用。有关资料表明，再制造后的零件强度可以达到甚至超过新品，而其再制造的成本只是新品的50%，节省了60%的能量，节约了70%的材料，显著减少对环境的不良影响［21］。

汽车工业领域中，曲轴和变速箱的再制造问题在使用激光熔覆技术后能较好地解决。封慧［22］等人在45钢曲轴连杆轴颈上进行激光熔覆Fe基合金粉末，经磨削加工后，轴颈表面光滑，无裂纹和气孔等缺陷，熔覆层硬度达到了基体的2～3倍，解决了曲轴在工作过程中轴颈较易出现磨损和裂纹的情况，避免了因此而导致曲轴整体报废的问题。康县锋等人［23］在汽车变速箱再制造过程中，选择材料为20CrMnTi、8620H的齿轮及轴类零件，材料为HT200、HT250等的壳体零件及其他一些材料为40Cr及ZG310-570的零部件，对其采用同步式激光熔覆。激光熔覆修复后的零件在硬度、强度及耐磨性方面均恢复了原零件的服役性能，从根本上解决了废旧零件只能直接报废或回炉处理的现状，是变速器零部件再制造项目中的一项重要表面技术。

激光熔覆在发动机气门以及阀座的再制造方面也有着较为广泛的应用。Kazuhiko Mori［24］等人对废旧的发动机气门表面激光熔覆Stellite No.32合金与传统的氧乙炔气焊修复方式进行了性能对比。在发动机上测试200 h后，激光熔覆气门表面的磨损量是气焊修复后磨损量的1/3，表面腐蚀少，总体性能方面与气焊相比得到了较大提高。王爱华［25］等人采用激光熔覆工艺在发动机排气阀阀门座表面熔覆NiCrBSi和CoCrW自熔合金粉末，与传统的等离子喷涂和真空感应熔焊技术相比，不仅得到了更好的晶粒组织，较小的热影响区，而且使得阀门座表面的耐磨性和耐蚀性提高到了原来的3～4倍。J Arnold［26］等人采用YAG激光器在使用后的汽车阀门座上熔覆镍基合金，使得处理后的阀门座在强度、硬度、耐磨损方面得到了显著加强。

3　结束语

汽车的发展对零部件材料及其成形加工技术的要求越来越高，激光熔覆作为一种新的材料表面技术为汽车零部件及其加工制造业的发展提供了新的技术支持、增添了新的活力。随着该技术基础理论研究的不断深入和完善、熔覆材料的不断开发、相关设备自动化程度的不断提高，激光熔覆技术将在汽车零部件制造、汽车模具的表面强化与修复以及零件再制造等方面获得越来越广泛的应用。

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Laser Cladding Technology and Its Applications in Automotive Industries

Chang Cheng，Liu Jianyong，Yang Wei，Zeng Daxin
（School of Materials Science&Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

The principles and characteristics of laser cladding technology were introduced.Its applica⁃tions were reviewed in the manufacturing and remanufacturing of the automotive parts，surface strength⁃ening and repairing of the molds&dies for the automotive manufacturing.The prospect of its applica⁃tions in automotive industries was presented.

laser cladding；automotive industry；surface strengthening；remanufacturing

TG174.44

A

1008-5483（2016）02-0049-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.012

2016-04-12

常成（1993-），男，山西晋中人，硕士生，从事激光表面技术研究。E-mail：1002252429@qq.com